Brevet FR3089676A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF D'INDUCTION ELECTROMA- GNETIQUE Domaine technique [0001] La présente invention concerne un dispositif d'induction électromagnétique. [0002] Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif d'induction élec- tromagnétique qui comprend des moyens de prélèvement conférant à un bobinage primaire un comportement de deux inductances en série. [0003] Le dispositif d'induction électromagnétique selon la présente invention est avanta- geusement mis en oeuvre dans un transformateur de puissance, notamment un transformateur de puissance dans le domaine automobile, et plus particulièrement pour la charge des véhicules automobiles électriques. Technique antérieure [0004] On observe depuis quelques années, un essor important des véhicules électriques. [0005] Ces derniers mettent en oeuvre une batterie qui délivre la puissance nécessaire à la traction du véhicule, et dont la charge est effectuée lors de phase du véhicule considéré. [0006] Cette charge, exécutée au niveau de bornes de chargement qui délivrent un courant alternatif, nécessite l'emploi d'un convertisseur AC-DC. [0007] Toutefois, compte tenu du volume que ces derniers sont susceptibles d'occuper dans les bornes de chargement, les constructeurs envisagent de les intégrer dans les véhicules automobiles. [0008] Cette solution permet d'envisager un interfaçage du convertisseur AC-DC avec l'électronique embarqué du véhicule automobile. [0009] Plus particulièrement, un échange d'informations, par des moyens de communication adaptées, peut être mis en oeuvre entre le convertisseur AC-DC et les différentes organes du véhicule et notamment le système de gestion de la batterie. [0010] Le convertisseur AC-DC peut bénéficier de la connectivité avec l'extérieur pour assurer divers services tels que le « smart charging », le positionnement géographique pour adapter le « grid code », [0011] Il est donc préférable que les convertisseurs AC-DC répondent à des contraintes spé- cifiques et notamment présentent un volume réduit, par exemple en mettant en oeuvre un noyau magnétique fonctionnant à relativement haute fréquence. [0012] Il est également envisagé de rendre les convertisseurs AC-DC bidirectionnels et ainsi ouvrir la voie à un stockage de et/ou une distribution d'énergie par la ou les batteries des véhicules électriques. 2 [0013] Un tel agencement permettrait alors de pallier, en partie, les insuffisances du réseau électrique sur lequel lesdits véhicules sont connectés lors de phases de surproduction d'énergie et/ou de pics de consommation. [0014] Un convertisseur AC-DC bidirectionnel nécessite toutefois un agencement particulier permettant de le rendre plus silencieux. [0015] Enfin, l'agencement proposé doit également répondre à une problématique de rendement de manière à limiter les pertes électriques lors de la conversion du courant. [0016] À ces fins, au moins deux topologies de convertisseurs (décrites dans le document [1] cité à la fin de la description) dites, respectivement, de type LLC (convertisseur résonnant illustré à la figure 1) et de type DAB (pour « Dual Active Bridge », illustré à la figure 2) ont pu être proposées. [0017] La topologie LLC est notamment basée sur l'intégration d'un étage de type résonant (« resonant tank » selon la terminologie anglo-saxonne), et comprend un transformateur associé à des condensateurs, de capacité 2C et des inductances montées en « série ». [0018] Les inductances et les condensateurs sont ajustés pour fonctionner en résonnance à une fréquence proche de la fréquence nominale de commutation des commutateurs. [0019] Le transformateur est également agencé pour permettre l'isolation galvanique des circuits d'entrée et de charge, et l'adaptation de la valeur de tension appliquée aux bornes de la charge. [0020] 11 comprend notamment un bobinage primaire et un bobinage secondaire formés autour d'un noyau magnétique, avec un rapport de nombre de tours n égal au rapport des tensions d'entrée et de charge. [0021] Dans une configuration LLC équilibrée, les composants série résonants sont dupliqués de part et d'autre du même enroulement. L'inductance magnétisante du transformateur Lm, fonction du nombre de tours du bobinage primaire et de la géométrie du noyau, est, dans le cas de la topologie LLC, déterminée précisément pour assurer le réglage du gain du convertisseur. [0022] La topologie DAB comprend quand-à elle des bras placés de part et d'autre du trans- formateur dépourvus de capacité. Les inductances en série ont pour fonction de faire transiter la puissance. [0023] L'inductance magnétisante du transformateur n'est plus contrainte à une valeur donnée en topologie DAB, et doit seulement être assez élevée pour obtenir un bon taux d'utilisation. Toutefois, dans cette topologie bidirectionnelle, il est préférable de mettre en oeuvre 4 inductances montées en série avec le transformateur de façon à avoir un circuit le plus symétrique possible et ainsi limiter les perturbations de mode commun à très faible niveau qui réduisent de fait la taille du filtrage en entrée. [0024] Les inductances, typiquement de l'ordre de 1 à 10 pH, et montées en série avec le 3 transformateur dans les topologies LLC et DAB, sont, dans l'état de la technique, des composants de type discrets, placés à l'extérieur du transformateur. [0025] Ces composants occupent en général un volume important que l'on cherche à réduire en les intégrant dans le coeur du transformateur. [0026] Le document [2] cité à la fin de la description propose de mettre à profit l'inductance de fuite naturelle du transformateur comme inductance série tel qu'illustré à la figure 3. [0027] L'inductance de fuite caractérise, notamment, la part du flux magnétique crée par le bobinage primaire du transformateur et qui ne traverse pas le bobinage secondaire. [0028] Cette inductance de fuite est représentative d'un fonctionnement non idéal du trans- formateur, et est à la source d'une distribution d'une partie du flux magnétique autour du composant considéré. [0029] L'inductance de fuite est généralement faible (inférieure à 1 microllenry, pH), et sont évaluation est difficile à prévoir. [0030] Aussi, afin d'augmenter la valeur de l'inductance de fuite, il est proposé dans le document [3] de ménager un espace entre le premier bobinage et le second bobinage. [0031] Cet agencement ne permet toutefois de créer qu'une seule inductance série dans le transformateur, et ne peut donc être mise en oeuvre dans les configurations LLC ou DAB équilibrées. [0032] Par ailleurs, l'espacement créé entre le premier bobinage et le second bobinage tend à faire croître le volume du transformateur. [0033] En outre, les fuites magnétiques autour du bobinage contraignent son implantation en interdisant la présence de tout élément conducteur à proximité pour ne pas y induire de courants de Foucault, ce qui augmente significativement le volume du convertisseur. [0034] Le document [3] cité à la fin de la description propose d'introduire un bobinage sup- plémentaire autour du noyau, tel qu'illustré à la figure 3. [0035] En particulier, le bobinage supplémentaire est destiné à créer dans le noyau une in- ductance intégrée grâce à la circulation d'un flux magnétique selon une direction identique ou différente de celle du flux principal. [0036] L'augmentation du volume du noyau reste limitée tant qu'un seul bobinage supplé- mentaire est considéré. [0037] Toutefois, cette configuration n'offre que peu de flexibilité quant à l'ajustement du circuit magnétique, en termes de longueur et de section, pour réaliser l'inductance série. [0038] Un but de la présente invention est donc de proposer un transformateur pourvu d'une inductance de fuite contrôlée et qui n'induit une augmentation de volume notable. Exposé de l'invention [0039] Le but de la présente invention est atteint par un dispositif d'induction électroma- gnétique comprenant : - un noyau comprenant une jambe principale s'étendant entre deux extrémités, et une section secondaire reliant les deux extrémités de la jambe principale ; - deux bobinages, primaire et secondaire, enroulés sur des portions distinctes de la jambe principale, le bobinage primaire étant susceptible de produire un flux magnétique, dit flux inducteur, destiné à traverser le bobinage secondaire, - le noyau comprend en outre des moyens de prélèvement, formant au moins une languette qui s'étend à partir de la section secondaire et s'interpose entre le bobinage principal et le bobinage secondaire, les moyens de prélèvement prélevant une partie du flux magnétique, dit flux prélevé, de sorte que ledit flux prélevé soit soustrait au flux inducteur traversant le second bobinage, et rehoucle dans le premier bobinage. [0040] Selon un mode de mise en oeuvre, la languette est à distance de la jambe principale de sorte que le flux prélevé soit limité à une partie du flux inducteur circulant hors de la jambe principale. [0041] Selon un mode de mise en oeuvre, la section secondaire comprend une jambe latérale essentiellement parallèle à la jambe principale. [0042] Selon un mode de mise en oeuvre, la jambe latérale comprend une surface interne en regard d'une surface périphérique de la jambe principale, avantageusement la surface interne contourne au moins en partie la surface périphérique, encore plus avantageusement, la surface interne contourne au moins en partie de manière conforme la surface périphérique. [0043] Selon un mode de mise en oeuvre, l'au moins une languette forme une collerette qui s'étend également le long de la surface interne selon une direction perpendiculaire à une direction définie par les extrémités de la jambe principale. [0044] Selon un mode de mise en oeuvre, la section secondaire comprend deux plaques es- sentiellement parallèles entre elles, et maintenant solidaires l'une de l'autre la jambe principale et la jambe latérale. [0045] Selon un mode de mise en oeuvre, la jambe principale est de forme cylindrique. [0046] Selon un mode de mise en oeuvre, le bobinage primaire comprend deux sous bobinages primaires, électriquement connectés en série, et disposés de part et d'autre du bobinage secondaire. [0047] Selon un mode de mise en oeuvre, les deux sous bobinage primaire comprennent chacun un nombre de spires de conducteur métallique identique. [0048] Selon un mode de mise en oeuvre, l'au moins une languette comprend une première languette et une seconde languette s'interposant chacune entre le bobinage secondaire et un sous bobinage différent. [0049] L'invention concerne également un transformateur pourvu du dispositif d'induction électromagnétique selon la présente invention. 100501 Selon un mode de mise en oeuvre, le premier bobinage et le second bobinage sont chacun connectés en série avec une capacité, dites respectivement première capacité et seconde capacité. [0051] Selon un mode de mise en oeuvre, ledit transformateur comprend en outre un premier convertisseur AC-AC connecté en parallèle avec une branche formée par le premier bobinage et la première capacitance, et un second convertisseur AC-DC connecté en parallèle avec une autre branche formée par le second bobinage et la seconde capacitance. Brève description des dessins [0052] D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un dispositif d'induction électromagnétique selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : [0053] [fig.1] est unc représentation schématique en composantes discrètes d'un transformateur en topologie LLC connu de l'état de la technique ; [0054] [fig.2] est unc représentation schématique en composantes discrètes d'un transformateur en topologie DAB connu de l'état de la technique ; [0055] [fig.3] est unc représentation schématique d'un bobinage primaire et d'un bobinage se- condaire concentriques formés autour d'une section d'un noyau connu de l'état de la technique ; [0056] [fig.4A] est unc représentation schématique d'un dispositif d'induction électromagnétique pourvu d'un unique moyen de prélèvement selon la présente invention, le noyau est notamment représenté avec le bobinage primaire et le bobinage secondaire selon un plan de coupe transversal ; [0057] [fig.413] est unc représentation schématique d'un dispositif d'induction électromagnétique pourvu de deux moyens de prélèvement selon la présente invention, le noyau est notamment représenté avec le bobinage primaire et le bobinage secondaire selon un plan de coupe transversal ; [0058] [fig.5A] est une représentation d'un schéma électrique équivalent du dispositif représenté à la figure 4a ; [0059] [fig.5B] est une représentation d'un schéma électrique équivalent du dispositif représenté à la 6 figure 4h ; [0060] [fig.6A] [0061] [fig.6B] sont des représentations schématiques du dispositif selon plan de coupe et en perspective, les figures 6a et 6b représentent notamment le dispositif, respectivement, sans ses bobinages et avec ses bobinages ; [0062] [fig.7] reprend la figure 6a et illustre des détails géométriques d'une languette susceptible d'être mise en oeuvre dans le cadre de la présente invention ; [0063] [fig.8A] [0064] [fig.8B] sont des représentations schématiques du noyau illustrant les caractéristiques géo- métriques dudit noyau en relation avec le tableau 2 ; [0065] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0066] La présente invention concerne un dispositif d'induction électromagnétique pourvu d'un bobinage primaire et d'un bobinage secondaire enroulés sur deux sections différentes d'une même jambe principale d'un noyau ferromagnétique. [0067] Le noyau ferromagnétique comprend en outre une section secondaire reliant les deux extrémités de la jambe principale. [0068] Le dispositif selon la présente invention met en oeuvre une inductance, dite in- ductance de fuite, formée à partir d'une section du bobinage primaire. [0069] L'inductance de fuite est notamment formée via des moyens de prélèvement qui comprennent une languette s'étendant à partir de la section secondaire, et s'intercalant entre le bobinage primaire et le bobinage secondaire. [0070] A la figure 4a, on peut voir un dispositif d'induction électromagnétique 100 selon la présente invention. [0071] Le dispositif 100 comprend notamment un noyau 200, et plus particulièrement un noyau fait d'un matériau ferromagnétique. [0072] Le matériau ferromagnétique peut être fritté et notamment comprendre au moins un des matériaux choisis parmi : MnZn, NiZn [0073] Le noyau 200 comprend une jambe principale 210 et une section secondaire 220. [0074] Par « jambe », on entend une section qui présente une forme allongée. La jambe peut alors prendre la forme d'un barreau, notamment un barreau de section transversale cylindrique. [0075] La jambe principale 210 s'étend longitudinalement entre ses deux extrémités 211 et 212. [0076] La section secondaire 220 relie les deux extrémités 211 et 212 de la jambe principale de manière à former une boucle magnétique. 7 [0077] Par « boucle magnétique », on entend un chemin suivi par un flux magnétique sus- ceptible de circuler dans le noyau. Il est entendu qu'une boucle magnétique est fermée. [0078] Le dispositif selon la présente invention comprend également un bobinage primaire 300 et un hohinage secondaire 400. [0079] Un bobinage, selon la présente invention, comprend un nombre N de spires d'un matériau conducteur enroulé autour d'un corps. [0080] Le bobinage primaire 300 et le bobinage secondaire 400 sont enroulés sur des portions distinctes de Iajambe principale 210. [0081] Par ailleurs, le bobinage primaire 300 est susceptible, notamment lorsqu'il est parcouru par un courant électrique, de produire un flux magnétique, dit flux inducteur, destiné à traverser le hohinage secondaire 400 (boucle « M » sur les figures 4a et 4h). [0082] En outre, le hohinage primaire 300 peut être enroulé autour de la jambe principale 210 de sorte qu'un espace annulaire 310 s'interpose entre le bobinage primaire 300 et la jambe principale 210. [0083] TI est entendu que l'espace annulaire 310 s'étend sur la longueur du bobinage primaire 300 et est délimité latéralement par une surface interne du bobinage primaire 300 et la surface de la jambe principale 210. [0084] La longueur d'un bobinage correspond à sa dimension selon la direction d'élongation de la jambe autour de laquelle il est enroulé. [0085] La section secondaire 220 peut comprendre une jambe latérale 240 essentiellement parallèle à la jambe principale 210. [0086] La jambe latérale 240 comprend une surface interne 241 en regard d'une surface pé- riphérique 213 de la jambe principale 210. [0087] De manière particulièrement avantageuse, la surface interne 241 contourne au moins en partie la surface périphérique 213 (figure 6a et 6b). [0088] Toujours de manière avantageuse, la surface interne 241 contourne au moins en partie de manière conforme la surface périphérique 213. [0089] Par « contourner de manière conforme », on entend deux surfaces dont l'une est l'image de l'autre par homothétie. [0090] La section secondaire 220 peut également comprendre deux plaques 250, 251 essen- tiellement parallèles entre elles, et maintenant solidaires l'une de l'autre la jambe principale 210 et la jambe latérale 240. [0091] La jambe principale 210 peut être de forme cylindrique. [0092] Selon la présente invention, le noyau 100 comprend également des moyens de pré- lèvement, formant au moins une languette 230 qui s'étend à partir de la jambe latérale 230, et s'interpose entre le bobinage primaire 300 et le bobinage secondaire 400. [0093] Il est entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, dès lors que la languette s'interpose entre le bobinage primaire et le bobinage secondaire, cette dernière est 8 exposée au flux inducteur susceptible d'être produit par le bobinage primaire. [0094] Par « languette », on entend un relief, notamment un profilé qui s'étend à partir de la surface de la section secondaire. Le profilé, selon la présente invention, peut toutefois prendre tout type de forme. [0095] À cet égard, tel qu'illustré à la figure 7, languette 230 peut comprendre deux faces 231 et 232 essentiellement parallèles entre elles, et perpendiculaires à la jambe principale 210. Les deux faces 231 et 232 sont reliées par un contour 233. [0096] La distance entre les deux faces 231 et 232 définit l'épaisseur E de la languette. [0097] Le contour 233 comprend deux sections latérales 233a et 233h, qui s'étendent à partir de la surface interne, et qui sont reliées par une section, dite section terminale 233t, faisant face à la surface périphérique 213. [0098] De manière avantageuse, la section terminale 233t est à distance de la surface péri- phérique 213. En d'autres ternies, la languette 230 n'est pas en contact avec la jambe principale 210. [0099] Toujours de manière avantageuse, la section terminale 233t est conforme à la surface périphérique. [0100] Dès lors qu'elle s'interpose entre le bobinage primaire 300 et le bobinage secondaire 400, la languette dévie une partie du flux inducteur, dit flux prélevé (boucle « P » sur les figures 4a et 4h), de sorte que ce dernier ne traverse pas le bobinage secondaire. [0101] Dès lors que la languette 230 est à distance de la jambe principale 210, le flux prélevé est limité à une partie du flux inducteur circulant hors de la jambe principale, et notamment limité au flux inducteur circulant dans l'espace annulaire 310. [0102] Le flux prélevé, au même titre que le flux inducteur, forment une boucle magnétique P. Toutefois, cette boucle P circule successivement dans la languette, la section secondaire puis dans le bobinage primaire (figures 4a et 4b). [0103] En d'autres termes, la mise en oeuvre des moyens de prélèvement permet de transformer l'inductance formée par le bobinage primaire 300 en deux inductances en série. Plus particulièrement, sous l'effet des moyens de prélèvement, le bobinage primaire 300 reproduit le comportement de deux inductances en série, dites, respectivement, inductance de fuite Lr et inductance magnétisante Lm. [0104] À cet égard, l'inductance magnétisante détermine, avec notamment le nombre de spires du bobinage secondaire, le rapport de transformation (ou le gain) entre la tension d'entrée au niveau du bobinage primaire et la tension de sortie au niveau du bobinage secondaire. L'inductance de fuite permet quant à elle d'emmagasiner de l'énergie électromagnétique et de la restituer le moment venu. [0105] Le schéma électrique équivalent relatif au dispositif de la figure 4a est représenté à la figure 5a. Ce dernier comprend notamment l'inductance magnétisante Lm en série avec l'inductance de fuite Lr. 9 [0106] Cet agencement est particulièrement avantageux, puisqu'il permet, sans aug- mentation de volume notable du dispositif, de créer, à partir du hohinage primaire, une inductance de fuite en série avec une inductance magnétisante. [0107] L'inductance de fuite est fonction des caractéristiques géométriques de la languette. [0108] La figure 4h représente une variante avantageuse du dispositif d'induction électroma- gnétique qui reprend pour l'essentiel l'ensemble des caractéristiques du dispositif décrit en relation avec la figure 4a. [0109] Selon cette variante, le bobinage primaire 300 comprend deux sous bobinages primaires 300a et 300h, électriquement connectés en série, et disposés de part et d'autre du hohinage secondaire 400. [0110] De manière particulièrement avantageuse, les deux sous bobinages primaires 300a et 300h comprennent chacun un nombre de spires de conducteur métallique identique. [0111] Toujours selon cette variante, le dispositif d'induction électromagnétique est pourvu de deux languettes 230 dites, respectivement, première languette 230a et seconde languette 230h. [0112] La première languette et la seconde languette s'interposent chacune entre le bobinage secondaire 400 et un sous bobinage primaire différent. [0113] La mise en oeuvre des deux languettes 230a et 230h permet de prélever une partie du flux inducteur généré par chacun des deux sous bobinages primaires. [0114] Par ailleurs, le dispositif peut être symétrique par rapport à un plan de symétrie per- pendiculaire à la jambe principale. Selon cette configuration, le prélèvement du flux est également symétrique, et, de fait, permet de limiter les perturbations de mode commun. [0115] Le schéma électrique équivalent relatif au dispositif de la figure 4b est représenté à la figure 5b. Ce dernier comprend notamment l'inductance magnétisante Lm en série avec deux inductances de fuite Lr/2. [0116] Par ailleurs, quelle que soit la variante considérée, le noyau peut correspondre à un agencement de deux pièces, notamment deux pièces identiques dans le cadre de la seconde variante. [0117] La section suivante présente un exemple de dimensionnement du dispositif décrit en relation avec la figure 5a. [0118] Notamment, le tableau 1 rassemble les spécifications d'un transformateur de type LLC » présentant une fréquence de résonnance de 500 kHz, et comprenant le dispositif d'induction électromagnétique selon la présente invention. [Table 1] Grandeur physique Valeur c1b1e Unité Tension en entrée 450 Tension en sortie a pwssar3ce nomma: le Puissance nominale 11 kW Rapport de transformation 4 - 3 Inductance série de fuite L- 3 +71 uF1 Inductance magnétisante L,, 18 +/- 5% 1-0-1 Gar