Brevet FR3091031A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Dispositif d'accord [0001] Le domaine de l'invention est celui des dispositifs d'accord. Ces dispositifs trouvent une utilité pour l'alimentation des transducteurs piézoélectriques, notamment dans le domaine des sonars, par exemple des antennes d'émission d'ondes acoustiques. [0002] La nature capacitive d'un transducteur piézoélectrique représente une difficulté majeure pour son alimentation. En effet, certains transducteurs « consomment » une puissance réactive qui peut-être plus de cinq fois supérieure à leur maximum de puissance active (i.e. ce qui est réellement transmis dans l'eau). Il est ainsi indispensable de limiter le niveau de la puissance réactive fournie pour l'alimentation d'un ou plusieurs transducteur(s) piézo-électrique(s) afin d'éviter de sur-dimensionner les étages de puissance placés en amont. Or, pour maximiser la puissance émise par le transducteur, il est judicieux de l'exciter électriquement à sa fréquence de résonance mécanique. L'ajout, en amont du transducteur, d'une inductance dont la valeur est accordée avec la capacité du transducteur à une fréquence proche de la résonance mécanique du transducteur permet de réaliser un ensemble ne consommant que de la puissance active et minimise ainsi le dimensionnement des convertisseurs. [0003] Un transformateur élévateur peut aussi être prévu pour adapter le niveau de tension de la source à celui du transducteur piézoélectrique. L'inductance magnétisante de ce dernier peut également servir d'inductance d'accord. [0004] Dans le domaine des antennes d'émission sonars, l'obtention d'émissions direc- tionnelles nécessite de pouvoir régler phase et amplitude pour chaque transducteur, d'où la nécessité d'associer un amplificateur à chaque transducteur ou groupe de transducteurs. Une bobine d'accord doit être prévue entre chaque amplificateur et son ou ses transducteur(s). Par ailleurs, afin de limiter la distance sur laquelle circule la puissance réactive, il est préférable d'installer ce dispositif d'accord au plus près du transducteur mais des considérations pratiques peuvent conduire à l'intégrer sur une même carte électronique que l'étage de puissance destiné à exciter le transducteur piézoélectrique. [0005] Jusqu'à quelques dizaines de kHz, les circuits magnétiques des bobines d'accord de l'art antérieur sont le plus souvent des circuits standards, comme des tores en matériau ferromagnétique du type poudre d'alliage de fer noyée dans une matrice organique, de type MPP, Sendust etc. ou des circuits de ferrite avec un entrefer. Ces circuits magnétiques sont lourds et volumineux donc peu adaptés à l'intégration de plusieurs bobines d'accord sur une même carte électronique. [0006] Par ailleurs, comme visible sur la figure 1 représentant la courbe d'hystérésis ma- gnétique de l'induction B en fonction du champ magnétique d'un matériau ferroma- 2 gnétique de l'art antérieur, l'inductance L, correspondant sensiblement à la pente de la courbe représentée sur la figure 1, varie avec le champ H et donc le courant 1. Cette caractéristique est défavorable à l'accord de l'inductance avec la capacité du transducteur piézoélectrique à une fréquence prédéterminée avec une large dynamique de puissance émise. [0007] Un but de l'invention est de limiter au moins un des inconvénients précités. [0008] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'accord présentant une inductance d'accord destinée à être accordée avec une capacité d'un ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique à une fréquence d'utilisation de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique, le dispositif d'accord comprenant un noyau magnétique torique comprenant une partie magnétique à base d'un matériau ferromagnétique nanocristallin, un ensemble d'au moins un entrefer en matériau amagnétique et au moins un enroulement d'un élément conducteur réalisé autour du noyau magnétique torique. [0009] Avantageusement, le noyau magnétique torique peut comprendre un unique entrefer ou plusieurs entrefers. [0010] Avantageusement, chaque entrefer est dimensionné de sorte que le coefficient d'épanouissement latéral des lignes de champ magnétique de chaque entrefer soit inférieur ou égal à 2. [0011] Dans un premier mode de réalisation, le dispositif d'accord est une bobine de mode différentiel. [0012] Dans un deuxième mode de réalisation, le dispositif d'accord est un transformateur d'adaptation permettant d'accorder une tension d'entrée du transformateur avec une tension d'entrée du transducteur piézoélectrique, l'inductance d'accord étant l'inductance magnétisante du transformateur. [0013] L'invention se rapporte également à un dispositif piézoélectrique comprenant le dispositif d'accord selon l'invention et l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique, l'inductance d'accord étant accordée avec une capacité de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique à une fréquence d'utilisation de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique. [0014] La fréquence d'utilisation est comprise dans un intervalle de fréquences comprenant la fréquence de résonnance de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique. [0015] Dans un mode particulier de réalisation, la fréquence d'utilisation est sensiblement la fréquence de résonance mécanique du transducteur piézoélectrique. [0016] Le dispositif d'accord peut être une bobine de mode différentiel montée en parallèle ou en série avec l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique. En variante, le dispositif d'accord est un transformateur d'adaptation permettant d'adapter une tension d'entrée du transformateur avec une tension d'entrée de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique, l'inductance d'accord étant l'inductance magnétisante du 3 transformateur. [0017] Avantageusement, le dispositif piézoélectrique comprend un étage de puissance destiné à exciter d'au moins un transducteur piézoélectrique via le dispositif d'accord. [0018] [fig.1] La figure 1 déjà décrite représente schématiquement une courbe d' hystérésis d'un matériau ferromagnétique de l'art antérieur, [0019] [fig.2] La figure 2 représente schématiquement un exemple de dispositif piézo- électrique selon l'invention comprenant un dispositif d'accord selon l'invention, [0020] [fig.3] La figure 3 représente schématiquement un noyau magnétique d'un dispositif d'accord selon l'invention. [0021] [fig.4] La figure 4 déjà décrite représente schématiquement une courbe d' hystérésis d'un matériau ferromagnétique nanocristall in, [0022] [fig.5] La figure 5 représente schématiquement un noyau magnétique d'un dispositif d'accord selon l'invention. [0023] [fig.6] La figure 6 représente schématiquement un deuxième exemple de dispositif d'accord selon l'invention. [0024] En figure 2, on a représenté un dispositif piézoélectrique 1 selon l'invention comprenant un exemple de dispositif d'accord 2 selon l'invention. [0025] Le dispositif piézoélectrique 1 comprend un transducteur piézoélectrique 3, un étage de puissance 10 destiné à mettre en forme un signal d'excitation destiné à exciter le transducteur piézoélectrique, et une bobine d'accord 2 montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique 3. L'étage de puissance 10 peut, par exemple, comprendre un amplificateur comme en figure 2 et/ou convertisseur de puissance, par exemple un onduleur. [0026] En variante, le dispositif piézoélectrique comprend plusieurs transducteurs piézo- électriques. [0027] De préférence, la fréquence d'accord est la fréquence de résonance mécanique du transducteur piézoélectrique. [0028] Selon l'invention, la bobine d'accord 2 comprend, comme visible en figure 3, un noyau magnétique torique 4 comprenant une partie magnétique 5 à base d'un matériau ferromagnétique nanocristallin et au moins un enroulement 6 d'un élément conducteur réalisé autour du noyau magnétique torique 4. [0029] La figure 4 représente, avec une même échelle que la figure 1, l'hystérésis ma- gnétique de l'induction B en fonction du champ magnétique H appliqué sur un matériau nanocristallin et donc du courant I le traversant. Pour rappel, l'induction B est donnée par B=d (4))/dt= d(L9)/dt =L*dI/dt quand L est constante (et H=N*I/Le), avec "Le" est la longueur du circuit magnétique, "N" est le nombre de spires et "L" est la valeur de l'inductance. [0030] L'induction, correspondant sensiblement à la pente d'une des branches Bi, B2 de rhysteresis représenté en figure 4, est fixe et indépendante du champ H et donc du courant entre les deux saturations représentées SAT1, SAT2. Cette caractéristique est favorable à l'accord de l'inductance de la bobine avec la capacité du transducteur à une fréquence prédéterminée car l'inductance est constante sur ce domaine de la courbe. Par ailleurs, comme la pente entre les saturations est fixe, la saturation se produit brutalement et de façon prédictible et reproductible, ce qui permet de la calculer aisément. [0031] L'utilisation d'un matériau nanocristallin permet d'obtenir des circuits d'accord de taille, et de masse réduites (on constate un facteur 2 en volume et en masse par rapport à des tores en poudre d'alliage de fer de type MPP, Sendust etc.) du fait du niveau élevé que peut atteindre l'induction. La saturation du matériau nanocristallin intervient au-dessus de 1,2T sans que la valeur d'inductance ait sensiblement varié, alors que dans ce type d'applications, les matériaux utilisés dans l'art antérieur doivent être utilisés dans leur zone linéaire, soit le plus souvent en-dessous de 0,5T. Une autre caractéristique favorable des matériaux nanocristallin est leur faible niveau de pertes fer. [0032] Ces caractéristiques (valeur d'inductance indépendante du courant, faible pertes, niasse et volume réduits) font des matériaux nanocristallins une technologie particulièrement adaptée à la fonction d'accord, notamment pour la réalisation de sonars directifs qui associent un grand nombre de canaux d'émission. [0033] Le matériau ferromagnétique nanocristallin peut être un alliage de fer. Il s'agit par exemple d'un alliage de composition de type FeCuMSiB où M est un métal de transition, par exemple le Nb. Une composition largement utilisée est du type : Fe73.5CulNb3SixB22.5-x et contiennent 13.5% ou 16.5% de silicium. Dans cette famille, des cristaux de fer-silicium sont noyés dans une matrice résiduelle amorphe. Les cristaux ont des dimensions de l'ordre du nanomètre. D'autres matériaux de type FeMB peuvent être utilisés. Ils contiennent généralement plus de 80% de fer, 7% de métal de transition et le complément en bore. Les matériaux de cette famille comprennent des nano cristaux de fer pur. [0034] 11 est à noter que les matériaux nanocristallins ferromagnétiques présentent une per- méabilité magnétique relative pouvant se situer dans une large gamme de valeurs allant de 200 à 500 000 suivant le matériau choisi et le traitement subi par ce matériau. Des traitements thermiques permettent, par exemple, de réduire la perméabilité magnétique d'un matériau. Or, les bobines d'accord sont destinées à stocker de l'énergie, et dans la majorité des cas le noyau ferromagnétique ne devrait pas dépasser une perméabilité relative de 100. L'homme du métier est donc détourné de l'utilisation de matériaux nanocristallins pour réaliser des bobines d'accord. [0035] Selon l'invention, le noyau magnétique torique 4 comprend un ensemble d'au moins un entrefer 7 en matériau amagnétique. Par entrefer, on entend ici entrefer localisé. Cette caractéristique permet de réduire la perméabilité totale du noyau magnétique ce qui permet le stockage de l'énergie et l'utilisation de la bobine pour réaliser l'accord malgré la valeur importante de la perméabilité relative des matériaux nanocristallins ferromagnétiques. [0036] Le noyau magnétique torique 4 est obtenu en spiralant une bande de matériau nano- cristallin ce qui permet d'obtenir un tore sous forme d'une spirale d'une bande de matériau nanocristallin. [0037] L'entrefer 7 est ensuite obtenu en sectionnant le tore de sorte à former un volume libre 8, visible en figure 5. Lc restant du tore forme la partie magnétique 5 du noyau magnétique 4. La section du tore est, par exemple, réalisée par un disque diamanté ou une meule diamant. [0038] De préférence, pour éviter d'altérer le matériau, la coupe du tore est réalisée après imprégnation et/ou enrobage dans une résine organique. [0039] En sus ou en variante, un outillage assure le maintien mécanique de la spirale lors de la coupe afin d'éviter l'éclatement de cette dernière. [0040] Avantageusement, une cale 9 en matériau amagnétique est insérée dans le volume libre 8 de sorte à obtenir l'entrefer et à éviter toute déformation du tore et de l'entrefer car c'est la précision des dimensions de cet entrefer et notamment de son épaisseur qui détermine de façon prépondérante la valeur de r inductance. L'épaisseur de la cale 9 est calibrée et correspond à l'épaisseur c de l'entrefer que l'on souhaite obtenir. [0041] Le volume libre 8 peut présenter une épaisseur légèrement inférieure à l'épaisseur c que l'on souhaite obtenir. La cale 9 peut être insérée en déformant légèrement le volume libre 8 lors de son montage. [0042] La cale 9 peut remplir complètement le volume libre 8. En variante, la cale 9 remplit seulement partiellement le volume libre 8, un matériau de remplissage amagnétique est alors avantageusement inséré dans le restant du volume libre de façon que le noyau magnétique présente une section sensiblement fixe ce qui empêche l'enroulement de venir pénétrer dans ce volume. [0043] En variante, une colle amagnétique est injectée dans le volume libre et est conformée par un moule configuré pour que la colle remplisse totalement le volume libre et pour que le noyau magnétique 4 présente une section constante. [0044] En variante, le noyau magnétique torique peut comprendre plusieurs entrefers. Le procédé comprend alors plusieurs étapes de coupe, simultanées ou non, de sorte à réaliser plusieurs volumes libres destinés à former les entrefers localisés. La partie magnétique du noyau magnétique comprend alors plusieurs tronçons séparés deux à deux par un entrefer localisé. [0045] La présence de plusieurs entrefers permet d'améliorer la capacité de stockage de l'énergie de la bobine d'accord en faisant diminuer la perméabilité magnétique du noyau magnétique par rapport à un seul entrefer localisé de même volume. Cela 6 présente un intérêt non négligeable pour l'utilisation de matériaux nanocristallins ferromagnétiques de perméabilité magnétique élevée, plus standardisés. Par ailleurs, la réalisation de plusieurs entrefers de volume faible (faible épaisseur ou secteur angulaire de taille réduite) est plus intéressante du point de vue du stockage d'énergie que la réalisation d'un seul entrefer de volume correspondant à la somme des volumes des entrefers, c'est-à-dire dont le secteur angulaire (ou l'épaisseur) est la somme des secteurs angulaires (ou épaisseurs) de la pluralité d'entrefers. En effet, dans ce dernier cas, la valeur du coefficient d'épanouissement latéral des lignes de champ dans les entrefers (« fringing factor » en anglais) augmente. En effet, l'augmentation de l'épaisseur d'un entrefer conduit à une augmentation de la section apparente de celui-ci (par épanouissement des lignes de champ), suivant une loi logarithmique ; ce phénomène limite la réduction attendue de la valeur de l'induction (e = B.S, avec e le flux, B l'induction et S la section) et augmente les pertes par effet de proximité (les spires au droit de l'entrefer sont prises dans le flux qui n'est plus convenablement canalisé). [0046] Avantageusement, afin d'optimiser le stockage de l'énergie, les dimensions de chaque entrefer sont définies de façon que le coefficient d'épanouissement latéral des lignes de champ magnétique (appelé « fringing factor » en terminologie anglo-saxonne) de chaque entrefer soit inférieur à 2. [0047] Les entrefers peuvent présenter les mêmes dimensions ou des entrefers peuvent présenter des dimensions différentes. [0048] Avantageusement, le noyau magnétique 4 comprend un seul entrefer lorsque le matériau nanocristallin présente une perméabilité magnétique faible et plusieurs entrefers lorsque le matériau nanocristallin présente une perméabilité magnétique plus élevée. Le fait de prévoir plusieurs entrefers permet d'utiliser des tores nanocristallins de perméabilité élevée qui peuvent rester bon marché pour former le noyau magnétique en y réalisant les entrefers. [0049] L'homme du métier détermine le nombre d'entrefers et leurs dimensions en fonction de la perméabilité magnétique du matériau nanocristallin, du coefficient d'épanouissement latéral des lignes de champ magnétique maximal souhaité et de l'inductance souhaitée. [0050] L'invention a été décrite dans le cadre d'un dispositif d'accord du type bobine. [0051] La bobine peut être montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique, comme en figure 2, ou en série avec ce dernier. [0052] L'inductance L d'accord est donnée pan C est une capacité équivalente du transducteur piézoélectrique à la fréquence d'accord et (.0 . exprimée en radian par seconde, la pulsation propre (0 à la fréquence d'accord f, exprimée en hertz. La 7 pulsation propre est reliée la fréquence d'accord par la formule suivante : w 2sii*f [0053] Lorsque la bobine est montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique, la capacité C est la capacité équivalente du transducteur dans le modèle du type Rp-Cp dans lequel le transducteur est modélisé par une résistance en parallèle avec un condensateur. [0054] Lorsque la bobine est montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique, la capacité équivalente C est la capacité équivalente du transducteur dans le modèle du type Rs-Cs dans lequel le transducteur est modélisé par une résistance en série avec un condensateur. [0055] Dans le cas où la bobine est montée en série ou parallèle avec un ensemble de trans- ducteurs piézoélectriques, la capacité équivalente est la capacité de l'ensemble de transducteurs dans l'un des modèles. [0056] Dans une variante du dispositif piézoélectrique 100, représentée en figure 6, le dispositif d'accord est du type transformateur d'adaptation 20 configure pour adapter la tension d'entrée Ul de l'étage de puissance 10, la tension U2 du transducteur piézoélectrique, l'inductance d'accord L étant l'inductance magnétisante Lm du transformateur d'adaptation. Le transformateur 20 peut être modélisé par un transformateur parfait 21 et une bobine (l'accord 22 montée en parallèle avec le transducteur piézoélectrique 3, comme représenté en ligure 6. Le dispositif d'accord ou transformateur 20 présente alors une double fonction d'accord et d'adaptation. [0057] Le transformateur peut être un autotransformateur ou comprendre au moins deux en- roulements réalisés autour du noyau magnétique 4 de sorte à former le primaire et le secondaire du transformateur. Le rapport de transformation m du transformateur est défini pour permettre l'adaptation entre Ul et U2. [0058] Dans le cas où la bobine d'accord 2 est montée en série, l'étage de puissance est avantageusement un générateur de courant et dans le cas où la bobine d'accord est montée en parallèle, l'étage de puissance est un générateur de tension, tout comme dans le cas où le dispositif d'accord est un transformateur (l'accord et d'adaptation. 8 REVENDICATIONS[Revendication I] Dispositif d'accord (2 ; 20) présentant une inductance d'accord (L) destinée à être accordée avec unc capacité d'un ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique (3) à une fréquence d'utilisation de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique (3), le dispositif d'accord (2 ;20) comprenant un noyau magnétique torique (4) comprenant unc partie magnétique (5) à hase d'un matériau ferromagnétique nanocristallin, un ensemble d'au moins un entrefer (7) en matériau amagnétique et au moins un enroulement d'un élément conducteur (6) réalisé autour du noyau magnétique torique (4). [Revendication 2] Dispositif d'accord (2 ; 20) selon la revendication précédente, dans lequel le noyau magnétique torique (4) comprend un unique entrefer (7). [Revendication 3] Dispositif d'accord (2 ; 20) selon la revendication 1, dans lequel le noyau magnétique torique (4) présente plusieurs entrefers. [Revendication 4] Dispositif d'accord (2 ; 20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque entrefer (7) est dimensionné de sorte que le coefficient d'épanouissement latéral des lignes de champ magnétique de chaque entrefer soit inférieur ou égal à 2. [Revendication 5] Dispositif d'accord (2 ; 20) selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif d'accord (2) est une bobine de mode différentiel. [Revendication 6] Dispositif d'accord (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le dispositif d'accord étant un transformateur d'adaptation (20) permettant d'adapter une tension d'entrée du transformateur avec une tension d'entrée du transducteur piézoélectrique, l'inductance d'accord (L) étant l'inductance magnétisante du transformateur. [Revendication 7] Dispositif piézoélectrique (1 ; 100) comprenant le dispositif d'accord (2 ; 20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, et l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique (3), l'inductance d'accord (L) étant accordée avec une capacité de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique (3) à une fréquence d'utilisation de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique (3). [Revendication 8] Dispositif piézoélectrique (1 ; 100) selon la revendication précédente, dans laquelle la fréquence d'utilisation est sensiblement la fréquence de résonance mécanique du transducteur piézoélectrique (3). [Revendication 9] Dispositif piézoélectrique (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel le dispositif d'accord est. une bobine de mode différentiel (2) montée en parallèle ou en série avec l'ensemble d'au moins 9 [Revendication 10] un transducteur piézoélectrique (3). [Revendication 11] Dispositif piézoélectrique (100) selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel le dispositif d'accord est un transformateur d'adaptation (20) permettant d'adapter une tension d'entrée du transformateur avec une tension d'entrée de l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique, l'inductance d'accord (L) étant l'inductance magnétisante (Lm) du transformateur. Dispositif piézoélectrique (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, comprenant un étage de puissance (10) destiné à exciter l'ensemble d'au moins un transducteur piézoélectrique, en énergie électrique via le dispositif d'accord (2 ; 20).