Brevet FR3134223A1 — publié le 20231006

Transformateur de puissance à forte isolation galvanique Transformateur de puissance (10) comportant un premier noyau magnétique fermé (12) ayant des première (12A) et seconde (12B) colonnes, un second noyau magnétique fermé (14) ayant des première et seconde colonne (14B) et séparé du premier noyau magnétique fermé par un écran isolant (16), un premier enroulement (22) entourant la première colonne du premier noyau magnétique fermé, un second enroulement (24) entourant la seconde colonne du second noyau magnétique fermé, et un enroulement supplémentaire fermé (26) entourant à la fois la seconde colonne du premier noyau magnétique fermé, la première colonne du second noyau magnétique fermé et l’écran isolant. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Transformateur de puissance à forte isolation galvanique La présente invention se rapporte au domaine de la conversion de puissance électrique dans les aéronefs aussi bien pour la génération électrique des réseaux de bord que pour la propulsion électrique des aéronefs et elle concerne plus tout autant la conversion de forte puissance électrique de la Haute Tension continue (HVDC) vers la Basse Tension continue (LVDC) dans la propulsion électrique que la conversion de petite puissance électrique pour alimenter les éléments de commutation solide de type MOSFET dans le réseau de bord. La illustre un transformateur monophasé standard 30 constitué d’un corps ou noyau magnétique fermé 32 et d’au moins deux bobinages de cuivre 34, 66 constituant le primaire et les secondaire du transformateur. Le corps magnétique fermé 32 peut être de formes diverses, mais il est souvent constitué d’un assemblage de tôles standardisé avec deux colonnes unies par deux culasses (par opposition au transformateur monophasé cuirassé à trois colonnes), et selon la configuration adoptée, les bobinages traversant la fenêtre centrale 38 peuvent être disposés sur chaque colonne, de part et d’autre du corps magnétique fermé comme illustré, ou l’un sur l’autre par exemple. Les enroulements de cuivre qui forment les bobinages 32, 34 sont constitués de fils de cuivre de constructions divers, comme des fils monobrins, des fils multibrins, des fils de Litz, des méplats, etc…. Comme il est connu, le courant passant dans les enroulements de cuivre du primaire du transformateur génère un flux magnétique ϕ m dans le corps magnétique fermé. Ce flux magnétique à son tour génère un courant dans les enroulements de cuivre du secondaire. C’est par ce principe que l’énergie électrique est transmise du primaire au secondaire. La valeur du flux magnétique ϕ m est proportionnelle au carré de la valeur du courant traversant l’enroulement primaire et au nombre de spires Np de cet enroulement primaire. La valeur du courant secondaire est inversement proportionnelle à la valeur du flux magnétique ϕ m qui traverse l’enroulement secondaire, et au nombre de spires Ns de l’enroulement secondaire. Il en résulte que la valeur du courant secondaire est directement proportionnelle à la valeur du courant primaire, au ratio des nombres de spires primaire et secondaire constituant le rapport de transformation du transformateur. Afin de garantir une isolation galvanique minimale, les enroulements de cuivre comportent tous un enrobage de résine, formant isolant électrique, indispensable par éviter les courts-circuits entre les spires. Et lorsque l’on désire renforcer cette isolation galvanique, on vient rajouter un isolant entre les enroulements de cuivre et le corps magnétique fermé, et entre les enroulements primaire et secondaire selon leur disposition. Cette structure de transformateur monophasé standard donne globalement satisfaction. Toutefois, dans le domaine aéronautique, elle n’est pas sans inconvénients. En effet, s’il y a un problème quelconque sur un enroulement, par exemple un court-circuit qui fait fondre l’enroulement en question ainsi que les isolants qui maintenaient à distance l’enroulement et le corps magnétique, alors un contact électrique s’établit entre l’enroulement en défaut et le corps magnétique, et comme le corps magnétique est généralement aussi conducteur électrique, ce défaut peut se retrouver de l’autre côté de la barrière d’isolation galvanique, rompant cette isolation galvanique et entrainant une possibilité de propagation du défaut, qui peut être particulièrement préjudiciable pour la propulsion électrique ou le réseau de bord ou de l’aéronef. Ce problème est aussi présent lorsque que le corps magnétique est en ferrite car ce matériau n’est pas nécessairement un bon isolant face aux tensions élevées requises pour la propulsion électrique ou hybride des aéronefs. Aussi, il est connu, pour renforcer l’isolation de rajouter, relié à la masse électrique, un écran conducteur entre primaire et secondaire connu sous le nom d’écran de Faraday. Toutefois, un tel transformateur dit de séparation ou d’isolement réduit notablement la fenêtre centrale de bobinage et présente en outre des difficultés de réalisation. La présente invention a donc pour but principal de limiter, voire de supprimer, le risque de propagation de défauts électriques entre le primaire et le secondaire d’un transformateur électrique dans un environnement aéronautique. Un autre but est de limiter les éléments parasite de type capacitif lié à la construction du transformateur et qui, dans le cas d’application de commutation de puissance, peuvent générer des perturbations électromagnétiques. Ces buts sont atteints par un transformateur de puissance comportant un premier noyau magnétique fermé ayant une première et une seconde colonne, un second noyau magnétique fermé ayant une première et une seconde colonne et séparé du premier noyau magnétique fermé par un écran isolant, un premier enroulement entourant la première colonne du premier noyau magnétique fermé, un second enroulement entourant la seconde colonne du second noyau magnétique fermé, et un enroulement supplémentaire fermé entourant à la fois la seconde colonne du premier noyau magnétique fermé, la première colonne du second noyau magnétique fermé et l’écran isolant. Ainsi, par cette structure particulière, il est possible d’augmenter l’isolation galvanique sans ajout d’écran conducteur, et en supprimant un chemin conducteur potentiel de propagation de défauts électriques, de réduire le risque de propagation d’une panne et de la voir se transformer en événement catastrophique pour l’aéronef. De préférence, l’enroulement supplémentaire fermé comporte une seule spire. Avantageusement, l’enroulement supplémentaire fermé est constitué d’une seule feuille de cuivre. De préférence, l’écran isolant est une simple plaque d’un matériau isolant comme une résine époxy ou polypropylène ou encore un film de Kapton®. Avantageusement, les noyaux magnétiques fermés présentent l’une des configurations suivantes : C et C, C et I, L et L inversé. L’invention concerne également des convertisseurs de tensions et un réseau de distribution électrique d’aéronef comportant au moins un transformateur de puissance tel que précité. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : la illustre une vue en coupe d’un transformateur de puissance conforme à l’invention, la détaille la partie centrale du transformateur de la , et la montre une vue en coupe d’un transformateur monophasé conventionnel. Transformateur de puissance (10) comportant un premier noyau magnétique fermé (12) ayant des première (12A) et seconde (12B) colonnes, un second noyau magnétique fermé (14) ayant des première (14A) et seconde (14B) colonnes et séparé du premier noyau magnétique fermé par un écran isolant (16), un premier enroulement (22) entourant la première colonne du premier noyau magnétique fermé, un second enroulement (24) entourant la seconde colonne du second noyau magnétique fermé, et un enroulement supplémentaire fermé (26) entourant à la fois la seconde colonne du premier noyau magnétique fermé, la première colonne du second noyau magnétique fermé et l’écran isolant. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel l’enroulement supplémentaire fermé (26) comporte une seule spire. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel l’enroulement supplémentaire fermé (26) est constitué d’une seule feuille de cuivre. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel l’écran isolant (16) est une simple plaque de résine époxy ou polypropylène. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel l’écran isolant (16) est un film de Kapton® ou de tout autre matériau isolant. Transformateur de puissance selon la revendication 1, dans lequel les noyaux magnétiques fermés (12, 14) présentent l’une des configurations suivantes : C et C, C et I, L et L inversé. Convertisseur de tensions comportant un transformateur de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 6. Réseau de distribution électrique d’aéronef comportant au moins un transformateur de puissance selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.