Brevet FR3150339A1 — publié le 20241227

L’invention concerne un dispositif de filtrage inductif comprenant un noyau magnétique fermé (12) formé autour d’un évidement central (14) et au moins un conducteur électrique (16) enroulé autour du noyau magnétique (12) en traversant l’évidement central (14), le conducteur électrique (16) s’étendant selon un axe principal (20) courbe adapté à l’enroulement, dans lequel le conducteur électrique (16) présente une première partie (16a) disposée dans évidement central (14) et une seconde partie (16b) disposée hors de l’évidement central (14), dans lequel on définit une section de la première partie (16a) perpendiculairement à l’axe principal dans la partie considérée et une section de la seconde partie (16b) perpendiculairement à l’axe principal dans la partie considérée, et dans lequel une surface de la première section est inférieure à une surface de la seconde section. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Dispositif de filtrage inductif à masse réduite L’invention concerne un dispositif de filtrage inductif. Ce type de filtrage est communément utilisé afin de réduire d’éventuelles perturbations présentes sur un conducteur électrique. Le dispositif est alors placé en série sur le conducteur et se comporte comme un filtre passe bas en atténuant les perturbations haute fréquence. L’invention trouve une utilité particulière dans le domaine aéronautique où la tendance actuelle est d’augmenter le nombre d’équipements électriques et donc la puissance électrique embarquée. Un avion comprend généralement un grand nombre de charges électriques alimentées en puissance par un réseau de fourniture électrique de bord. Par exemple, les commandes de vols de l’avion, les systèmes de climatisation et d’éclairage interne mettent en œuvre des machines électriques alternatives triphasées. L’énergie électrique fournie à ces machines provient de convertisseurs de puissance reliés à un réseau de bord délivrant de l’énergie électrique sous forme continue ou alternative. Le réseau de bord peut comprendre par exemple des générateurs électriques, des batteries de stockage, ou encore des moyens de liaison à un réseau d’alimentation électrique externe à l’avion et permettant l’alimentation électrique de l’avion lorsqu’il est stationné dans un aéroport. De façon courante à bord d’avion, on trouve des réseaux continus 540V et/ou des réseaux alternatifs 115V ou 230V 400Hz. De manière connue, les convertisseurs de puissance reçoivent de l’énergie du réseau de bord pour la convertir en énergie alternative polyphasée adaptée aux exigences en puissance et en fréquence de la charge. Lorsqu’un convertisseur est alimenté par un réseau alternatif, le convertisseur comprend par exemple un redresseur délivrant une tension continue suivi d’un onduleur produisant la tension alternative nécessaire à la charge à partir de la tension continue. Lorsqu’un convertisseur est alimenté par un réseau continu, le convertisseur comprend alors un circuit remplissant la fonction d’onduleur et produisant la tension alternative directement à partir de la tension continue du réseau de bord. Un convertisseur peut être dédié à une charge ou commun à plusieurs charges. La compatibilité électromagnétique des différents équipements électriques et électroniques embarqués à bord d’un avion est un problème délicat qui prend d’autant plus d’importance que le nombre d’équipement est grand et que la consommation électrique est importante. Plus précisément, pour limiter la masse embarquée, il est courant de mettre en œuvre des convertisseurs statiques comprenant des interrupteurs électroniques. A titre d’exemples, on peut citer les onduleurs fonctionnant en modulation de largeur d’impulsion afin de générer une tension alternative. La fréquence de découpage est bien supérieure à la fréquence de la tension alternative utile générée par l’onduleur. La présence de cette fréquence de découpage tend à créer des perturbations haute fréquence tendant à se propager sur les réseaux de bord. Pour limiter cette propagation, il est courant de mettre en œuvre des filtres inductifs en entrée et/ou en sortie des différents convertisseurs. En fonction de leur raccordement, ces filtres permettent de filtrer aussi bien les perturbations de mode commun que les perturbations de mode différentiel. Les filtres inductifs sont généralement composés d’un enroulement de fils conducteurs disposé autour d’un noyau magnétique. Il est possible de n’enrouler qu’un seul fil autour d’un noyau magnétique. Il est également possible d’enrouler plusieurs fils autour d’un même noyau magnétique, notamment pour y faire circuler les différentes phases d’entrée ou de sortie d’un convertisseur. Qu’il n’y ait qu’un seul fil ou plusieurs fils autour d’un même noyau, ces fils doivent permettre le transport de la puissance électrique de la phase considéré. A cet effet, plus les puissances électriques sont importantes, plus les sections de fils doivent également être importantes afin de limiter les pertes par effet Joule dans les fils. Les dimensions des noyaux magnétiques suivent également celles des fils enroulés afin de pouvoir accueillir les fils. En conséquence les dimensions et les masses des filtres inductifs sont importantes. Dans de nombreux véhicules et plus particulièrement dans les avions, la réduction de masse embarquée est un problème récurrent qui se pose. La tendance actuelle à l’augmentation des équipements électriques embarqués tend par conséquent à augmenter la masse des filtres nécessaires au bon fonctionnement du système électrique embarqué. L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un filtre inductif de dimensions et de masse réduite par rapport à un filtre classique. A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de filtrage inductif comprenant un noyau magnétique fermé formé autour d'un évidement central et au moins un conducteur électrique enroulé autour du noyau magnétique en traversant l'évidement central, le conducteur électrique s'étendant selon un axe principal courbe adapté à l'enroulement, dans lequel le conducteur électrique présente une première partie disposée dans évidement central et une seconde partie disposée hors de l'évidement central, dans lequel on définit une section de la première partie perpendiculairement à l'axe principal dans la partie considérée et une section de la seconde partie perpendiculairement à l'axe principal dans la partie considérée, et dans lequel une surface de la première section est inférieure à une surface de la seconde section. Avantageusement, l'évidement central s'étend selon un axe et une surface d'une section de l'évidement central, section définie perpendiculairement à l'axe de l'évidement central est inférieure à une surface comprise dans une plus petite courbe fermée pouvant entourer autant de seconde parties, toutes disposées parallèlement entre elles selon leur axe principal, que de fois où le conducteur électrique traverse l'évidement central selon son axe. Selon un mode de réalisation, le conducteur électrique comprend un fil électrique de section constante le long de son axe principal et un manchon conducteur électrique ajusté sur le fil électrique pour former la seconde partie. Selon un autre mode de réalisation, le conducteur électrique comprend un premier fil électrique de section constante le long de son axe principal et au moins un tronçon d'un second fil électrique fixé au premier fil électrique pour former la seconde partie. Selon encore un autre mode de réalisation, le conducteur électrique comprend un fil électrique de section constante le long de son axe principal et un feuillard enroulé autour du fil électrique. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la représente un exemple de filtre inductif selon l’invention et ne possédant qu’un seul conducteur électrique : la représente un conducteur électrique adapté au filtre de la ; la illustre la réduction de dimensions d’un noyau magnétique d’un filtre inductif selon l’invention ; la représente un exemple de filtre inductif selon l’invention et possédant deux conducteurs électriques distincts ; les figures 5 à 7 représentent plusieurs exemples de conducteurs électriques pouvant être mis en œuvre dans un filtre inductif selon l’invention et notamment ceux illustrés par les figures 1 et 3 ; la représente un feuillard pouvant être enroulé autour d’un fil électrique pour former un conducteur électrique pouvant être mis en œuvre dans un filtre inductif selon l’invention. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. La représente un filtre inductif 10 comprenant un noyau magnétique fermé 12 formé autour d’un évidement central 14 et un conducteur électrique 16. Le noyau magnétique 12 est de forme tubulaire et s’étend autour d’un axe 18. L’évidement central 14 se développe autour de l’axe 18. Dans l’exemple représenté sur la , l’évidement central 14 possède une section circulaire perpendiculairement à l’axe 18. Dans le cadre de l’invention, la section de l’évidement central 14 peut prendre toute autres formes, par exemple rectangulaire, triangulaire… Le noyau magnétique 12 peut être sans entrefer. Ce type de noyau est habituellement appelé « torique » chez de nombreux fabricants de noyaux magnétiques. Ce qualificatif de torique va bien au-delà de la forme d'un tore telle que définie mathématiquement. On trouve notamment des noyaux magnétiques dits toriques de forme cylindrique à section circulaire, rectangulaire… Certains matériaux mis en œuvre pour réaliser les noyaux magnétiques sont bien adaptés à une forme sans entrefer. On peut notamment citer certains matériaux ferromagnétiques nanocristallins réalisés par enroulement filamentaire autour de l’axe 18. Ce type de matériau est particulièrement bien adapté au filtrage car il possède une gamme perméabilité magnétique relative très forte qui peut être supérieure à 30 000. Alternativement, le noyau magnétique 12 peut posséder un entrefer. Plus précisément, le noyau magnétique peut être réalisé en plusieurs parties assemblées pour former le noyau magnétique 12. Par exemple, il est possible d’assembler deux parties en forme de la lettre U dont les extrémités respectives sont fixées l’une à l’autre. Le plan de joint reliant les deux parties peut contenir l’axe 18 de l’évidement central 14. Le plan de joint peut être parallèle à l’axe 18. Un noyau magnétique réalisé en plusieurs parties, permet de faciliter la mise en place du conducteur électrique 16, notamment pour un conducteur électrique 16 ayant une forme telle que définie par l’invention comme on le verra plus loin. En revanche, même si la fixation des différentes parties du noyau magnétique est réalisée avec la plus grande proximité, il subsiste toujours un entrefer résiduel entre les parties entrainant des pertes magnétiques. On verra plus loin qu’un noyau magnétique sans entrefer complique la mise en place du conducteur électrique 16 conforme à l’invention mais qu’il existe des moyens pour assurer cette mise en place. Le conducteur électrique 16 s’étend selon un axe principal 20 courbe adapté à l’enroulement autour du noyau magnétique 12 en traversant l’évidement central 14. Dans l’exemple représenté, le conducteur électrique 16 traverse deux fois l’évidement central 14. Le conducteur électrique 16 forme ainsi deux spires autour du noyau magnétique 12. L’invention peut être mise en œuvre quel que soit le nombre de spires et donc le nombre de passage du conducteur électrique 16 par l’évidement central 14. Selon l’invention, la section du conducteur électrique 16, section définie perpendiculairement à l’axe 20, n’est pas constance et varie le long de l’axe 20. Plus précisément, la partie du conducteur électrique 16 située à l’intérieur de l’évidement central 14 possède une surface de sa section plus faible que la surface de la section hors de l’évidement central 14. En première approche, une réduction de la section du conducteur électrique 16 peut apparaitre comme entrainant des inconvénients, notamment une augmentation de la résistance du conducteur électrique 16 localement là où la section est réduite et donc un échauffement local du conducteur électrique 16 par effet Joule lors du passage de courants électriques conduits par le conducteur électrique 16. Cependant l’échauffement local peut être pallié par un transfert de la chaleur des parties du conducteur électrique 16 où la section est réduite vers les parties du conducteur électrique 16 où la section est plus importante. De façon globale pour limiter l’augmentation de la résistance globale du conducteur électrique 16, il est possible de compenser l’augmentation de résistance due à la section réduite à l’intérieur de l’évidement central 14 par une augmentation de la section du conducteur électrique 16 pour ses parties situées hors de l’évidement central 14. L’invention présente l’avantage de permettre la réduction des dimensions du noyau magnétique 12. Plus précisément, en réduisant la section du conducteur électrique 16 dans l’évidement central 14, il est possible de réduire la section de l’évidement central 14, section définie perpendiculairement à l’axe 18 et par conséquent des dimensions extérieures du noyau magnétique 12, dimensions perpendiculaires à l’axe 18. Par exemple, si le noyau magnétique 12 possède une forme cylindrique à section circulaire comme représenté sur la , le diamètre intérieur du noyau magnétique 12, diamètre de l’évidement central 14, est réduit. De même le diamètre extérieur du noyau magnétique 12 est également réduit. La représente le conducteur électrique 16 seul hors du noyau magnétique 12. L’axe 20 est rectiligne sur la . Il est bien entendu que l’axe 20 est courbe lorsque le conducteur électrique 16 est enroulé autour du noyau magnétique 12. Le conducteur électrique 16 comprend deux parties différentes : 16a dite de petite section et 16b dite de grande section. Les parties 16a sont de section circulaire de diamètre d inférieur au diamètre D de la section circulaire des parties 16b Les parties 16a sont destinées à être disposées à l’intérieur de l’évidement central 14 et les parties 16b à l’extérieur de l’évidement central 14 lors de l’enroulement du conducteur électrique 16 autour du noyau magnétique 12. La réduction du diamètre intérieur de l’évidement central 14 n’est pas obligatoire. Quand elle est mise en œuvre, la réduction peut être caractérisée par le fait que la surface de la section S de l’évidement central 14 est inférieur à la surface délimitée par la plus petite courbe C pouvant entourer autant de grandes sections de conducteurs électriques juxtaposés que de passages du conducteur électrique 16 traversant l’évidement central 14. La grande section du conducteur électrique 16 est définie pour les parties 16b destinées à être disposées hors l’évidement central 14. Autrement dit, il ne serait pas possible de juxtaposer autant de parties 16 b du conducteur électrique 16 dans l’évidement central 14. Cette caractéristique est illustrée sur la où le conducteur électrique 16 traverse sept fois l’évidement central 14. Sur la partie droite de la , le noyau magnétique 12 est représenté en vue de dessus selon l’axe 18 et l’on distingue sept parties 16a à l’intérieur de l’évidement central 14. Les axes 20 des sept parties 16a sont sensiblement parallèles à l’axe 18 de l’évidement central 14. Sur la partie gauche de la , sont regroupées sept parties 16b en contact les unes avec les autres, les axes 20 des différentes parties 16b étant parallèles entre eux. Ce regroupement a peu de probabilité d’exister pas dans un dispositif de filtrage réel. Ce regroupement fictif a pour simple but d’expliciter le volume qu’occuperait le conducteur électrique s’il ne comportait pas de partie 16a à petite section et que sa section était constante, comme celle de la partie 16b. Une courbe C représentée en pointillé entoure au plus près les sept parties 16b. La surface comprise à l’intérieur de la courbe C est plus grande que la surface S de la section de l’évidement central 14. La courbe C peut être extrapolée quel que soit le nombre de fois que le conducteur 16 traverse l’avidement central. De façon imagée, le courbe C pourrait être un élastique serré entourant autant de parties 16b que de fois où le conducteur 16 traverse l’évidement central. De façon géométrique, le noyau magnétique 12 peut être caractérisé par sa longueur magnétique L représentée en trait mixte sur les figures 1 et 3. De façon générale, la longueur magnétique est la longueur moyenne des lignes de champ magnétique circulant dans le noyau magnétique. Lorsqu’une bobine est enroulée autour d’un noyau magnétique torique en traversant l’évidement central, et lorsque le noyau magnétique est réalisé dans un matériau homogène, la longueur magnétique est sensiblement la longueur des fibres moyennes entourant l’évidement central. Dans l’exemple représenté sur la , l’évidement central 14 possède une section circulaire perpendiculairement à l’axe 18 et la longueur magnétique L est le périmètre d’un cercle dont le centre est situé sur l’axe 18. De façon générale, la longueur magnétique L est utilisée pour appliquer de façon macroscopique la loi d’Ampère : HL = n.i (1) H représente l’excitation magnétique avant saturation et i représente le courant circulant dans n spires enroulées autour du noyau magnétique 12. L’invention permet de réduire la longueur magnétique L du noyau magnétique 12. Pour nombre de spires donnés, en réduisant la longueur magnétique L, l’inductance du filtre inductif 10 augmente. De façon générale, l’efficacité du filtrage du filtre inductif 10 est d’autant meilleure que l’inductance est importante. En conséquence, l’invention permet de d’améliorer l’efficacité d’un filtre inductif. Alternativement, si l’on souhaite conserver la même efficacité, il est possible de réduire d’autres dimensions du noyau magnétique 12, par exemple son diamètre extérieur ou sa hauteur définie le long de l’axe 18. La représente un exemple de filtre inductif 30 selon l’invention possédant un noyau magnétique 32 à évidement central 34 ainsi que deux conducteurs électrique distincts 36 et 38 traversant tous deux l’évidement central 34. Ce type de filtre est bien adapté pour filtrer des perturbations de mode commun de deux phases d’un convertisseur d’énergie électrique, par exemple pour filtrer les deux phases d’entrée d’un onduleur. L’invention peut bien entendu être mise en œuvre pour plus de deux conducteurs électriques traversant l’évidement central 34 d’un même noyau magnétique 32. Il est par exemple possible de prévoir trois conducteurs électriques traversant un même noyau magnétique et dans chacun duquel circule une phase de sortie d’un onduleur triphasé. Dans l’exemple représenté, chacun des conducteurs électriques 36 et 38 ne fait qu’un passage au travers de l’évidement central 34, formant chacun une spire autour du noyau magnétique 32. Il est bien entendu possible que chacun des conducteurs électriques traverse plusieurs fois l’évidement central 34 formant autant de spires que de traversées. Comme dans le filtre 10, chacun des conducteurs électriques 36 et 38 comprend au moins une partie, respectivement 36a et 38a de petite section et plusieurs parties respectivement 36b et 38b. Les petites sections 36a et 38a sont disposées dans l’évidement central 34 et les grandes sections 36b et 38b sont disposées hors de l’évidement central 34. En mettant en œuvre un noyau magnétique réalisé en plusieurs parties, il est possible de disposer le ou les conducteurs électriques autour d’une partie seulement du noyau magnétique avec autant de spires que nécessaire puis d’assembler les différentes parties du noyau magnétique afin d’obtenir le noyau magnétique dit fermé. Avant fermeture, les parties de petite section seront placées le long d’une face du noyau magnétique, face formant après fermeture une face de l’évidement central. Par contre en mettant en œuvre noyau magnétique sans entrefer, c’est-à-dire fabriqué de façon monobloc sous forme d’un anneau fermé, il est possible de réaliser le filtre en enroulant un fil de section constante autour du noyau magnétique puis d’agrandir la section de parties du fil extérieures à l’évidement central pour former les parties de grande section. Les figures 5 à 7 représentent plusieurs exemples de conducteurs électriques particulièrement adaptés à des noyaux magnétiques sans entrefer. Il est cependant possible de mettre en œuvre ces exemples de conducteurs électriques avec des noyaux magnétiques assemblés. La représente un conducteur électrique 40 formé à partir d’un fil électrique 42 de section constante s’étendant sur la figure selon un axe 44 semblable à l’axe 20. Comme sur la l’axe 44 est ici rectiligne. L’axe 44 est destiné à être courbé lors de l’enroulement autour du noyau magnétique pour former un filtre inductif selon l’invention. Ceci est également applicable aux conducteurs électriques représentés sur les figures 6 et 7. Le conducteur électrique 40 comprend, en complément du fil électrique 42 plusieurs manchons 46 réalisés en matériau conducteur électrique. Les manchons ont une forme tubulaire s’étendant selon l’axe 44 et dont la face intérieure est ajustée à la face extérieure du fil électrique. Le fil électrique 42 et les manchons 46 peuvent avoir des sections circulaires perpendiculairement à l’axe 46. Le diamètre extérieur des manchons peut alors former le diamètre D des parties 16b représentées sur la . Entre les manchons 46, le fil électrique reste nu pour former les parties 16a représentées sur la . La mise en place d’un conducteur électrique 40 dans un filtre inductif mettant en œuvre un noyau magnétique sans entrefer peut être facilement en disposant le fil électrique 42 dans l’évidement central puis en enfilant deux manchons 46 sur le fil électrique 42 de part et d’autre de l’évidement central. Si le filtre inductif comprend plusieurs spires un manchon 46 est enfilé sur le fil électrique 42 après chaque passage du fil électrique dans l’évidement central. Après avoir enfilé un manchon 46 sur le fil électrique, il est possible de fixer le manchon considéré au fil électrique par exemple en le brasant. Avant la mise en place d’un manchon 42 électriquement conducteur, il est possible de recouvrir le fil électrique, dans sa partie 16a, d’un autre manchon isolant afin d’éviter tout contact électrique entre les différentes parties 16a si le filtre comprend plusieurs spires ou afin d’éviter tout contact électrique entre une parties 16a et le noyau magnétique. De la même façon, il est également possible de recouvrir les manchons conducteurs 42 de manchons isolants. Les figures 6 et 7 représentent des conducteurs électriques, respectivement 50 et 60 dans lesquels les parties 16b sont formées par des tronçons 52 de fil électriques 52 fixés à un fil électrique 42. Le conducteur électrique 50 représenté sur la comprend un tronçon 52 par partie 16b et le conducteur électrique 60 représenté sur la comprend plusieurs tronçons 52 par partie 16b. Comme pour le conducteur électrique 40 représenté sur la , pour une mise en œuvre avec un circuit magnétique sans entrefer, pour chaque partie 16b, il est possible de fixer le ou les tronçons 52 au fil électrique 42 après passage du fil électrique 42 au travers de l’évidement central. Par ailleurs, il est possible d’isoler électriquement la face extérieure des conducteurs électriques 50 et 60, soit au moyen de manchons isolants distincts pour les parties 16a et 16b, soit un manchon isolant unique recouvrant l’ensemble du conducteur électrique, soit un manchon isolant par partie. la représente un feuillard pouvant être enroulé autour d’un fil électrique pour former un conducteur électrique adapté à des noyaux magnétiques sans entrefer pouvant être mis en œuvre dans un filtre inductif selon l’invention. Pour former une partie 16b, il est possible d’enrouler le feuillard 70 autour d’un fil électrique 42. Le feuillard 70 peut être enroulé en plusieurs tours autour du fil électrique 42. Les différents tours peuvent se recouvrir totalement jusqu’à atteindre un diamètre extérieur de la partie 16b souhaité. La largeur l du feuillard est alors égale à la longueur L de la partie 16b, longueur définie selon l’axe 44. Alternativement, il est possible de prévoir un recouvrement partiel de chaque couche de feuillard afin d’obtenir une longueur L de la partie 16b supérieure à la largeur l du feuillard 70. Dispositif de filtrage inductif comprenant un noyau magnétique fermé (12) formé autour d’un évidement central (14) et au moins un conducteur électrique (16) enroulé autour du noyau magnétique (12) en traversant l’évidement central (14), le conducteur électrique (16) s’étendant selon un axe principal (20 ;44) courbe adapté à l’enroulement, dans lequel le conducteur électrique (16) présente une première partie (16a) disposée dans évidement central (14) et une seconde partie (16b) disposée hors de l’évidement central (14), dans lequel on définit une section de la première partie (16a) perpendiculairement à l’axe principal dans la partie considérée et une section de la seconde partie (16b) perpendiculairement à l’axe principal dans la partie considérée, et dans lequel une surface de la première section est inférieure à une surface de la seconde section. Dispositif de filtrage inductif selon la revendication 1, dans lequel l’évidement central (14) s’étend selon un axe (18) et dans lequel une surface d’une section (S) de l’évidement central (14), section définie perpendiculairement à l’axe (18) de l’évidement central (14) est inférieure à une surface comprise dans une plus petite courbe fermée (C) pouvant entourer autant de seconde parties (16b), toutes disposées parallèlement entre elles selon leur axe principal (20), que de fois où le conducteur électrique (16 ; 40 ; 50 ; 60) traverse l’évidement central (14) selon son axe (18). Dispositif de filtrage inductif selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le conducteur électrique (40) comprend un fil électrique (42) de section constante le long de son axe principal (44) et un manchon (46) conducteur électrique ajusté sur le fil électrique (42) pour former la seconde partie (16b). Dispositif de filtrage inductif selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le conducteur électrique (40) comprend un premier fil électrique (42) de section constante le long de son axe principal (44) et au moins un tronçon (52) d’un second fil électrique fixé au premier fil électrique (42) pour former la seconde partie (16b). Dispositif de filtrage inductif selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le conducteur électrique (40) comprend un fil électrique (42) de section constante le long de son axe principal (44) et un feuillard (70) enroulé autour du fil électrique (42).