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WO 2013/045850 1 PCT/FR2012/052191
COMPOSANT ELECTRONIQUE DE PUISSANCE BOBINE COMPORTANT UN SUPPORT DE
DRAINAGE THERMIQUE
La présente invention concerne le domaine de la régulation thermique de
composants
électroniques de puissance destinés à une application aéronautique.
Un aéronef comporte de manière classique un grand nombre de composants
électroniques de
puissance, en particulier, pour l'actionnement de commandes de vol ou le
filtrage de signaux
électriques. Les composants électroniques de puissance pour des applications
aéronautiques sont
adaptés pour développer des puissances de l'ordre de plusieurs dizaines de
kilowatts.
Traditionnellement, les composants électroniques de puissance sont utilisés de
manière transitoire
pendant des durées de l'ordre de quelques secondes ce qui génère une faible
quantité de chaleur
par effet Joule ; cette chaleur est absorbée par la masse du composant
électronique. La
température du composant électronique de puissance n'augmente que faiblement
ce qui ne porte
pas préjudice à son fonctionnement.
Afin de répondre à de nouveaux besoins des avionneurs, il a été proposé
d'utiliser les composants
électroniques de puissance de manière permanente pendant des durées de l'ordre
de quelques
minutes. En pratique, après quelques minutes d'utilisation, la température du
composant
électronique de puissance commence à s'élever jusqu'à atteindre une
température limite à partir
de laquelle le fonctionnement du composant électronique n'est plus optimal.
Parmi les composants électroniques de puissance, les composants électroniques
bobinés, utilisés
en particulier pour le filtrage de signaux, sont affectés par l'élévation de
température. En référence
à la figure 1, un composant électronique de puissance bobiné 1, désigné par la
suite composant
bobiné 1, comporte un noyau magnétique 11 de forme torique, désigné par la
suite tore 11, autour
duquel sont enroulées des spires métalliques 12, de préférence en cuivre. En
pratique, à partir de
110 C, les propriétés magnétiques du tore 11 sont dégradées et le
fonctionnement du composant
bobiné 1 n'est plus optimal.
Le composant bobiné 1 comporte classiquement des pattes de fixation 13 reliant
des spires 12 du
composant bobiné 1 à une embase 2 sur lequel est monté le composant bobiné 1.
La température
de l'embase 2 est plus faible que celle du composant bobiné 1 lors de son
fonctionnement.
L'embase 2 forme, d'un point de vue thermique, une source froide. En
fonctionnement, le tore 11 et
les spires 12 du composant bobiné 1 s'échauffent. Comme représenté sur la
figure 1, seules les
spires 12 sont en contact avec les pattes de fixation 13 ce qui permet de
drainer les calories des
spires 12 dans l'embase 2. Au contraire, les calories générées par effet Joule
dans le tore 11 ne
sont pas drainées de manière satisfaisante. En effet, pour drainer les
calories du tore 11 dans les
pattes de fixation 13, celles-ci doivent circuler par les spires 12. La
résistance thermique induite par
cet assemblage est très élevée. La température du composant bobiné 1 demeure
alors élevée ce
qui empêche son fonctionnement optimal.
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Pour éliminer ces inconvénients, une première solution consiste à augmenter le
diamètre du
composant bobiné afin de limiter les pertes par effet Joule. Une telle
solution augmente la masse
et l'encombrement du composant bobiné et n'est pas souhaitable. Une deuxième
solution consiste
à utiliser un ventilateur tournant pour générer un flux d'air pour refroidir
le composant bobiné.
L'intégration d'un ventilateur tournant dans une application aéronautique
présente des
inconvénients sur le plan de la fiabilité. Cette solution est donc également
exclue. Une troisième
solution serait de recourir à des résines, par exemple du type époxy, dans
lesquelles seraient
noyés les composants bobinés. En pratique, de telles résines ne permettent pas
de limiter de
manière suffisante l'échauffement d'un composant bobiné.
Le but de l'invention est de former un composant électronique de puissance
bobiné dont la
température en fonctionnement est régulée tout en assurant une tenue mécanique
compatible
avec une application aéronautique dans laquelle le composant est soumis à des
vibrations, des
accélérations et à des températures extérieures variant entre -50 C et +110 C.
Un autre but de
l'invention est de former des composants bobinés de masse et d'encombrement
réduits.
A cet effet, l'invention concerne un composant électronique de puissance
bobiné destiné à être
monté sur une embase, le composant comportant un noyau magnétique s'étendant
axialement sur
lequel est enroulée une pluralité de spires, de manière à former une bobine
magnétique, et au
moins un support de fixation à ladite embase comportant au moins une surface
de drainage en
contact thermique avec le noyau magnétique et/ou la pluralité de spires de
manière à drainer les
calories du noyau magnétique et/ou de la pluralité de spires vers l'embase
lors du fonctionnement
du composant, composant dans lequel le support de fixation possède une
conductivité thermique
équivalente supérieure à 400 W.m-1.K-1, de préférence, supérieure à 600 W.m-
1.K-1.
La valeur de la conductivité thermique est définie selon la direction
principale du support de fixation
de manière à conduire les calories de la source chaude vers la source froide.
De manière
classique, la conductivité thermique est définie à température ambiante, c'est-
à-dire, à 20 C.
Un support de fixation de forte conductivité thermique équivalente permet de
drainer de manière
efficace les calories du composant bobiné tout en permettant de résister aux
vibrations. Lorsque le
support de fixation est constitué uniquement d'un élément, la conductivité
thermique du matériau
de l'unique élément correspond à la conductivité thermique équivalente.
Lorsque le support de
fixation comporte plusieurs éléments (par exemple une patte de fixation et un
dispositif de drainage
thermique), la conductivité thermique équivalente correspond à la conductivité
thermique de
l'ensemble desdits éléments.
De préférence, le support de fixation est amagnétique de manière à ne pas
s'échauffer par
induction.
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De préférence encore, le support de fixation est constitué d'un matériau
composite. Un tel matériau
présente l'avantage d'être passif et présente une grande résistance aux
vibrations. Par ailleurs, il
est possible d'obtenir un support de fixation de forme choisie, un matériau
composite pouvant être
facilement travaillé.
De préférence, le support de fixation comporte un matériau composite chargé en
particules à haute
conductivité thermique choisies parmi : des nanotubes de carbone, des fibres
de carbone, des
particules de diamant et des particules de graphite. De tels matériaux
présentent des hautes
conductivités thermiques et sont compatibles pour une application aéronautique
dans laquelle le
composant bobiné est soumis à des vibrations, des accélérations et à des
températures
extérieures variant entre -50 C et +110 C.
De préférence encore, le support de fixation comporte un dispositif de
drainage thermique
diphasique de manière à augmenter la conductivité thermique équivalente et
ainsi doper le
drainage de calories.
De préférence, le dispositif de drainage thermique diphasique est un caloduc.
Selon un premier aspect de l'invention, le dispositif de drainage thermique
diphasique est un
caloduc oscillant.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de drainage thermique
diphasique est une
chambre vapeur ou vapor chamber .
Selon un premier aspect, le support de fixation comportant au moins une patte
de fixation à
l'embase, le dispositif de drainage thermique diphasique est monté sur la
patte de fixation ce qui
améliore la maintenance du dispositif de drainage thermique.
Selon un deuxième aspect, le support de fixation comporte au moins une patte
de fixation à
l'embase, le dispositif de drainage thermique diphasique est intégré à la
patte de fixation ce qui
permet d'augmenter la conductivité thermique équivalente du support de
fixation.
De manière préférée, le support de fixation comporte une première surface de
drainage en contact
thermique avec le noyau magnétique et une deuxième surface de drainage en
contact thermique
avec la pluralité de spires de manière à drainer les calories du noyau
magnétique et de la pluralité
de spires vers l'embase lors du fonctionnement du composant.
Les surfaces de drainage du support de fixation permettent de drainer
directement les calories du
noyau magnétique et des spires ce qui améliore la régulation thermique du
composant
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électronique de puissance. De manière avantageuse, la présence de surfaces de
drainage
n'augmente pas la masse ni l'encombrement du composant électronique de
puissance bobiné.
Ainsi, la chaleur générée par le noyau magnétique ne transite pas dans les
spires mais est
directement drainée par le support de fixation.
De préférence, la première surface de drainage est sensiblement égale à la
section axiale du
noyau magnétique. Ainsi, on assure un compromis entre la capacité de drainage
(surface large de
drainage) et une limitation de la masse et de l'encombrement (surface réduite
de drainage).
De manière préférée, les spires sont enroulées sur le noyau magnétique et le
support de fixation
ce qui permet de mettre en contact le support de fixation avec les spires et
le noyau magnétique.
En outre, l'enroulement des spires permet avantageusement de maintenir
ensemble le support de
fixation avec le noyau magnétique.
De préférence encore, la deuxième surface de drainage est au moins
partiellement incurvée de
manière à limiter le risque de blessure des spires enroulées sur le support de
fixation.
Selon un aspect de l'invention, le support de fixation comporte un anneau de
contact thermique
s'étendant axialement, les première et deuxième faces transversales de
l'anneau formant
respectivement la première surface de drainage et une partie de la deuxième
surface de drainage.
Ainsi, une face de l'anneau est en contact avec une face transversale du noyau
magnétique tandis
que l'autre face de l'anneau est en contact avec les spires.
De manière préférée, l'anneau de contact thermique comporte une surface axiale
reliée à la
deuxième face transversale par une arête arrondie. Une arête arrondie permet
de limiter le risque
de blessure des spires qui sont enroulées sur la deuxième face transversale et
les surfaces axiales
de l'anneau qui forment ensemble la deuxième surface de drainage. En outre,
une arrête arrondie,
appelée également congé, permet d'améliorer le contact entre les spires et la
deuxième surface de
drainage.
Selon un autre aspect de l'invention, une interface thermique, de préférence
une graisse
thermique, est placée entre la première surface de drainage et le noyau
magnétique. Une telle
interface thermique permet d'améliorer la capacité de drainage des calories du
noyau magnétique.
De préférence, le support de fixation est fixé à une extrémité du noyau
magnétique. La fixation à
une extrémité du noyau magnétique permet de ne pas affecter les performances
magnétiques du
noyau.
De préférence toujours, le support de fixation comporte au moins une patte de
fixation à l'embase.
La patte de fixation permet, d'une part, de conduire les calories prélevées
par les surfaces de
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drainage vers l'embase et, d'autre part, de résister aux vibrations et
accélérations liées au
fonctionnement de l'aéronef sur lequel est fixé le composant.
De préférence encore, le composant comportant deux supports de fixation, les
supports de fixation
sont fixés aux extrémités du noyau magnétique. La présence de deux supports
permet de
sécuriser de manière efficace le composant bobiné dans un environnement soumis
à des
vibrations et des accélérations tout en limitant sa masse et son encombrement.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre,
donnée uniquement à
titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation en coupe d'un composant électronique
de puissance
bobiné selon l'art antérieur (déjà commenté) ;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un composant
électronique de puissance
bobiné selon l'invention en position horizontale, seules quelques spires étant
représentées ;
- la figure 3 est une représentation en coupe axiale du composant
électronique de puissance
bobiné de la figure 2 ; et
- la figure 4 est une représentation schématique d'un composant
électronique de puissance
bobiné selon l'invention en position verticale, seules quelques spires étant
représentées.
Il faut noter que les figures exposent l'invention de manière détaillée pour
mettre en oeuvre
l'invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir
l'invention le cas échéant.
La figure 2 représente une première forme de réalisation d'un composant
électronique de
puissance bobiné 3 selon l'invention pour une application aéronautique dans
laquelle le composant
bobiné 3 est soumis à des vibrations, des accélérations et à des températures
extérieures variant
entre -50 C et +110 C.
Le composant bobiné 3 comporte un noyau magnétique 31 de forme torique, appelé
par la suite
tore 31, sur lequel est enroulée une pluralité de spires 32 de manière à
former une bobine. Dans
cet exemple, le tore 31 se présente sous la forme d'un cylindre longitudinal
d'axe X et de section
circulaire. Le tore 31 est constitué d'un matériau magnétique tel que de la
ferrite. Une pluralité de
spires 32, de préférence en cuivre, est enroulée de manière classique autour
du tore 31 de
manière à former une bobine magnétique comme représenté sur la figure 2. Une
telle bobine est
adaptée pour générer des courants par induction afin de réaliser, par exemple,
des opérations de
filtrage de signaux électriques.
Le composant bobiné 3 est monté à une embase structurale 2 remplissant une
fonction de source
froide, cette dernière étant de préférence solidaire de l'aéronef. En
référence aux figures 2 à 3,
l'embase 2 est une plaque plane horizontale mais il va de soi que l'embase 2
peut se présenter
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sous diverses formes. En référence aux figures 2 et 3, dans cette première
forme de réalisation de
l'invention, l'axe X du tore 31 du composant bobiné 3 s'étend horizontalement
par rapport à
l'embase 2. On dit que le composant bobiné 3 est monté en position horizontale
sur l'embase 2.
Dans cet exemple, le composant bobiné 3 comporte deux supports de fixation 4
identique et
montés aux extrémités latérales du tore 31 du composant bobiné 3 comme
représenté sur les
figures 2 et 3 afin de pouvoir le maintenir de manière sécurisée lorsque celui-
ci est soumis à des
vibrations et des accélérations.
Chaque support de fixation 4 comporte un anneau circulaire 41 s'étendant
axialement selon l'axe X
et comportant une première surface de drainage Si en contact thermique avec le
tore 31 et une
deuxième surface de drainage S2 en contact thermique avec la pluralité de
spires 32 de manière à
drainer en parallèle les calories du tore 31 et de la pluralité de spires 32
vers l'embase 2.
Chaque support de fixation 4 comporte en outre une patte de fixation 42,
solidaire de l'anneau
circulaire 41, qui est adaptée pour être montée à l'embase 2. Les dimensions
de la patte de fixation
42 sont déterminées pour assurer la tenue mécanique du composant bobiné 3 en
cas de vibrations
et d'accélérations. Dans cet exemple, le support de fixation 4 se présente
sous la forme d'une
pièce monobloc afin d'améliorer le drainage thermique mais il va de soi que le
support de fixation 4
pourrait être modulaire.
De manière préférée, le support de fixation 4 est constitué en un matériau
amagnétique, de
préférence, de l'aluminium, afin de ne pas perturber les phénomènes
d'induction entre les spires
32 et le tore 31. De manière avantageuse, l'auto-échauffement généré par
induction est
négligeable pour un matériau amagnétique. L'aluminium présente avantageusement
une
conductivité thermique élevée ainsi qu'une densité compatible à une
application aéronautique.
De manière plus générale, le support de fixation 4 possède une conductivité
thermique équivalente
supérieure à 400 W.m-1.K-1 afin de permettre de réguler de manière efficace la
température du
composant bobiné 3 tout en permettant de résister aux sollicitations
mécaniques. De préférence, la
conductivité thermique équivalente est supérieure à 600 W.m-1.K-1.
De préférence, le support de fixation est amagnétique afin de limiter
l'échauffement du support par
induction magnétique.
Selon un premier aspect, le support de fixation est constitué d'un matériau
composite chargé en
particules à haute conductivité thermique choisies parmi : des particules de
diamant, des
nanotubes de carbone, des fibres de carbone et des particules de graphite. Le
choix des particules
résulte d'un compromis entre leur conductivité thermique et leur prix, ce
dernier étant fonction de
leur conductivité thermique. Un tel matériau composite est passif et présente
ainsi une grande
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résistance aux vibrations. Par ailleurs, il est possible d'obtenir un support
de fixation de forme
choisie, un matériau composite pouvant être facilement travaillé.
De manière préférée, un dispositif de drainage thermique diphasique est monté
sur le support de
fixation et permet, du fait du changement de phase, d'atteindre des
conductivités thermiques
équivalentes de l'ordre de 5000 W.m-1.K-1 ce qui permet de réguler de manière
optimale la
température du composant bobiné 3. De manière préférée, le dispositif de
drainage thermique
diphasique est un caloduc dont le fonctionnement est maîtrisé, ce qui assure
une grande fiabilité,
et dont le coût est faible. De préférence, le caloduc est relié d'une part à
la patte de fixation 42 et
d'autre part à l'embase 2.
De manière préférée, pour atteindre des performances de conductivité thermique
élevée, le
dispositif de drainage thermique diphasique est un caloduc oscillant connu
sous sa désignation
anglaise Pulsating Heat Pipe , qui présente des performances et un coût
supérieurs, ou une
chambre de vapeur, plus connue sous la désignation vapor chamber , dont les
performances
sont supérieures à celles d'un caloduc pour des configurations dans lesquelles
les rapports des
surfaces de source froide/source chaude sont élevés, le coût d'une chambre de
vapeur étant
supérieur à celle d'un caloduc.
Dans cet exemple, l'anneau circulaire 41 comporte une première surface
transversale, formant la
première surface de drainage Si, qui est en contact avec une surface latéral
du tore 31. Ainsi, les
calories accumulées par le tore 31 au cours de son fonctionnement sont
transmises de manière
directe au support de fixation 4 via la première surface transversale de
l'anneau circulaire 41. Pour
optimiser le drainage thermique, l'anneau circulaire 41 possède une section
axiale sensiblement
égale à celle du tore 31. Il va de soi que la section de l'anneau circulaire
41 pourrait également être
inférieure à celle du tore 31. L'épaisseur de l'anneau 41 est définie pour
permettre un drainage
thermique efficace tout en limitant la masse du composant bobiné 3. Une
épaisseur d'anneau 41
de l'ordre de 2 à 3 mm permet d'assurer un bon compromis.
L'anneau circulaire 41 comporte une deuxième face transversale, opposée à la
première face
transversale, les deux faces transversales de l'anneau 41 état reliées par une
surface axiale
intérieure SI et par une surface axiale extérieure SE comme représenté sur la
figure 2. Toujours en
référence à la figure 2, le tore 31 et les anneaux circulaires 41 des supports
de fixation 4 forment
un cylindre axial sur lesquels les spires 32 sont enroulées comme représenté
sur les figures 2 et 3,
les spires 32 étant, d'une part, en contact avec les surfaces axiales du tore
31 et, d'autre part, avec
la deuxième surface transversale et les surfaces axiales SI, SE des anneaux
circulaires 41 afin de
drainer les calories des spires 32. La deuxième surface transversale et les
surfaces axiales
intérieure SI et extérieure SE forment ensemble la deuxième surface de
drainage thermique S2 de
chaque support de fixation 4.
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En référence à la figure 3, la deuxième surface transversale de l'anneau 41
est reliée à la surface
axiale intérieure SI par une arête intérieure 61 et à la surface axiale
extérieure SE par une arête
extérieure 62. De manière préférée, les arêtes 61, 62 sont arrondies de
manière à limiter le risque
de blessure des spires 32 lors de leur enroulement autour des anneaux 41. Il
va de soi
qu'uniquement une des arêtes 61, 62 pourrait être arrondie. De manière plus
générale, la
deuxième surface de drainage S2, mettant en contact le support de fixation 4
et les spires 32, est
incurvée de manière à limiter le risque de blessure des spires 32 et améliorer
le contact thermique
entre le support de fixation 4 et les spires 32.
La patte de fixation 42 du support de fixation 4 comporte de manière préférée
des moyens de
solidarisation à l'embase 2, de préférence, des orifices de fixations 5
adaptés pour recevoir des vis
de fixation à l'embase 2 comme représenté sur la figure 2. Dans cet exemple,
le tore 31 et les
anneaux 41 des supports de fixation 4 sont maintenus ensemble par
l'enroulement des spires 32.
De manière préférée, les supports de fixation 4 comportent des moyens de
maintien (non
représentés) adaptés pour maintenir ensemble le tore 31 et les deux supports
de fixation 4 afin de
permettre l'enroulement des spires 32 autour du tore 31 et des anneaux 41 des
supports de
fixation 4. De préférence, une tige longitudinale filetée est vissée entre les
deux supports de
fixation 4 pour régler la distance axiale les séparant ce qui permet de
retenir le tore 31 et
l'enroulement des spires 32. En référence à la figure 2, une patte de fixation
42 comporte un
taraudage longitudinal 6 pour permettre le vissage d'une tige filetée.
Dans cet exemple, chaque support de fixation 4 comporte une patte de fixation
42 mais il va de soi
qu'il pourrait en comporter plusieurs. A titre d'exemple, le support de
fixation 4 pourrait contenir
une patte de fixation 42 reliée à une autre source froide que l'embase 2. De
même, une patte de
fixation 42 pourrait comprendre des ailettes afin d'améliorer le transfert
thermique avec l'air
ambiant.
De manière préférée, une interface thermique, de préférence une graisse
thermique du type
Berquist Gap Filler 1500, est placée entre la première surface de drainage 51
(dans cet exemple,
la première face transversale de l'anneau 41) et le tore 31 pour améliorer le
drainage thermique du
tore 31 à l'anneau 41. En effet, le tore 31 présente de manière classique un
état de surface qui
n'est pas satisfaisant pour permettre une pression homogène avec le support de
fixation 4. L'ajout
d'une interface thermique permet d'améliorer l'état de surface du tore 31 ce
qui assure un drainage
thermique performant.
De manière similaire, une interface thermique peut être appliquée entre la
patte de fixation 42 et
l'embase 2 pour faciliter le transfert de calories vers l'embase 2.
Au cours de sa fabrication, les supports de fixation 4 sont montés aux
extrémités du noyau
magnétique 31 de forme torique, la première face transversale de chaque anneau
41 venant en
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contact avec une face transversale d'extrémité du tore 31. De manière
préférée, une graisse
thermique est appliquée à l'interface. Ensuite, un fil de cuivre est enroulé
sur l'ensemble
cylindrique formé par les anneaux 41 et le tore 31 de manière à former des
spires 32. Lors de son
montage sur un aéronef, le composant bobiné 3 est fixé à l'embase 2 par
vissage de ses pieds de
fixation 42 via les orifices 5. Ensuite, les spires 32 sont reliées à d'autres
composants
électroniques de puissance afin de mettre en oeuvre, par exemple, une
opération de filtrage pour
un convertisseur de puissance. Lors de son fonctionnement en régime permanent,
des calories
sont générées par effet Joule dans le tore 31 et les spires 32 et sont
directement drainées par
l'anneau 41 du support de fixation 4 afin d'être transférées dans le pied de
fixation 42 pour être
ensuite conduites à l'embase 2 formant la source froide ce qui permet de
réguler la température du
composant bobiné 3 au cours de son fonctionnement.
Pour assurer une bonne tenue mécanique de l'assemblage, le composant bobiné 3
peut être
imprégné de résine.
Une deuxième forme de réalisation d'un composant bobiné 3' selon l'invention
est représentée à la
figure 4. De manière similaire à la première forme de réalisation, le
composant bobiné 3' comporte
un noyau magnétique de forme torique 31' sur lequel sont enroulées des spires
32'. Dans cette
deuxième forme de réalisation du composant bobiné 3', l'axe X du tore 31'
s'étend
orthogonalement à l'embase 2 comme représenté sur la figure 4. On dit que le
composant bobiné
3' est monté en position verticale sur l'embase 2.
Contrairement à la première forme de réalisation, le composant bobiné 3'
comporte deux supports
de fixation 8, 9 qui sont différents. Le composant bobiné 3' comporte un
support de fixation
supérieure 8 comportant un anneau circulaire 81, similaire à l'anneau de la
première forme de
réalisation, ainsi que deux pattes de fixation supérieures 82 reliant l'anneau
81 à l'embase 2 qui
sont diamétralement opposées. Le composant bobiné 3' comporte en outre un
support de fixation
inférieure 9 comportant un anneau circulaire 91, similaire à l'anneau de la
première forme de
réalisation, ainsi que deux pattes de fixation inférieures 92 reliant l'anneau
91 à l'embase 2.
Les pattes de fixation supérieures 82 sont, dans cet exemple, coudées pour
permettre de relier
l'embase 2 sans perturber l'enroulement des spires 32. Les pattes de fixation
inférieures 92 sont,
dans cet exemple, uniquement en appui sur l'embase 2 et ne comportent pas de
moyens de
fixation, la fixation des pattes de fixation supérieures 82 assurant le
maintien du composant bobiné
sur l'embase 2.
Un composant bobiné 3, 3' selon l'invention peut être monté verticalement ou
horizontalement sur
une embase 2 ce qui est très avantageux en termes d'encombrement.
