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WO 2013/167827
PCT/FR2013/050983
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TRANSFORMATEUR TOURNANT TRIPHASE A FLUX LIES LIBRE
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
transformateurs. En particulier, l'invention concerne un transformateur
triphasé tournant.
Un transformateur triphasé tournant permet de transférer de
l'énergie et/ou des signaux entre deux axes tournants l'un par rapport à
l'autre, sans contact.
Les figures 1 et 2 représentent chacune un transformateur
triphasé 1 tournant selon l'art antérieur.
Le transformateur 1 comprend trois transformateurs
monophasés tournants 2 correspondant à des phases U, V et W. Chaque
transformateur monophasé tournant 2 comprend une partie 3 et une
partie 4 tournant autour d'un axe A l'une par rapport à l'autre. La partie 3
est par exemple un stator et la partie 4 un rotor, ou inversement. En
variante, la partie 3 et la partie 4 sont toutes les deux mobiles en rotation
par rapport à un repère fixe non représenté. Une bobine 5 torique est
logée dans une encoche 6 délimitée par un corps en matériau
ferromagnétique de la partie 3. Une bobine 7 torique est logée dans une
encoche 8 délimitée par un corps en matériau ferromagnétique de la
partie 4. Pour chaque transformateur monophasé tournant 2, les bobines
5 et 7 forment les bobines primaire et secondaire (ou inversement).
La figure 1 représente une variante appelée en U dans
laquelle la partie 3 entoure la partie 4 par rapport à l'axe A, et la figure 2
représente une variante appelée en E ou en Pot dans laquelle la
partie 3 et la partie 4 sont l'une à côté de l'autre selon la direction
axiale.
Le transformateur triphasé 1 de la figure 1 ou 2 présente une
masse et un volume importants puisqu'il n'est pas possible d'utiliser au
mieux les flux magnétiques de chaque phase, contrairement à un
transformateur triphasé à flux forcés statique dans lequel il est possible de
coupler les flux. De plus, dans le cas de la figure 2, il est nécessaire
d'utiliser des conducteurs électriques de sections différentes en fonction
de la distance entre l'axe de rotation et la phase, pour conserver l'équilibre
des résistances.
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Le document US 2011/0050377 décrit un transformateur
triphasé tournant à quatre colonnes. Ce transformateur présente une
masse et un volume importants. Ce document décrit également un
transformateur triphasé tournant à cinq colonnes. Ce transformateur
présente une masse et un volume importants. De plus, il utilise un
bobinage radial passant dans des encoches dans les colonnes centrales du
circuit magnétique, ce qui est plus complexe que le bobinage torique
utilisé dans les transformateurs des figures 1 et 2.
Il existe donc un besoin pour améliorer la topologie d'un
transformateur triphasé.
Objet et résumé de l'invention
L'invention propose un transformateur triphasé tournant
comprenant une première partie et une deuxième partie mobiles en
rotation autour d'un axe A l'une par rapport à l'autre, la première partie
comprenant un premier corps en matériau ferromagnétique et des
bobines, la deuxième partie comprenant un deuxième corps en matériau
ferromagnétique et des bobines,
le premier corps délimitant une première encoche annulaire d'axe A, une
deuxième encoche annulaire d'axe A, une troisième encoche annulaire
d'axe A et une quatrième encoche annulaire d'axe A,
les bobines de la première partie comprenant une première bobine torique
d'axe A dans la première encoche, une deuxième bobine torique d'axe A
dans la deuxième encoche, une troisième bobine torique d'axe A dans la
deuxième encoche, une quatrième bobine torique d'axe A dans la
troisième encoche, une cinquième bobine torique d'axe A dans la troisième
encoche et une sixième bobine torique d'axe A dans la quatrième encoche,
la première bobine et la deuxième bobine étant reliées en série et
présentant chacune un sens de bobinage correspondant, pour un courant
circulant dans la première bobine et la deuxième bobine, à deux potentiels
magnétiques de sens opposés,
la troisième bobine et la quatrième bobine étant reliées en série et
présentant chacune un sens de bobinage correspondant, pour un courant
circulant dans la troisième bobine et la quatrième bobine, à deux
potentiels magnétiques de sens opposés,
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la cinquième bobine et la sixième bobine étant reliées en série et
présentant chacune un sens de bobinage correspondant, pour un courant
circulant dans la cinquième bobine et la sixième bobine, à deux potentiels
magnétiques de sens opposés.
La première partie peut par exemple servir de primaire. Dans ce
cas, si l'on fait circuler dans les bobines primaires des courants triphasés
de sens appropriés, les potentiels magnétiques des bobines primaires
conduisent à un couplage des flux, compte tenu des sens d'enroulement
précités. Ce couplage permet un dimensionnement réduit du
transformateur en termes de volume et de masse. De plus, le primaire du
transformateur n'utilise que des simples bobines toriques d'axe A, ce qui
permet une structure particulièrement simple. Autrement dit, l'invention
fournit un transformateur triphasé tournant qui présente, grâce au
couplage des flux, une masse et un volume réduits, notamment par
rapport à l'utilisation de trois transformateurs tournants monophasés, et
qui utilise une forme de bobinage particulièrement simple.
Dans un mode de réalisation, la première bobine, la deuxième
bobine, la troisième bobine, la quatrième bobine, la cinquième bobine et la
sixième bobine présentent chacune le même nombre de tours.
Les phases de la première partie sont alors équilibrées en
résistance.
Selon un mode de réalisation, le deuxième corps délimite une
cinquième encoche annulaire d'axe A, une sixième encoche annulaire
d'axe A, une septième encoche annulaire d'axe A et une huitième encoche
annulaire d'axe A,
les bobines de la deuxième partie comprenant une septième bobine
torique d'axe A dans la cinquième encoche, une huitième bobine torique
d'axe A dans la sixième encoche, une neuvième bobine torique d'axe A
dans la sixième encoche, une dixième bobine torique d'axe A dans la
septième encoche, une onzième bobine torique d'axe A dans la septième
encoche et une douzième bobine torique d'axe A dans la huitième
encoche,
la septième bobine et la huitième bobine étant reliées en série et
présentant chacune un sens de bobinage correspondant, pour un courant
circulant dans la septième bobine et la huitième bobine, à deux potentiels
magnétiques de sens opposés,
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la neuvième bobine et la dixième bobine étant reliées en série et
présentant chacune un sens de bobinage correspondant, pour un courant
circulant dans la neuvième bobine et la dixième bobine, à deux potentiels
magnétiques de sens opposés,
la onzième bobine et la douzième bobine étant reliées en série et
présentant chacune un sens de bobinage correspondant, pour un courant
circulant dans la onzième bobine et la douzième bobine, à deux potentiels
magnétiques de sens opposés.
Dans ce mode de réalisation, le secondaire est réalisé selon le
même principe que le primaire. Le secondaire contribue donc également à
limiter la masse et le volume du transformateur, et permet la réalisation
du transformateur en utilisant uniquement des bobines toriques d'axe A.
La septième bobine, la huitième bobine, la neuvième bobine, la
dixième bobine, la onzième bobine et la douzième bobine peuvent
présenter chacune le même nombre de tours.
Les phases de la deuxième partie sont alors équilibrées en
résistance.
Selon un mode de réalisation, le premier corps comprend une
couronne, une première jambe, une deuxième jambe, une troisième
jambe, une quatrième jambe et une cinquième jambe délimitant lesdites
encoches du premier corps.
La deuxième partie peut entourer la première partie par rapport
à l'axe A ou inversement. Cela correspond à une réalisation d'un
transformateur appelée en U .
La première partie et la deuxième partie peuvent être situées
l'une à côté de l'autre dans la direction de l'axe A. Cela correspond à une
réalisation d'un transformateur appelée en E ou en Pot .
Selon un mode de réalisation, le premier corps et le deuxième
corps en matériau ferromagnétique entourent complètement les bobines
primaires et les bobines secondaires.
Dans ce cas, le transformateur est cuirassé magnétiquement.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
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annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout
caractère limitatif. Sur les figures :
- les figures 1 et 2 sont chacune une vue en coupe d'un
transformateur triphasé tournant selon l'art antérieur,
5 - la figure 3 est une vue en coupe d'un transformateur tournant
triphasé cuirassé magnétiquement, à flux liés libre, selon un mode de
réalisation de l'invention,
- la figure 4 est une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique du transformateur de la figure 3,
- la figure 5 est un schéma électrique représentant la connexion
des bobines du transformateur de la figure 3, et
- la figure 6 est une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique d'un transformateur selon un deuxième mode de réalisation
de l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation
La figure 3 est une vue en coupe d'un transformateur 10 selon
un mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 10 est un
transformateur tournant triphasé cuirassé magnétiquement, à flux liés
libre.
Le transformateur 10 comprend une partie 11 et une partie 12
aptes à tourner autour d'un axe A l'une par rapport à l'autre. La partie 11
est par exemple un stator et la partie 12 un rotor, ou inversement. En
variante, la partie 11 et la partie 12 sont toutes les deux mobiles en
rotation par rapport à un repère fixe non représenté.
La partie 11 comprend une couronne 13 d'axe A et cinq jambes
14, 15, 16, 17 et 18 en matériau ferromagnétique. Chacune des jambes
14, 15, 16, 17 et 18 s'étend radialement à distance de l'axe A, à partir de
la couronne 13. La jambe 14 se trouve à une extrémité de la couronne 13,
la jambe 18 se trouve à une autre extrémité de la couronne 13, et les
jambes 15, 16 et 17 occupent des positions intermédiaires entre les
jambes 14 et 18.
La couronne 13 et les jambes 14 et 15 délimitent une encoche
19 annulaire d'axe A ouverte radialement vers l'extérieur (c'est-à-dire à
l'opposé de l'axe A). La couronne 13 et les jambes 15 et 16 délimitent une
encoche 20 annulaire d'axe A ouverte radialement vers l'extérieur. La
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couronne 13 et les jambes 16 et 17 délimitent une encoche 21 annulaire
d'axe A ouverte radialement vers l'extérieur. La couronne 13 et les jambes
17 et 18 délimitent une encoche 22 annulaire d'axe A ouverte radialement
vers l'extérieur. De manière générale, la couronne 13 et les jambes 14 à
18 forment un corps en matériau ferromagnétique délimitant quatre
encoches 19 à 22 annulaires ouvertes radialement vers l'extérieur.
La partie 12 comprend une couronne 23 d'axe A et cinq jambes
24, 25, 26, 27 et 28 en matériau ferromagnétique. Chacune des jambes
24, 25, 26, 27 et 28 s'étend radialement vers l'axe A, à partir de la
couronne 23. La jambe 24 se trouve à une extrémité de la couronne 23, la
jambe 28 se trouve à une autre extrémité de la couronne 23, et les
jambes 25, 26 et 27 occupent des positions intermédiaires entre les
jambes 24 et 28.
La couronne 23 et les jambes 24 et 25 délimitent une encoche
29 annulaire d'axe A ouverte radialement vers l'intérieur (c'est-à-dire vers
l'axe A). La couronne 23 et les jambes 25 et 26 délimitent une encoche 30
annulaire d'axe A ouverte radialement vers l'intérieur. La couronne 23 et
les jambes 26 et 27 délimitent une encoche 31 annulaire d'axe A ouverte
radialement vers l'intérieur. La couronne 23 et les jambes 27 et 28
délimitent une encoche 32 annulaire d'axe A ouverte radialement vers
l'intérieur. De manière générale, la couronne 23 et les jambes 24 à 28
forment un corps en matériau ferromagnétique délimitant quatre encoches
29 à 32 annulaires ouvertes radialement vers l'intérieur.
Chacune des jambes 14 à 18 de la partie 11 fait face à une des
jambes 24 à 28 de la deuxième partie 12 en délimitant un entrefer 33. Le
transformateur 10 présente donc cinq pairs de jambes (jambes 14 et 24,
jambes 15 et 25, jambes 16 et 26, jambes 17 et 27 et jambes 18 et 28),
chaque pair de jambe formant une colonne du transformateur 10.
Autrement dit, le transformateur 10 est un transformateur à cinq
colonnes. Les couronnes 13 et 23 ainsi que les jambes 14 à 18 et 24 à 28
forment un circuit magnétique du transformateur 10. La figure 4 est une
vue en perspective éclatée du circuit magnétique du transformateur 10.
La partie 11 du transformateur 10 comprend des bobines 34 à
39 et la partie 12 comprend des bobines 40 à 45.
La bobine 34 est une bobine torique d'axe A qui se trouve dans
l'encoche 19. La bobine 35 est une bobine torique d'axe A qui se trouve
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dans l'encoche 20 et est reliée en série avec la bobine 34. La bobine 36
est une bobine torique d'axe A et se trouve dans l'encoche 20. La bobine
37 est une bobine torique d'axe A qui se trouve dans l'encoche 21 et est
reliée en série avec la bobine 36. La bobine 38 est une bobine torique
d'axe A qui se trouve dans l'encoche 21. Enfin, la bobine 39 est une
bobine torique d'axe A qui se trouve dans l'encoche 22 et est reliée en
série avec la bobine 38. Chacune des bobines 34 à 39 présente n1 tours.
Par bobine torique d'axe A, on entend une bobine dont les tours
sont enroulés autour de l'axe A. Le terme torique n'est pas utilisé dans
le sens limitatif faisant référence à un solide engendré par la rotation d'un
cercle autour d'un axe. Au contraire, comme dans les exemples
représentés, la section d'une bobine torique peut être rectangulaire,
notamment.
De manière correspondante, la bobine 40 est une bobine torique
d'axe A qui se trouve dans l'encoche 29. La bobine 41 est une bobine
torique d'axe A qui se trouve dans l'encoche 30 et est reliée en série avec
la bobine 40. La bobine 42 est une bobine torique d'axe A et se trouve
dans l'encoche 30. La bobine 43 est une bobine torique d'axe A qui se
trouve dans l'encoche 31 et est reliée en série avec la bobine 42. La
bobine 44 est une bobine torique d'axe A qui se trouve dans l'encoche 31.
Enfin, la bobine 45 est une bobine torique d'axe A qui se trouve dans
l'encoche 32 et est reliée en série avec la bobine 44. Chacune des bobines
40 à 45 présente n2 tours.
Les bobines 34 et 40 entourent un noyau magnétique 46 situé
dans la couronne 13. Par noyau magnétique , on entend une partie du
circuit magnétique dans laquelle le flux de même sens créé par une
bobine est le plus important. Un courant circulant dans la bobine 19 ou la
bobine 40 correspondent donc à un potentiel magnétique dans le noyau
magnétique 46. De manière correspondante, les bobines 35, 36, 41 et 42
entourent un noyau magnétique 47 situé dans la couronne 13, les bobines
37, 38, 43 et 44 entourent un noyau magnétique 48 situé dans la
couronne 13, et les bobines 39 et 45 entourent un noyau magnétique 49
situé dans la couronne 13.
Dans la suite de la description, on considère que la partie 11 et
les bobines 34 à 39 correspondent au primaire du transformateur 10, et
que la partie 12 et les bobines 40 à 45 correspondent au secondaire du
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transformateur 10. Cependant, primaire et secondaire peuvent bien
entendu être inversés.
La figure 5 est un schéma électrique qui représente la
connexion des bobines 34 à 39 du transformateur 10 et les potentiels
magnétiques correspondants.
Sur la figure 5, on note :
- Ap, Bp et Cp, les points d'entrée des bobines primaires du
transformateur 10.
- 'api Ibp et 4, les courants entrant respectivement aux points Ap,
Bp
et C. Le courant Iap circule dans les bobines 34 et 35 qui forment
une phase primaire A. De manière correspondante, le courant Ibp
circule dans les bobines 36 et 37 qui forment une phase primaire B
et le courant Icp circule dans les bobines 38 et 39 qui forment une
phase primaire C. Toute autre correspondance entre les phases A,
B et C et les pairs de bobines en série et possible, si la même
correspondance est réalisée au secondaire.
- Oap, Obp et Ocp, les points de connexion permettant l'ensemble des
couplages électrique identiques à tout transformateur triphasé fixe
(étoile-étoile, étoile-triangle, triangle-triangle, triangle-étoile,
zigzag...).
- Les points noirs indiquent la relation entre le courant circulant
dans
une bobine et le sens du potentiel magnétique correspondant : Si le
point est sur la droite du bobinage, le sens de bobinage fait que le
potentiel magnétique créé est de même sens que le courant
entrant. Si le point est sur la gauche du bobinage, le sens de
bobinage fait que le potentiel magnétique créé est de sens inverse
par rapport au courant entrant.
- Pa et -Pa les potentiels magnétiques dans les noyaux 46 et 47
correspondant au courant Iap, Pb et -Pb les potentiels magnétiques
dans les noyaux 47 et 48 correspondant au courant Ibp, et Pc et -Pc
les potentiels magnétiques dans les noyaux 46 et 47 correspondant
au courant Icp.
On constate sur la figure 5 que, grâce au choix des sens de
bobinage et des connexions en série représenté sur la figure 5, des
courants triphasés équilibrés Iap, Ibp et I, correspondent, dans le noyau
46, à un potentiel magnétique Pa, dans le noyau magnétique 47, à des
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potentiels magnétiques -Pa et Pb égaux en modules et de sens opposés,
et dans les noyaux magnétiques 48 et 49, à des potentiels magnétiques -
Pb, -Pc et Pc symétriques respectivement à Pb, -Pa et Pa. Dans cette
situation, les flux sont liés correctement.
En variante, d'autres modes de connexion des bobines et de
sens de bobinages permettent d'obtenir la même organisation des
potentiels magnétiques.
Ainsi, dans le transformateur 10, le couplage magnétique
effectué par le circuit magnétique avec les topologies de bobinages
représentées permet d'avoir le même coefficient de couplage 5/4 sur les
flux créés que sur un transformateur triphasé à flux liés à cinq colonnes
fixe par rapport à un transformateur monophasé. Pour avoir le meilleur
coefficient de couplage, il faut que les réluctances de chaque colonne dues
principalement à l'entrefer 33 soient égales et fortement prépondérantes
devant la réluctance des couronnes 13 et 23. En fait pour avoir un
transformateur triphasé tendant vers l'équilibre parfait, il faut que la
réluctance des couronne 13 et 23 soient le plus faible possible par rapport
aux réluctances de chaque colonne. Ceci étant difficilement réalisable
physiquement, une solution consiste à modifier les réluctances des
colonnes et des parties des couronnes entre deux colonnes de façon à
obtenir un équilibrage parfait.
Si n2 est le nombre de tours des bobines du secondaire, comme
tout transformateur triphasé le rapport des tensions est donné en
première approximation par n2/n1 et celui des courants par n1/n2. Le
transformateur 10 tournant présente les mêmes propriétés que tout
transformateur triphasé à flux liés fixe et entre autre de pouvoir posséder
plusieurs secondaires.
Le transformateur 10 présente plusieurs avantages.
Notamment, on peut constater que le circuit magnétique
entoure complètement les bobines 34 à 39 et 40 à 45. Le transformateur
10 est donc cuirassé magnétiquement. De plus, les bobines 34 à 39 et 40
à 45 sont toutes des bobines toriques d'axe A. Le transformateur 10 ne
nécessite donc pas de bobines de forme plus complexe.
Par ailleurs, comme chaque phase présente le même nombre de
tours de même longueur (à savoir 2*ni dans le cas du primaire et 2*n2
dans le cas du secondaire), les phases du transformateur 10 sont
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équilibrées en résistance, sans nécessiter des conducteurs de sections
différentes.
Enfin, le transformateur 10 présente une masse et un volume
réduit. En effet, grâce au couplage des flux, le transformateur 10 peut
5 être dimensionné, à iso-pertes joules, avec une masse et un volume
réduits par rapport aux transformateurs des figures 1 et 2.
En jouant sur les reluctances des différentes colonnes, il est
possible de s'approcher d'un équilibrage en reluctances des phases du
transformateur 10. Pour améliorer l'équilibrage des phases, on peut
10 envisager de libérer un degré de liberté à savoir le nombre d'ampères-
tours des phases. Ainsi, dans une variante non représentée, les bobines
ne présentent toutes pas exactement le même nombre de tours n1 ou nz.
La position des bobines représentée sur la figure 3 est un
exemple et d'autres positions peuvent convenir. Par exemple, dans une
encoche, deux bobines peuvent être l'une à côté de l'autre dans la
direction axiale, l'une autour de l'autre par rapport à l'axe A, ou mêlées
l'une à l'autre.
Le transformateur 10 peut être considéré comme une variante
en U . Dans un mode de réalisation non représenté, le transformateur
conforme à l'invention est une variante en E ou en Pot du
transformateur 10 en U . Dans cette variante, de manière similaire à la
figure 2, la partie 11 et la partie 12 sont situées l'une à côté de l'autre
dans la direction de l'axe A. La figure 6 est une vue en perspective
éclatée du circuit magnétique de ce transformateur en E . Sur la figure
6, les mêmes références que sur la figure 4 sont utilisés pour désigner des
éléments correspondants.
