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TRANSFORMATEUR TOURNANT TRIPHASE CUIRASSE MAGNETIQUEMENT
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 comprenant une
partie primaire et une partie secondaire,
la partie primaire comprenant un premier corps en matériau
ferromagnétique et des bobines primaires, la partie secondaire
comprenant un deuxième corps en matériau ferromagnétique et des
bobines secondaires,
le premier corps délimitant une première encoche annulaire d'axe A et une
deuxième encoche annulaire d'axe A, la première encoche étant délimitée
par une première jambe latérale, une jambe centrale et une couronne, la
deuxième encoche étant délimitée par la jambe centrale, une deuxième
jambe latérale et la couronne,
les bobines primaires comprenant une première bobine torique d'axe A
dans la première encoche correspondant à une phase U, une deuxième
bobine torique d'axe A dans la première encoche, une troisième bobine
torique d'axe A dans la deuxième encoche et une quatrième bobine
torique d'axe A dans la deuxième encoche correspondant à une phase W,
la deuxième bobine et la troisième bobine correspondant à une phase V
étant reliées en série,
dans lequel les sens d'enroulement et de connexion de la deuxième
bobine et de la troisième bobine correspondent, pour un courant circulant
dans la deuxième bobine et la troisième bobine, pour la deuxième bobine,
à un premier potentiel magnétique et, pour la troisième bobine, à un
deuxième potentiel magnétique opposé au premier potentiel magnétique.
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Dans ce transformateur, si l'on fait circuler dans les bobines
primaires des courants triphasés de sens appropriés, compte tenu du sens
d'enroulement des bobines primaires, les potentiels magnétiques de la
première et de la deuxième bobines primaires s'opposent et les potentiels
magnétiques de la troisième et de la quatrième bobines primaires
s'opposent. Cela conduit à un couplage des flux qui permet un
dimensionnement réduit du transformateur en termes de volume et de
masse. Entre autre cela conduit à reproduire dans les jambes, les flux
couplés d'un transformateur fixe triphasé trois colonnes à flux liés forcés.
De plus, le primaire du transformateur n'utilise que des simples bobines
toriques d'axe A, ce qui permet une structure particulièrement simple.
Selon un mode de réalisation, la partie primaire et la partie
secondaire sont mobiles en rotation autour de l'axe A, l'une par rapport à
l'autre.
Dans ce cas, 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
transformateur tournant monophasés.
Selon un mode de réalisation, le deuxième corps délimite une
première encoche secondaire annulaire d'axe A et une deuxième encoche
secondaire annulaire d'axe A, la première encoche secondaire étant
délimitée par une première jambe latérale secondaire, une jambe centrale
secondaire et une couronne secondaire, la deuxième encoche secondaire
étant délimitée par la jambe centrale secondaire, une deuxième jambe
latérale secondaire et la couronne secondaire,
les bobines secondaires comprenant une première bobine secondaire
torique d'axe A dans la première encoche secondaire correspondant à une
phase U, une deuxième bobine secondaire torique d'axe A dans la
première encoche secondaire, une troisième bobine secondaire torique
d'axe A dans la deuxième encoche secondaire et une quatrième bobine
secondaire torique d'axe A dans la deuxième encoche secondaire
correspondant à une phase W, la deuxième bobine secondaire et la
troisième bobine secondaire correspondant à une phase V étant reliées en
série.
Dans ce mode de réalisation, le secondaire est réalisé selon le
même principe que le primaire. Le secondaire contribue donc également à
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limiter la masse et le volume du transformateur, et permet la réalisation
du transformateur en utilisant uniquement des bobines toriques d'axe A.
Selon un autre mode de réalisation, le deuxième corps délimite
une première encoche secondaire annulaire d'axe A et une deuxième
encoche secondaire annulaire d'axe A, la première encoche secondaire
étant délimitée par une première jambe latérale secondaire, une jambe
centrale secondaire et une couronne secondaire, la deuxième encoche
secondaire étant délimitée par la jambe centrale secondaire, une
deuxième jambe latérale secondaire et la couronne secondaire,
les bobines secondaires comprenant une ou plusieurs bobines secondaires
reliées en série, lesdites bobines secondaires étant enroulées autour d'une
desdites jambes secondaires en passant dans des encoches dans ladite
jambe secondaire.
Dans ce mode de réalisation, le secondaire est réalisé selon un
principe différent que le primaire, qui présente toutefois des avantages
similaires. Le secondaire contribue donc également à limiter la masse et le
volume du transformateur, et permet la réalisation du transformateur en
utilisant en grande partie des bobines toriques d'axe A.
Selon un mode de réalisation, la première jambe latérale et la
première jambe latérale secondaire sont dans le prolongement l'une de
l'autre et séparées par un entrefer, la première jambe centrale et la
première jambe centrale secondaire sont dans le prolongement l'une de
l'autre et séparées par un entrefer, et la deuxième jambe latérale et la
deuxième jambe latérale secondaire sont dans le prolongement l'une de
l'autre et séparées par un entrefer.
La partie primaire peut entourer la partie secondaire par rapport
à l'axe A ou inversement. Cela correspond à une réalisation d'un
transformateur appelée en U .
La partie primaire et la partie secondaire 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 =
Dans un mode de réalisation, la partie primaire et la partie
secondaire sont fixes l'une par rapport à l'autre. Un transformateur fixe
conforme à l'invention présente des mêmes avantages qu'un
transformateur tournant conforme à l'invention.
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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.
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Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
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,
- la figure 3 est une vue en coupe d'un transformateur tournant
triphasé cuirassé magnétiquement, à flux liés forcés, selon un premier
mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4 est une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique du transformateur de la figure 3,
- les figures 5A à 5E sont des schémas électriques représentant
plusieurs variantes de connexion des bobines du transformateur de la
figure 3,
- les figures 6A à 6C représentent chacune un détail de la figure
3, selon différentes variantes de positionnement des bobines,
- la figure 7 est une vue en coupe d'un transformateur tournant
triphasé cuirassé magnétiquement, à flux liés forcés, selon un deuxième
mode de réalisation de l'invention,
- la figure 8 est une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique du transformateur de la figure 7,
- la figure 9 est une vue en coupe d'un transformateur fixe
triphasé cuirassé magnétiquement, à flux liés forcés, selon un troisième
mode de réalisation de l'invention,
- la figure 10 est une vue en coupe d'un transformateur fixe
triphasé, à flux liés forcés, selon un quatrième mode de réalisation de
l'invention,
- la figure 11 est une vue en coupe d'un transformateur
tournant triphasé, à flux liés forcés, selon un premier mode de réalisation
utile à la compréhension de l'invention,
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- la figure 12 est une autre vue en coupe du transformateur de
la figure 11,
- la figure 13 une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique du transformateur de la figure 11,
- la figure 14 est un schéma électrique illustrant le
fonctionnement du transformateur de la figure 13,
- la figure 15 est une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique d'un transformateur selon un deuxième mode de réalisation
utilise à la compréhension de l'invention, pouvant être considéré comme
une variante du transformateur de la figure 11, et
- la figure 16 est une vue en coupe d'un transformateur
tournant, à flux liés forcés, selon un cinquième mode de réalisation de
l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 3 est une vue en coupe d'un transformateur 10 selon
un premier mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 10 est un
transformateur tournant triphasé cuirassé magnétiquement, à flux liés
forcés.
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 12 comprend une couronne 13 d'axe A et trois jambes
14, 15 et 16 en matériau ferromagnétique. Chacune des jambes 14, 15 et
16 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 couronne13, la jambe 16 se
trouve à une autre extrémité de la couronne 13, et la jambe 15 se trouve
entre les jambes 14 et 16. La couronne 13 et les jambes 14 et 15
délimitent une encoche 34 annulaire ouverte radialement vers l'extérieur.
La couronne 13 et les jambes 15 et 16 délimitent une encoche 35
annulaire ouverte radialement vers l'extérieur. De manière générale, la
couronne 13 et les jambes 14, 15 et 16 forment un corps en matériau
ferromagnétique délimitant deux encoches 34 et 35 annulaires ouvertes
radialement vers l'extérieur.
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La partie 11 comprend une couronne 17 d'axe A et trois jambes
18, 19 et 20 en matériau ferromagnétique. La couronne 17 entoure la
couronne 13. Chacune des jambes 18, 19 et 20 s'étendent radialement
vers l'axe A, à partir de la couronne 17. La jambe 18 se trouve à une
extrémité de la couronne 17, la jambe 20 se trouve à une autre extrémité
de la couronne 17, et la jambe 19 se trouve entre les jambes 18 et 20. La
couronne 17 et les jambes 18 et 19 délimitent une encoche 22 annulaire
ouverte radialement vers l'intérieur. La couronne 17 et les jambes 19 et 20
délimitent une encoche 23 annulaire ouverte radialement vers l'intérieur.
De manière générale, la couronne 17 et les jambes 18, 19 et 20 forment
un corps en matériau ferromagnétique délimitant deux encoches 22 et 23
annulaires ouvertes radialement vers l'intérieur.
Les jambes 14 et 18, respectivement 15 et 19 ainsi que 16 et 20
se font face en délimitant un entrefer 21, et forment ainsi des colonnes du
transformateur 10.
Les couronnes 13 et 17 ainsi que les jambes 14 à 16 et 18 à 20
forment un circuit magnétique du transformateur 10. Le transformateur 10
est donc un transformateur à trois colonnes. Plus précisément, le circuit
magnétique du transformateur 10 comprend une première une première
colonne (correspondant aux jambes 14 et 18), une deuxième colonne
(correspondant aux jambes 15 et 19) et une troisième colonne
(correspondant aux jambes 16 et 20). La figure 4 est une vue en
perspective éclatée qui représente le circuit magnétique du transformateur
10.
En se référant à nouveau à la figure 3, le transformateur 10
comprend des bobines 24, 25, 26 et 27 fixées à la partie 11 et des
bobines 28, 29, 30 et 31 fixées à la partie 12. Ci-après, on utilise les
notations p et s en référence à une utilisation dans laquelle les bobines 24
à 27 sont les bobines primaires du transformateur 10 et les bobines 28 à
31 sont les bobines secondaires du transformateur 10. Cependant,
primaire et secondaire peuvent bien entendu être inversés par rapport à
l'exemple décrit.
La bobine 24 est une bobine torique d'axe A correspondant à
une phase Up du transformateur 10. Elle se trouve dans l'encoche 22. La
bobine 25 est une bobine torique d'axe A et se trouve dans l'encoche 22.
La bobine 26 est une bobine torique d'axe A, se trouve dans l'encoche 23,
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et est reliée en série à la bobine 25. Les bobines 25 et 26 correspondent à
une phase Vp du transformateur 10. Enfin, la bobine 27 est une bobine
torique d'axe A correspondant à une phase Wp du transformateur 10. Elle
se trouve dans l'encoche 23. Chacune des bobines 24 à 27 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
représenté, la section d'une bobine torique peut être rectangulaire,
notamment.
De manière correspondante, la bobine 28 est une bobine torique
d'axe A correspondant à une phase Us du transformateur 10. Elle se
trouve dans l'encoche 34. La bobine 29 est une bobine torique d'axe A et
se trouve dans l'encoche 34. La bobine 30 est une bobine torique d'axe A,
se trouve dans l'encoche 35, et est reliée en série à la bobine 29. Les
bobines 29 et 30 correspondent à une phase Vs du transformateur 10.
Enfin, la bobine 31 est une bobine torique d'axe A correspondant à une
phase Ws du transformateur 10. Elle se trouve dans l'encoche 35.
Les bobines 24, 25, 28 et 29 entourent un noyau magnétique 32
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. Les courants circulants dans les bobines
24 et 25 correspondent donc à des potentiels magnétiques dans le noyau
magnétique 32. De manière correspondante, les bobines 26, 27, 30 et 31
entourent un noyau magnétique 33 situé dans la couronne 13. Les
courants circulants dans les bobines 26 et 27 correspondent donc à des
potentiels magnétiques dans le noyau magnétique 33.
En référence à la figure 5A, on explique maintenant le
fonctionnement du transformateur 10. Sur la figure 5A, on note :
- Ap, Bp et Cp, les points d'entrée des bobines primaires du
transformateur 10. Les phases U, V, W de la figure 3 correspondent
respectivement aux phases A, B et C de la figure 4A, mais toutes
autre type de correspondance est possible pour autant que la
même correspondance soit réalisée au secondaire.
- Iap, Ibp et Icp, les courants entrant respectivement aux points Ap, Bp
et C.
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- 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 gauche du bobinage, le sens de bobinage fait que le
potentiel magnétique créé est de même sens que le courant entrant
(bobinage dans le sens horaire). Si le point est sur la droite du
bobinage, le sens de bobinage fait que le potentiel magnétique créé
est de sens inverse par rapport au courant entrant (bobinage dans
le sens antihoraire).
- Pa, -Pb, Pb et Pc les potentiels magnétiques dans les noyaux 32 et
33 correspondant respectivement aux courants Iap, Ibp et
- As, Bs, Cs, Oas, Obs et Ocs, les points de sortie et de connexion au
secondaire.
Grâce aux sens de bobinage et à la connexion en série des
bobines 25 et 26 représentée sur la figure 5A, le courant Ibp correspond,
dans le noyau 32, à un potentiel magnétique ¨Pb de sens opposé au
potentiel magnétique Pa et, dans le noyau 33, à un potentiel magnétique
Pb de sens opposé au potentiel magnétique Pc.
Les figures 5B à 5E sont des schémas similaires à la figure 4A
sur lesquels seul le primaire est représenté, et représentent des variantes
de connexion en série et de sens de bobinage, permettant d'obtenir le
même effet.
Ainsi, le transformateur 10 permet de générer des potentiels
magnétiques Pa, Pb et Pc égaux en module, de sens opposés sur chaque
noyau magnétique 32 et 33 et symétriques par rapport à l'axe de symétrie
B séparant les deux noyaux magnétiques. Comme deux sources de
potentiel magnétiques déphasées de 2n/3 permettent de reconstituer trois
sources de tension triphasées déphasées entre elles de 2n/3, le
transformateur 10 peut donc fonctionner en transformateur triphasé à flux
forcés (à flux liées).
Si n2 est le nombre de tours des phases du secondaire, comme
tout transformateur triphasé le rapport des tensions est donné en
première approximation par n2/ni et celui des courants par n1/n2. Le
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transformateur 10 tournant présente les mêmes propriétés que tout
transformateur triphasé à flux liés (forcés) fixe et entre autre de pouvoir
posséder plusieurs secondaires. Le couplage magnétique effectué par le
circuit magnétique avec les topologies de bobinage des figures 5A à 5E
5 permet
d'avoir le même coefficient de couplage 3/2 sur les flux créés que
sur un transformateur triphasé à flux forcés fixe par rapport à un
transformateur monophasé. Pour avoir le meilleur coefficient de couplage,
il faut que les réluctances de chaque colonne magnétique dues
principalement à l'entrefer soient égales. En fait, il faut comme dans un
10 transformateur triphasé à flux forcés fixe créer des réluctances
équivalentes au niveau de chaque colonne qui soient plus élevées que
celles du matériau magnétique. Dans le cas d'un transformateur tournant
ceci est réalisé naturellement par l'entrefer.
Le transformateur 10 présente plusieurs avantages.
Notamment, on peut constater que le circuit magnétique
entoure complètement les bobines 24 à 31. Le transformateur 10 est donc
cuirassé magnétiquement. De plus, les bobines 24 à 31 sont toutes des
bobines toriques d'axe A. Le transformateur 10 ne nécessite donc pas de
bobines de forme plus complexe.
Par ailleurs, les phases du transformateur 10 peuvent être
équilibrées en inductance et en résistance.
En effet, l'inductance de la phase V qui a au global 2*ni tours
est pourtant égale aux inductances des phases U et W de n1 tours car la
géométrie du circuit magnétique permet d'annuler la moitié du flux dans
chaque demi-bobine. Plus précisément, la bobine 25 a le même nombre
de tours que la bobine 24 et voit le même circuit magnétique, de même
pour la bobine 26 et avec la bobine 27. Or les bobines 24 et 27 sont
symétriques avec le même nombre de tours et leurs inductances sont
donc égales. La bobine 25 est bobinée en sens inverse de la bobine 26 et
voit donc une annulation de son flux de moitié grâce à la dérivation de la
colonne centrale (formée par les jambes 15 et 19) et de même pour la
bobine 26. L'inductance globale des bobines 25 et 26 est donc égale à
celle des bobines 24 et 27.
L'équilibrage des résistances peut s'effectuer en modifiant les
sections des conducteurs des bobinages. Les sections des phases U et W
ayant n1 tours sont égales alors que la section de la phase V possédant
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2*ni tours est le double des précédentes. En effet, pour conserver
l'équilibre des résistances au niveau des phases, celle qui est deux fois
plus longue doit aussi avoir une section double afin de compenser son
augmentation en longueur.
Enfin, le transformateur 10 présente une masse et un volume
réduit.
En effet, si on compare le transformateur 10 au transformateur
1 des figures 1 ou 2, en considérant un dimensionnement à iso-
performances, on peut faire les hypothèses suivantes :
- Matériau conducteur : Soit Q la quantité de matériau conducteur
d'une bobine d'un des trois transformateurs monophasés du
transformateur 1. La quantité de matériau conducteur au niveau
des bobinages du transformateur 1 est donc de 3Q.
- Matériau magnétique : Si on conserve la même réluctance Re pour
chaque colonne, chaque transformateur monophasé du
transformateur 1 a une réluctance globale du circuit magnétique
proche de 2 Re. Dans le cas du transformateur 10, on a une
réluctance globale du circuit magnétique proche de 3/2 Re.
Dans le cas du transformateur 10 on a donc, pour un même
courant magnétisant et un même nombre de tour n1 que pour le
transformateur 1, un champ d'induction et un flux double. En effet dans le
cas du transformateur 1, on a un coefficient multiplicateur de [coefficient
de couplage=1 / rapport de réluctance=2] soit 0.5 et dans le cas du
transformateur 10 à flux liés on a [coefficient de couplage=3/2 / rapport
de réluctance 3/2] soit 1. On trouve donc bien un rapport 2 (1/0.5). Cette
propriété nous permet d'évaluer approximativement les possibilités
d'optimisation du transformateur 10 par rapport au transformateur 1, à
iso-performances.
On choisit de diminuer le nombre de tours par 1/2 ce qui induit
une augmentation du champ d'induction de 1/2 mais permet d'avoir la
même tension pour le même courant magnétisant.
Pour un dimensionnement à iso-pertes joules et résistance de
phase, on a :
- Pour
la bobine 24, on a besoin de -V2 fois moins de tours donc la
quantité de matériau conducteur est de Q/1/2. Si on est à iso-pertes
joules la résistance (pl/S) est divisé aussi par V2 (longueur divisé
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par V2) donc pour conserver les pertes joules on peut diviser la
section par V2 pour un même courant de charge, magnétisant et
tension (en fait on n'aura peut-être pas un gain aussi important
puisqu'il faut éviter les échauffements locaux, tout dépend de la
conduction thermique). La quantité de matériau conducteur pour la
bobine 24 est donc 0/2. Le même raisonnement s'applique à la
bobine 27.
- Pour les bobines 25 et 26, on a besoin de V2 fois moins de tours
donc la quantité de matériau conducteur est de 2*Q/V2 = V2*Q. A
iso-pertes joules, comme on a une longueur multipliée par V2 par
rapport à un transformateur monophasé en U, on multiplie la
section par V2. On obtient donc que les bobines 25 et 26
nécessitent une quantité de matériau conducteur de 2Q.
La quantité globale de matériau conducteur à iso résistance de
phase pour le transformateur 10 est donc : 0/2+ 2Q+ 0/2= 3*Q. Pour le
transformateur 1, on avait 3*Q, soit la même quantité de matériaux
conducteur. A titre de comparaison, pour un transformateur triphasé fixe
la quantité de matériau conducteur est de 3012.
Concernant les pertes fer, malgré l'augmentation du champ
d'induction B, on fait l'hypothèse que son augmentation par -V2 permet de
rester en régime non saturé (la réluctance élevée de l'entrefer favorise un
dimensionnement du transformateur 10 avec un champ d'induction faible
dans le matériau magnétique, en effet on augmente la surface d'entrefer
afin de diminuer la réluctance de celui-ci et par là-même la surface de
matériaux magnétique).
Les pertes par hystérésis sont en KHB2f*V et les pertes par
courant de Foucault en KFB2f2*V avec :
V: Le volume
f: la fréquence d'utilisation
B: Le champ d'induction maximale
KH : Une constante liée aux matériaux magnétique et à la structure du
circuit magnétique
KF : Une constante liée aux matériaux magnétique et à la structure du
circuit magnétique
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On a donc deux fois plus de perte par unité de volume dans le
cas de la transposition du transformateur 1 tournant standard vers le
transformateur 10 triphasé à flux forcé ((V2 B)2 = 262).
Si on fait une évaluation du gain en volume du circuit
magnétique, on peut estimer que l'on diminue celui-ci d'à peu près 42%
ce qui fait une augmentation globale d'à peu près 16% pour les pertes fer
(0,58*2=1,16). Ceci est fonction bien sûr du premier dimensionnement
effectué. Dans le cas d'un transformateur tournant, les pertes fer sont
bien inférieures aux pertes joules et on peut donc considérer
l'augmentation des pertes globales (inférieure à 8%) comme négligeable.
La position des bobines 24 à 31 représentée sur la figure 3 est
un exemple et d'autres positions peuvent convenir. Les figures 6A à 6C,
qui correspondent au détail V de la figure 3, représentent chacune une
autre possibilité de positionnement des bobines 24 à 31. Sur la figure 6A,
dans une encoche 22 ou 23, les bobines sont l'une à côté de l'autre dans
la direction axiale, et enroulée dans des sens opposés. Sur la figure 6B,
dans une encoche 22 ou 23, les bobines sont l'une autour de l'autre par
rapport à l'axe A, et enroulée dans des sens opposés. Sur la figure 6C,
dans une encoche 22 ou 23, les bobines sont l'une à côté de l'autre dans
la direction axiale, et enroulée dans le même sens. Dans une variante non
représentée, les bobines d'une encoche 22 ou 23 sont mêlées.
La figure 7 représente un transformateur 110 selon un
deuxième mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 110 peut
être considéré comme une variante en E ou en Pot du
transformateur 10 en U de la figure 3. On utilise donc les mêmes
références sur la figure 6 que sur la figure 3, sans risque de confusion, et
une description détaillée du transformateur 110 est omise. On signale
simplement que, comme on peut le voir sur la figure 8 qui est une vue en
perspective éclatée du circuit magnétique du transformateur 110, les
références 13 et 17 correspondent à deux couronnes espacées
axialement, les jambes 14 à 16 et 18 à 20 s'étendent axialement entre les
deux couronnes 13 et 17, et que les noyaux magnétiques sont ici situés
dans les colonnes.
La figure 9 représente un transformateur 210 selon un
troisième mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 210 peut
être considéré comme un transformateur fixe correspondant au
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transformateur 10 tournant de la figure 3. Sur la figure 9, on utilise donc
les mêmes références que sur la figure 3, augmentées de 200, pour
désigner des éléments identiques ou similaires à ceux de la figure 3.
Le transformateur 210 comprend une couronne 213 d'axe A,
trois jambes 214, 215 et 216 et une couronne 217 d'axe A en matériau
ferromagnétique. Chacune des jambes 214, 215 et 216 s'étend
radialement à distance de l'axe A, à partir de la couronne 213. La jambe
214 se trouve à une extrémité de la couronne 213, la jambe 216 se trouve
à une autre extrémité de la couronne 213, et la jambe 215 se trouve entre
les jambes 214 et 216. La couronne 217 entoure la couronne 213 et les
jambes 214 à 216, en délimitant un entrefer 221.
Les couronnes 213 et 217 et les jambes 214 à 216 forment un
circuit magnétique du transformateur 210 à trois colonnes. Plus
précisément, le circuit magnétique du transformateur 210 comprend une
première colonne (correspondant à la jambe 214), une deuxième colonne
(correspondant à la jambe 215) et une troisième colonne (correspondant à
la jambe 216).
Le circuit magnétique du transformateur 210 délimite une
encoche 222 entre les deux couronnes, la première colonne et la
deuxième colonne, et une encoche 223 entre les deux couronnes, la
deuxième colonne et la troisième colonne.
Le transformateur 210 comprend des bobines 224, 225, 226 et
227 et des bobines 228, 229, 230 et 231.
La bobine 224 est une bobine torique d'axe A correspondant à
une phase Up du transformateur 210. Elle se trouve dans l'encoche 222.
La bobine 225 est une bobine torique d'axe A et se trouve dans l'encoche
222. La bobine 226 est une bobine torique d'axe A, se trouve dans
l'encoche 223, et est reliée en série à la bobine 225. Les bobines 225 et
226 correspondent à une phase Vp du transformateur 210. Enfin, la
bobine 227 est une bobine torique d'axe A correspondant à une phase Wp
du transformateur 210. Elle se trouve dans l'encoche 223.
De manière correspondante, la bobine 228 est une bobine
torique d'axe A correspondant à une phase Us du transformateur 210. Elle
se trouve dans l'encoche 222. La bobine 229 est une bobine torique d'axe
A et se trouve dans l'encoche 222. La bobine 230 est une bobine torique
d'axe A, se trouve dans l'encoche 223, et est reliée en série à la bobine
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229. Les bobines 229 et 230 correspondent à une phase Vs du
transformateur 210. Enfin, la bobine 231 est une bobine torique d'axe A
correspondant à une phase Ws du transformateur 210. Elle se trouve dans
l'encoche 223.
5 Le transformateur 210 est un transformateur fixe triphasé
cuirassé magnétiquement, à flux liés forcés, et à circuit magnétique à trois
colonnes. Il présente un fonctionnement et des avantages similaires au
transformateur 10 de la figure 3.
La figure 10 représente un transformateur 310 selon un
10 quatrième mode de réalisation. Le transformateur 310 peut être considéré
comme une variante non cuirassée magnétiquement du transformateur
210 cuirassé magnétiquement de la figure 7. On utilise donc les mêmes
références sur la figure 8 que sur la figure 7, sans risque de confusion, et
une description détaillée du transformateur 310 est omise. On signale
15 simplement que le circuit magnétique du transformateur 310 n'entoure
pas complétement les bobines 224 à 231 et que le transformateur 310
n'est donc pas cuirassé magnétiquement, contrairement au transformateur
210.
Les figures 11, 12 et 13 représentent un transformateur 410
selon un premier mode de réalisation utile à la compréhension de
l'invention. Le transformateur 410 est un transformateur tournant
triphasé, à flux liés forcés, et peut être considéré comme une variante du
transformateur 10 de la figure 3. Ainsi, sur les figures 11 à 13, les
éléments identiques ou similaires à des éléments du transformateur 10 de
la figure 3 sont désignés par les mêmes références, sans risque de
confusion. Ci-après, on décrit en détail les spécificités du transformateur
410.
A la place de la bobine torique 24, le transformateur 410
comprend quatre bobines, dont une bobine 424a et une bobine 424d sont
représentées sur la figure 11, reliés en série et qui passent dans des
encoches 436 ménagées dans la jambe 18. De manière correspondante, à
la place de la bobine torique 28, le transformateur 410 comprend quatre
bobines, dont une bobine 428a et une bobine 428d sont représentées sur
la figure 11, reliés en série et qui passent dans des encoches 437
ménagées dans la jambe 15.
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A la place des bobines toriques 25 et 26, le transformateur 410
comprend des bobines 425a, 425b, 425c et 425d reliés en série et qui
passent dans des encoches 436 ménagées dans la jambe 19, comme
représenté sur la figure 12. De manière correspondante, à la place des
bobines toriques 29 et 30, le transformateur 410 comprend des bobines
429a, 429b, 429c et 429d reliés en série et qui passent dans des encoches
437 ménagées dans la jambe 15.
De même, à la place de la bobine torique 27, le transformateur
410 comprend quatre bobines, dont une bobine 427a et une bobine 427d
sont représentées sur la figure 11, reliés en série et qui passent dans des
encoches 436 ménagées dans la jambe 20. De manière correspondante, à
la place de la bobine torique 31, le transformateur 410 comprend quatre
bobines, dont une bobine 431a et une bobine 431c sont représentées sur
la figure 11, reliés en série et qui passent dans des encoches 437
ménagées dans la jambe 16.
Autrement dit, le bobinage des phases ne s'effectue plus autour
de l'axe de rotation A mais radialement autour de chaque colonne. Le
transformateur 410 présente donc trois noyaux magnétiques radiaux : Un
noyau 438 dans la colonne formée par les jambes 14 et 18, un noyau 439
dans la colonne formée par les jambes 15 et 19, et un noyau 440 dans la
colonne formée par les jambes 16 et 20.
La figure 14, sur laquelle on utilise les mêmes notations que
sur les figures 5A à 5E, illustre le fonctionnement du transformateur 410.
Sur la figure 14, les bobines 424a, 424d et les bobines non
représentée qui leur sont reliées correspondent, pour un courant Iap, à un
potentiel magnétique Pa radial dirigé vers l'axe A dans le noyau
magnétique 438. De même, les bobines 425a, 425b, 425c et 425d
correspondent, pour un courant Ibp, à un potentiel magnétique Pb radial
dirigé l'axe A dans le noyau magnétique 439. Enfin, les bobines 427a,
427d et les bobines non représentée qui leur sont reliées correspondent,
pour un courant lac, à un potentiel magnétique Pc radial dirigé vers l'axe
A dans le noyau magnétique 440.
Les potentiels magnétiques Pa, Pb et Pc sont égaux en modules
et tous dirigés vers l'axe A. Dans une variante non représentée, les
potentiels magnétiques Pa, Pb et Pc sont de sens opposés par rapport à
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l'exemple représenté, c'est-à-dire ils sont tous dirigés à distance de l'axe
A.
Cette configuration permet un couplage correct des flux. Plus
précisément, la topologie du transformateur 410 permet d'obtenir le
même coefficient de couplage de 3/2 que dans le cas du transformateur
décrit ci-dessus. Pour obtenir le coefficient de couplage théorique et
l'équilibre triphasé, il est suffisant que les reluctances entre le point
milieu
de la couronne 17 et le point milieu de la couronne 13 passant par chaque
colonne soient identiques.
10 Le transformateur 410 présente les mêmes avantages que le
transformateur 10, sauf l'utilisation uniquement de bobines toriques. Le
transformateur 410 permet notamment d'obtenir un couplage des phases
permettant de retrouver le coefficient multiplicateur 3/2.
Dans le mode de réalisation représenté, le transformateur 410
comprend, pour chaque phase, quatre bobines primaires en série (bobines
425a à 425d dans le cas de la phase centrale) et quatre bobines
secondaires en série (bobines 429a à 429d dans le cas de la phase
centrale). En variante, le nombre de bobines sur chaque colonne peut être
plus ou moins élevé. Le nombre de bobines sur chaque colonne peut
différer entre le primaire et le secondaire.
Le transformateur 410 représenté sur les figures 11 à 13 est un
transformateur en U . Dans une variante non représentée, un
transformateur en E ou en Pot présente une topologie similaire.
Dans ce cas, les noyaux magnétiques sont axiaux. La figure 15
représente, en vue en perspective éclatée, un circuit magnétique
permettant de réaliser une telle variante en E . Les éléments
correspondant à des éléments de la figure 13 sont désignés par les
mêmes références, sans risque de confusion.
Dans le transformateur 10 de la figure 3 et dans le
transformateur 410 de la figure 11, les bobinages permettent de
reproduire les flux triphasés dans les trois colonnes du transformateur de
façon équivalente à un transformateur fixe triphasé à flux liés forcés. De
même, dans le transformateur 110 de la figure 7 et dans le transformateur
selon la une variante en E du transformateur 410 (non représenté
mais basé sur le circuit magnétique de la figure 15), les bobinages
permettent de reproduire les flux triphasés dans les trois colonnes du
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transformateur de façon équivalente à un transformateur fixe triphasé à
flux liés forcés.
Ainsi, les primaire et secondaires de ces transformateurs sont
compatibles. De manière générale, le primaire du transformateur 10 est
compatible avec tout secondaire dont la topologie permet de reproduire
des flux triphasés dans trois colonnes de façon équivalente à un
transformateur fixe triphasé à flux liés forcés. Ainsi, dans le
transformateur 10, les primaire et secondaire sont réalisés selon le même
principe. Toutefois, dans une variante, le primaire ou le secondaire est
réalisé selon un principe différent, par exemple selon celui du
transformateur 410 des figures 11 à 13.
La figure 16 est une vue en coupe d'un transformateur 510
selon un cinquième mode de réalisation, qui utilise le primaire du
transformateur 10 et le secondaire du transformateur 410. Sur la figure
16, on utilise donc les mêmes références que sur la figure 3 ou sur la
figure 11, et une description détaillée est omise.
De manière connue, un transformateur peut comprendre
plusieurs secondaires. Ainsi, dans un mode de réalisation non représenté,
les bobinages de chaque secondaire peuvent être simultanément réalisés
suivant le principe du transformateur 10 et le principe du transformateur
410 sur le même corps si celui-ci possède les encoches nécessaires au
niveau des jambes pour le passage des bobines selon le principe du
transformateur 410.
