Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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TRANSFORMATEUR TRIPHASE A TROIS NOYAUX MAGNETIQUES AVEC
BOBINAGES RADIAL ET ANNULAIRE
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, une deuxième bobine torique d'axe A dans la
deuxième encoche, et une ou plusieurs troisièmes bobines reliées en série,
lesdites troisièmes bobines étant enroulées autour d'une desdites jambes
en passant dans des encoches dans ladite jambe.
Dans ce transformateur, si l'on fait circuler dans les bobines
primaires des courants triphasés de sens appropriés, compte tenu du sens
des bobines primaires, les potentiels magnétiques des première, deuxième
et troisièmes bobines primaires sont dirigés vers ou à l'opposé d'un point
commun, ce qui conduit à un couplage des flux. Cela permet un
dirnensionnement réduit du transformateur en termes de volume et de
masse. De plus, le primaire du transformateur utilise en partie des simples
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bobines toriques d'axe A, ce qui permet une structure particulièrement
simple.
Selon un mode de réalisation, lesdites troisièmes bobines sont
enroulées autour de ladite jambe centrale.
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, une deuxième
bobine secondaire torique d'axe A dans la deuxième encoche secondaire,
et une ou plusieurs troisièmes bobines secondaires reliées en série,
lesdites troisièmes bobines 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 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.
Selon un autre mode de réalisation, le secondaire est réalisé
selon un principe différent que le primaire. Par exemple, il utilise, pour
chaque phase, une ou plusieurs bobines entourant la jambe
correspondante.
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
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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.
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
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,
- les figures 3 et 4 sont des vues en coupe d'un transformateur
tournant triphasé cuirassé magnétiquement, à flux liés forcés, selon un
premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 5 est une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique du transformateur des figures 3 et 4,
- la figure 6 est un schéma électrique représentant un exemple
de connexion des bobines du transformateur des figures 3 et 4,
- la figure 7 une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique d'un transformateur tournant triphasé cuirassé
magnétiquement, à flux liés forcés, selon un deuxième mode de
réalisation de l'invention,
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- la figure 8 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 9 est une vue en coupe d'un transformateur fixe
5 triphasé, à flux liés forcés, selon un quatrième mode de réalisation de
l'invention,
- la figure 10 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,
- la figure 11 une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique du transformateur de la figure 10,
- la figure 12 est un schéma électrique illustrant le
fonctionnement du transformateur de la figure 10,
- la figure 13 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 10, et
- la figure 14 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
Les figures 3 et 4 sont des vues en coupe d'un transformateur
10 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le transformateur
10 est un transformateur tournant triphasé cuirassé nnagnétiquement, 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
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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.
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).
Le transformateur 10 comprend des bobines 24, 25a, 25b, 25c,
25d et 26 fixées à la partie 11 et des bobines 28, 29a, 29b, 29c, 29d et 30
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 26 sont les bobines primaires
du transformateur 10 et les bobines 28 à 30 sont les bobines secondaires
du transformateur 10. Cependant, primaire et secondaire peuvent bien
entendu être inversés par rapport à l'exemple décrit.
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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 et
présente n1 tours.
Les bobines 25a, 25b, 25c et 25d sont reliés en série et
correspondent à une phase Vp du transformateur 10. Chacune des
bobines 25a, 25b, 25c et 25d entoure une partie de la jambe 19 en
passant dans des encoches 36 ménagées dans la jambe 19, comme
représenté sur la figure 4. Ensemble, les bobines 25a, 25b, 25c et 25d
présentent n1 tours
Enfin, la bobine 26 est une bobine torique d'axe A
correspondant à une phase Wp du transformateur 10. Elle se trouve dans
l'encoche 23 et présente n1 tours.
Autrement dit, le bobinage des phases Up et Wp est annulaire,
autour de l'axe A, alors que le bobinage de la phase Vp s'effectue
radialement autour de la colonne centrale (correspondant aux jambes 15
et 19).
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.
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 et
présente nz tours.
Les bobines 29a, 29b, 29c et 29d sont reliés en série et
correspondent à une phase Vs du transformateur 10. Chacune des
bobines 29a, 29b, 29c et 29d entoure une partie de la jambe 15 en
passant dans des encoches 37 ménagées 'dans la jambe 15, comme
représenté sur la figure 4. Ensemble, les bobines 29a, 29b, 29c et 29d
présentent nz tours
Enfin, la bobine 30 est une bobine torique d'axe A
correspondant à une phase Ws du transformateur 10. Elle se trouve dans
l'encoche 35 et présente n2 tours.
Autrement dit, comme au primaire, le bobinage des phases Us
et Ws est annulaire, autour de l'axe A, alors que le bobinage de la phase
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Vs s'effectue radialement autour de la colonne centrale (correspondant
aux jambes 15 et 19).
Les bobines 24 et 28 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 28 correspondent donc à des potentiels magnétiques dans le noyau
magnétique 32. De manière correspondante, les bobines 26 et 30
entourent un noyau magnétique 33 situé dans la couronne 13. Les
courants circulants dans les bobines 26 et 30 correspondent donc à des
potentiels magnétiques dans le noyau magnétique 33. Par ailleurs, les
bobines 25a, 25b, 25c, 25d, 29a, 29b, 29c et 29d entourent un noyau
magnétique 38 situé dans la colonne centrale formée par les jambes 15 et
19.
Le transformateur 410 présente donc trois noyaux
magnétiques : Les noyaux 32 et 33 axiaux, et un noyau 38 radial le long
de la colonne centrale.
La figure 5 est une vue en perspective éclatée du circuit
magnétique du transformateur 10.
En référence à la figure 6, on explique maintenant le
fonctionnement du transformateur 10. Sur la figure 6, 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 6, 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.
- 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.
- Pa, Pb et Pc, les potentiels magnétiques dans les noyaux 32, 38 et
33 correspondant respectivement aux courants Iap, Ibp et Icp,
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- As, Bs, Cs, Oas, Obs et Ocs, les points de sortie et de connexion au
secondaire.
Comme représenté sur la figure 6, la bobine 24 correspond,
pour le courant Iap, à un potentiel magnétique Pa axial dirigé vers la droite
dans le noyau magnétique 32. Les bobines 25a, 25b, 25c et 25d
correspondent, pour le courant Ibp, à un potentiel magnétique Pb radial
dirigé vers le bas dans le noyau magnétique 38. Enfin, la bobine 26
correspond, pour le courant Icp, à un potentiel magnétique Pc axial dirigé
vers la gauche dans le noyau magnétique 33. Les potentiels magnétiques
Pa, Pb et Pc sont égaux en modules, de sens opposés sur chaque noyau
magnétique et symétriques par rapport au point de symétrie 39 situé à
l'intersection des trois noyaux.
Dans une variante non représentée, le sens de bobinages des
bobines et/ou leurs points de connexion sont différents de sorte que les
potentiels magnétiques Pa, Pb et Pc sont de sens opposés par rapport à
l'exemple représenté.
Cette configuration permet un couplage correct des flux. Plus
précisément, la topologie du transformateur 10 permet d'obtenir un
coefficient de couplage de 3/2.
Dans le mode de réalisation représenté, le transformateur 10
comprend quatre bobines primaires 25a à 25d en série et quatre bobines
secondaires 29a à 29d en série. En variante, le nombre de bobines sur la
colonne centrale peut être plus ou moins élevé. Le nombre de bobines sur
la colonne centrale peut différer entre le primaire et le secondaire.
Dans l'exemple représenté, les encoches 36 et 37 sont
ménagées dans la colonne centrale (jambes 15 et 19). Les bobines 25a à
25d et 29a à 29d entourent donc la colonne centrale et le noyau
magnétique 38 est situé dans la colonne centrale. Dans une variante non
représentée, les encoches 36 et 37 sont ménagées dans une des colonnes
latérales (jambes 14 et 18 ou 16 et 20). Les bobines 25a à 25d et 29a à
29d entourent donc une des colonnes latérales et le noyau magnétique 38
est situé dans cette colonne latérale. Une telle variante est toutefois non
cuirassée magnétiquement.
Le transformateur 10 présente plusieurs avantages.
Notamment, on peut constater que le circuit magnétique
entoure complètement les bobines 24 à 30. Le transformateur 10 est donc
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cuirassé magnétiquement. De plus, certaines des bobines 24 à 30 sont des
bobines toriques d'axe A. Le transformateur 10 permet donc d'utiliser des
bobines de forme simple.
Par ailleurs, les phases du transformateur 10 peuvent être
5 équilibrées en inductance et en résistance.
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 Si l'entrefer
crée des reluctances de colonnes importantes par
rapport aux reluctances des couronnes 13 et 17, les reluctances des
couronnes peuvent être négligées et il est donc possible d'obtenir un
équilibrage partiel pour des colonnes de même reluctances. La conception
du circuit magnétique peut donc être particulièrement simple.
Une amélioration de réalisation possible permettant un meilleur
équilibre est d'augmenter légèrement la reluctance de la colonne centrale
de façon à compenser le déséquilibre des reluctances dû aux reluctances
secondaires (reluctance de la couronne, reluctance des franges,...). Pour
ce faire, on peut entre-autres diminuer légèrement la largeur de la
colonne centrale ou augmenter faiblement l'entrefer de celle-ci par rapport
aux autres colonnes.
Il faut aussi prendre en compte la reluctance des encoches 36
et 37.
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
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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 -V2 ce qui induit
une augmentation du champ d'induction de V2 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/-V2. Si on est à iso-pertes
joules la résistance (pl/S) est divisé aussi par V2 (longueur divisé
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 Q/2. Le même raisonnement s'applique à la
bobine 26.
- Pour les bobines 25a, 25b, 25c et 25d, 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 ces bobines
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 : Q/2+ 2Q+ Q/2= 3*Q. Pour le
transformateur 1, on avait 3*Q, soit la même quantité de matériaux
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conducteur. A titre de comparaison, pour un transformateur triphasé fixe
la quantité de matériau conducteur est de 3Q/2.
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 KF1132f*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
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 = 2B2).
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 figure 7 représente le circuit magnétique d'un
transformateur (non représenté) selon un deuxième mode de réalisation.
Ce transformateur 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 7 que sur la figure 3, sans risque de
confusion, et une description détaillée du transformateur selon le
deuxième mode de réalisation est omise. On signale simplement que les
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références 13 et 17 correspondent à deux couronnes espacées
axialement, que 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 8 représente un transformateur 110 selon un
troisième mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 110 peut
être considéré comme un transformateur fixe correspondant au
transformateur 10 tournant de la figure 3. Sur la figure 8, on utilise donc
les mêmes références que sur la figure 3, augmentées de 100, pour
désigner des éléments identiques ou similaires à ceux de la figure 3.
Le transformateur 110 comprend une couronne 113 d'axe A,
trois jambes 114, 115 et 116 et une couronne 117 d'axe A en matériau
ferromagnétique. Chacune des jambes 114, 115 et 116 s'étend
radialement à distance de l'axe A, à partir de la couronne 113. La jambe
114 se trouve à une extrémité de la couronne 113, la jambe 116 se trouve
à une autre extrémité de la couronne 113, et la jambe 115 se trouve entre
les jambes 114 et 116. La couronne 117 entoure la couronne 113 et les
jambes 114 à 116, en délimitant un entrefer 121.
Les couronnes 113 et 117 et les jambes 114 à 116 forment un
circuit magnétique du transformateur 110 à trois colonnes. Plus
précisément, le circuit magnétique du transformateur 110 comprend une
première colonne (correspondant à la jambe 114), une deuxième colonne
(correspondant à la jambe 115) et une troisième colonne (correspondant à
la jambe 116).
Le circuit magnétique du transformateur 110 délimite une
encoche 122 entre les deux couronnes, la première colonne et la
deuxième colonne, et une encoche 123 entre les deux couronnes, la
deuxième colonne et la troisième colonne.
Comme représenté sur la figure 8, le transformateur 110
comprend des bobines 124, 125a, 125d (ainsi que deux bobines non
représentées), 126, 128, 129a, 129c (ainsi que deux bobines non
représentées) et 130 correspondant aux bobines 24 à 30 du
transformateur 10.
Le transformateur 110 est un transformateur fixe triphasé
cuirassé magnétiquement, à flux liés forcés, et à circuit magnétique à trois
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colonnes. Il présente un fonctionnement et des avantages similaires au
transformateur 10 de la figure 3.
La figure 9 représente un transformateur 210 selon un
quatrième mode de réalisation de l'invention. Le transformateur 210 peut
être considéré comme une variante non cuirassée magnétiquement du
transformateur 110 cuirassé magnétiquement de la figure 8. On utilise
donc les mêmes références sur la figure 9 que sur la figure 8, sans risque
de confusion, et une description détaillée du transformateur 210 est
omise. On signale simplement que le circuit magnétique du transformateur
210 n'entoure pas complétement les bobines 124, 128, 126 et 130 et que
le transformateur 210 n'est donc pas cuirassé magnétiquement,
contrairement au transformateur 110.
La figure 10 est une vue en coupe d'un transformateur 310
selon un premier mode de réalisation utile à la compréhension de
l'invention. Le transformateur 310 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 la figure 10 (et 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 310.
A la place de la bobine torique 24, le transformateur 310
comprend quatre bobines, dont une bobine 324a et une bobine 324d sont
représentées sur la figure 10, reliés en série et qui passent dans des
encoches 36 ménagées dans la jambe 18 (les encoches 36 sont visibles
sur la figure 11). De manière correspondante, à la place de la bobine
torique 28, le transformateur 310 comprend quatre bobines, dont une
bobine 328a et une bobine 328d sont représentées sur la figure 10, reliés
en série et qui passent dans des encoches 37 ménagées dans la jambe 15.
De même, à la place de la bobine torique 26, le transformateur
310 comprend quatre bobines, dont une bobine 326a et une bobine 326d
sont représentées sur la figure 10, reliés en série et qui passent dans des
encoches 36 ménagées dans la jambe 20. De manière correspondante, à
la place de la bobine torique 30, le transformateur 310 comprend quatre
bobines, dont une bobine 330a et une bobine 330c sont représentées sur
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la figure 10, reliés en série et qui passent dans des encoches 37
ménagées dans la jambe 16.
Autrement dit, de manière similaire à la phase centrale, le
bobinage des phases latérale ne s'effectue plus autour de l'axe de rotation
5 A mais radialement autour de chaque colonne. Le transformateur 310
présente donc trois noyaux magnétiques radiaux : Un noyau 38 dans la
colonne centrale formée par les jambes 15 et 19, un noyau 39 dans la
colonne formée par les jambes 14 et 18, et un noyau 40 dans la colonne
formée par les jambes 16 et 20.
10 La figure 12, sur laquelle on utilise les mêmes notations que
sur la figure 6, illustre le fonctionnement du transformateur 310.
Sur la figure 12, les bobines 324a, 324d 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
15 magnétique 39. De même, les bobines 25a, 25b, 25c et 25d
correspondent, pour un courant Ibp, à un potentiel magnétique Pb radial
dirigé l'axe A dans le noyau magnétique 38. Enfin, les bobines 326a, 326d
et les bobines non représentée qui leur sont reliées correspondent, pour
un courant Icp, à un potentiel magnétique Pc radial dirigé vers l'axe A dans
le noyau magnétique 40.
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
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 310 permet d'obtenir le
même coefficient de couplage de 3/2 que dans le cas du transformateur
10 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.
Le transformateur 310 présente les mêmes avantages que le
transformateur 10, sauf l'utilisation uniquement de bobines toriques. Le
transformateur 310 permet notamment d'obtenir un couplage des phases
permettant de retrouver le coefficient multiplicateur 3/2.
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Dans le mode de réalisation représenté, le transformateur 310
comprend, pour chaque phase, quatre bobines primaires en série (bobines
25a à 25d dans le cas de la phase centrale) et quatre bobines secondaires
en série (bobines 29a à 29d 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 310 représenté sur les figures 10 à 12 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 13
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 11 sont désignés par les
mêmes références, sans risque de confusion.
Dans le transformateur 10 de la figure 3 et dans le
transformateur 310 de la figure 10, 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 les transformateurs non représentés selon les variantes en
E basées respectivement sur le circuit magnétique de la figure 7 ou de la
figure 13, 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.
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 310 des figures 10 à 12.
La figure 15 est une vue en coupe d'un transformateur 410
selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, qui utilise le
primaire du transformateur 10 et le secondaire du transformateur 310.
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Sur la figure 15, on utilise donc les mêmes références que sur la
figure 3 ou sur la figure 10, 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
310 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 310.
