DISPOSITIF DE CONNEXION SANS CONTACT ELECTRIQUE PERMETTANT LA TRANSMISSION D'UNE PUISSANCE ELECTRIQUE TRIPHASEE

5 Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs de connexion entre une source et une charge pour transmettre une puissance électrique alternative présentant au moins une phase.

L'invention s'intéresse plus particulièrement aux dispositifs de connexion0 sans contact électrique.

Ces dispositifs de connexion sont plus particulièrement dédiés à une utilisation en milieu conducteur, typiquement les milieux marins ou aquatiques, où les connexions avec contact électrique sont généralement inadaptées et peu fiables.

5 II est connu actuellement de réaliser un transfert de puissance sans contact en utilisant un phénomène inductif et un signal haute fréquence.

La figure 1 décrit un tel dispositif de transfert de puissance électrique selon l'art antérieur pour un courant continu DC ou pour un courant alternatif AC.

Lorsque le courant est un courant continu DC, celui-ci est envoyé0 directement vers une fonction de transfert Tl où le courant continu DC est transformé en signal haute-fréquence HF inducteur.

Lorsque le courant est un courant alternatif AC, triphasé ou non, la figure 1 montre en pointillés que ce courant AC est fourni à l'entrée d'un convertisseur courant alternatif/ courant continu Cl afin d'être transformé en un courant5 continu DC. Ce courant continu DC est alors envoyé vers la fonction de transfert Fl.

Dans les dispositifs connus, les bobinages des circuits primaire et secondaire sont face à face lors du transfert de puissance électrique. Cette caractéristique est schématisée sur la figure 1 par le bobinage du circuit primaire0 Bi en vis-à-vis avec le bobinage du circuit secondaire B ₂ . Dans la mesure où il s'agit d'un dispositif sans contact, les bobinages Bl et B2 sont nécessairement séparés par un entrefer. Néanmoins, dès lors qu'un courant circule dans un bobinage B _1; le champ magnétique engendré crée un courant induit haute- fréquence dans le bobinage B ₂ qui lui fait face. Ce courant induit haute-fréquence HF est alors traité au sein d'une fonction de transfert T2 qui transforme le signal haute-fréquence HF en une composante continue DC.

Au besoin, cette composante continue DC est ensuite optionnellement transmise à un convertisseur courant continu/courant alternatif C2 représenté en pointillés et permettant de restituer un courant alternatif AC sur une ou trois phases au besoin.

Ainsi le champ magnétique créé par la circulation du signal haute- fréquence dans le bobinage du circuit primaire génère au sein du bobinage du circuit secondaire une circulation de courant induit qui permet de fournir de la puissance électrique.

Un tel transfert de puissance nécessite l'utilisation d'un signal haute fréquence et la présence d'une électronique dédiée à la transformation du signal disponible en un tel signal haute-fréquence.

Ainsi, les puissances électriques à basse fréquence, soit, au sens de l'invention, les signaux de fréquence inférieure à 2 kHz, ne seront pas susceptibles d'être transmises d'une pièce du dispositif de connexion à l'autre pièce en absence d'une électronique dédiée à la transformation du signal.

Cela est particulièrement handicapant dans les milieux hostiles, du type milieux sous-marins, puisqu'il est bien connu que les composants électroniques sont très sensibles aux atmosphères hostiles et sont sujets à panne. L'utilisation d'une telle électronique dans ces milieux engendrerait une faible robustesse, une courte durée de vie et une mauvaise fiabilité du dispositif de connexion. En outre, dans le cas d'une panne, les coûts élevés et les difficultés d'intervention sont prohibitifs. On remarque ici que l'implémentation de composants électroniques n'est pas non plus souhaitable dans d'autres types de milieux hostiles comme les déserts sableux, les milieux dans lesquels les éléments baignent dans l'huile etc. L'invention trouve là des domaines d'implémentation divers. En effet, l'invention permet qu'il ne soit pas nécessaire de procéder à un nettoyage soigné des connecteurs ou qu'il ne soit pas nécessaire d'isoler les connecteurs du milieu dans lequel ils fonctionnent.

Dans tous ces milieux hostiles, il est donc particulièrement crucial de permettre un transfert de puissance en absence d'une électronique spécifique à proximité du dispositif de connexion. Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de palier les inconvénients des arts antérieurs et de rendre possible le transfert de puissance électrique triphasée sans devoir modifier la fréquence du signal transmis en proposant un dispositif de connexion sans contact électrique entre une source et une charge pour transmettre une puissance électrique alternative de fréquence inférieure à 2 kHz et présentant au moins une phase, le dispositif comprenant une pièce primaire destinée à être reliée à la source et une pièce secondaire destinée à être reliée à la charge, ces deux pièces étant, à volonté, dissociables et assemblables dans une configuration particulière adaptée au transfert de puissance sans contact électrique; chacune des pièces comprenant un élément en matériau ferromagnétique et au moins un bobinage enveloppés dans une enveloppe étanche,

les formes des deux éléments ferromagnétiques étant telles qu'une fois les deux pièces assemblées, les deux éléments ferromagnétiques forment un circuit ferromagnétique fermé présentant, après assemblage, une pluralité de discontinuités mineures au niveau des enveloppes étanches enveloppant les pièces,

et les positions respectives des bobinages par rapport aux éléments ferromagnétiques respectifs étant telles qu'une fois les deux pièces assemblées, le bobinage de la pièce primaire dit bobinage primaire entoure une branche du circuit ferromagnétique qui est alors apte à conduire un flux magnétique créé par un courant alternatif circulant dans ce bobinage dit primaire et le bobinage de la pièce secondaire dit bobinage secondaire entoure également une branche du circuit ferromagnétique, un courant induit circulant donc dans le bobinage secondaire dès lors que le circuit magnétique est traversé par un flux magnétique variable,

le dispositif étant caractérisé en ce que, la puissance électrique étant triphasée, une des pièces dite mâle présente une forme permettant sa pénétration coaxiale, lors de l'assemblage des pièces, dans un orifice complémentaire porté par l'autre pièce dite femelle, les éléments ferromagnétiques de la pièce mâle et de la pièce femelle présentant tous deux une symétrie de révolution, sont munis, respectivement sur la face externe et sur la face interne, d'un même nombre 6N de colonnes longitudinales régulièrement réparties sur la section des éléments ferromagnétiques et formant autant de branches du circuit ferromagnétique, N étant le nombre de paires de pôles par phase, N supérieur ou égal à 1, ces colonnes permettant l'enroulement de 3N bobinages, les enroulements des 3N bobinages étant réalisés pour, respectivement sur la pièce mâle et sur la pièce femelle, constituer une structure analogue à la structure d'un moteur à stator/rotor asynchrone ou synchrone triphasé.

Avec l'invention, les deux pièces sont munies d'éléments ferromagnétiques complémentaires tels qu'un circuit magnétique fermé est recréé lors de l'assemblage des deux pièces aux discontinuités mineures près situées au niveau de l'entrefer. Il est déjà connu que la présence de matériaux ferromagnétiques permet de faciliter la circulation ou conduction du champ magnétique. Ainsi, en dessous de 2 kHz, il est possible de transmettre une puissance sans électronique et donc de rendre le système robuste et fiable. Les matériaux utilisés étant spécifiquement choisis pour leurs caractéristiques magnétiques. En outre, le dispositif selon l'invention étant tel que le circuit magnétique reconstitué est fermé, il est le siège d'une conduction du champ magnétique privilégiée qui permet le transfert de la puissance électrique basse fréquence de la pièce primaire vers la pièce secondaire.

L'enveloppage dans une enveloppe étanche peut être réalisé par enrobage dans un matériau étanche, typiquement de la résine, par encapsulage au sein d'une enceinte, un boitier ou un carter étanche incluant éventuellement de l'huile diélectrique immergeant l'élément ferromagnétique et les bobinages et permettant d'équilibrer la pression avec l'extérieur de l'enceinte étanche ou par tout autre moyen permettant de conserver l'élément ferromagnétique isolé du milieu extérieur.

Les formes des pièces permettent en outre l'assemblage dans la configuration particulière. Ces formes constituent donc des moyens de guidage des pièces l'une par rapport à l'autre.

L'invention permet d'obtenir un dispositif de connexion présentant une symétrie de révolution ce qui facilite grandement l'assemblage des deux pièces. Les formes de symétrie de révolution complémentaires des pièces mâle et femelle sont typiquement des formes cylindriques ou coniques, l'essentiel étant que la pièce maie puisse pénétrer dans la pièce femelle et que chacune des pièces puisse porter les bobinages utiles à la mise en œuvre de cette réalisation. En outre, cette réalisation permet d'implémenter aisément plusieurs pôles par phase sur les contours des pièces mâles et femelles. La puissance électrique est alors récupérée directement sur les pôles de la pièce secondaire sous forme de courant triphasé reconstitué à partir des courants induits. Les bobinages de la pièce secondaire sont reliés pour cela de manière spécifique à trois fils de sortie de la pièce secondaire.

Selon une caractéristique avantageuse, la pièce mâle est évidée en son centre pour faciliter les échanges thermiques par convection.

Cette caractéristique permet d'assurer une bonne régulation thermique du dispositif de connexion.

Selon une caractéristique particulière, les pièces mâle et femelle comprennent au moins deux éléments de détrompage complémentaires sur les contours respectivement externe et interne des pièces mâle et femelle de manière à permettre l'assemblage de la pièce mâle dans la pièce femelle dans une position particulière où chaque colonne de la pièce mâle fait face à une colonne de la pièce femelle.

Les éléments de détrompage, typiquement un ergot complémentaire d'une encoche, permettent le positionnement exact des deux pièces l'une par rapport à l'autre.

On remarque ici que le nombre d'éléments de détrompage pourra être multiplié sur au moins une des pièces, ces éléments de détrompage étant répartis régulièrement sur les contours respectivement externe et interne des éléments ferromagnétiques des pièces mâle et femelle de manière à permettre la pénétration de la pièce mâle dans la pièce femelle seulement pour les positions où chaque colonne de la pièce mâle fait face à une colonne de la pièce femelle. Typiquement une des pièces pourra présenter un ergot et l'autre pièce, autant d'encoches que de colonnes. Ainsi, l'ergot pourra venir se positionner indifféremment dans l'une ou l'autre des encoches, assurant cependant le positionnement relatif correct des colonnes les unes, du circuit primaire, en face des autres, du circuit secondaire.

Cependant, dès lors que le champ créé est tournant, l'alignement des colonnes n'est pas utile pour obtenir un rendement correct et constant. Sauf circonstances particulières, il sera donc avantageux de ne pas implémenter d'éléments de détrompage afin de pouvoir assembler les deux pièces n'importe quelles positions angulaires relatives. Cet assemblage quelconque permet d'accéder à une très grande simplicité d'assemblage des deux pièces.

Cependant on remarque que ces éléments de détrompage ne sont pas utiles pour immobiliser les deux pièces du connecteur dès lors que les objets sur lesquels sont placées les deux pièces du connecteur sont dans des positions fixes lors des périodes fonctionnelles. C'est le cas sur les appareillages sous-marins où les connecteurs seront placés fixes par rapport à ces appareillages qui sont dans une position déterminée l'un par rapport à l'autre lors des opérations de transfert de puissance.

Le nombre de paires de pôles par phase sera avantageusement de deux ou trois.

Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les enveloppages des pièces et les pièces ont des dimensions telles que les discontinuités mineures au niveau de l'entrefer sont comprises entre 2 et 40 mm.

La distance de 2 mm correspond à une fine épaisseur de matériau étanche sur les surfaces des éléments ferromagnétiques destinées à être rapprochées lors de l'assemblage des pièces. Le jeu entre les deux pièces est alors très réduit. La distance de 40 mm augmente le déphasage UI introduit par la traversée de la discontinuité. Au-delà de cette distance, le transfert de puissance n'est plus correct pour les fréquences concernées par l'invention.

Dans une réalisation avantageuse, les discontinuités se situent entre 4 et 20 mm. Cet intervalle permet la présence d'un jeu correct tout en assurant un bon transfert de puissance.

Dans une réalisation préférentielle, les discontinuités se situent entre 5 et 10 mm. Dans cet intervalle on assure un très bon transfert de puissance et la présence d'un jeu permettant un guidage adapté des pièces l'une par rapport à l'autre.

On remarque ici que la géométrie cylindrique des pièces permet d'assurer la présence d'un jeu à la différence de l'utilisation de deux pièces coniques dont l'une reposerait sur l'autre.

Cette caractéristique permet d'assurer que les discontinuités soient mineures par rapport à la dimension globale du circuit magnétique.

Dans une application privilégiée, le dispositif selon l'invention est destiné à être implémenté, pour une des deux pièces, sur une base sous-marine et, pour l'autre pièce, sur un véhicule, un capteur ou un actionneur sous-marin destiné à venir se placer sur la base sous-marine pour assurer un transfert de puissance électrique entre l'une et l'autre pièce.

La possibilité de pouvoir connecter facilement deux pièces pour faire un transfert de puissance sans contact électrique et sans électronique est attendue dans le milieu de l'exploitation sous-marine. Le transfert de puissance peut être dans un du véhicule vers la base ou le contraire en fonction des besoins de l'application. L'objet de l'invention qui entraine que les deux pièces présentent une certaine masse n'est en outre pas un handicap dans les applications sous- marines ce qui en fait un domaine d'exploitation de l'invention privilégié.

Selon une caractéristique avantageuse, chaque pièce du dispositif est apte à être attachée de manière fixe sur la base sous-marine et sur le véhicule.

Avec cette caractéristique, le positionnement du véhicule sur la base suffit à la connexion des deux pièces et à l'immobilisation relative entre les deux pièces. En effet, un véhicule stationné sur une base sous-marine ne peut pas pivoter par rapport à cette base et est positionnée de manière déterminée par rapport à elle.

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 un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- la figure 1 représente le principe de dispositif de transmission de puissance par induction selon l'art antérieur ;

- la figure 2 représente le principe de dispositif de transmission de puissance par induction selon l'invention en monophasé ;

- la figure 3 représente schématiquement un mode de réalisation de l'invention pour un courant triphasé représenté sans bobinages ;

- la figure 4 représente les éléments ferromagnétiques du mode de réalisation avec deux bobinages représentés;

- la figure 5 représente les lignes de flux magnétique dans les éléments ferromagnétiques du mode de réalisation du dispositif selon l'invention, sur une section des éléments ferromagnétiques.

Description détaillée d'un mode de réalisation

La figure 2 décrit schématiquement le principe selon l'invention qui évite la présence d'un certain nombre d'équipements électroniques pour réaliser les conversions de courant et de fréquence.

Sur cette figure, la transmission d'une puissance électrique alternative monophasée (pAC de fréquence inférieure à 2 kHz est décrite. Le courant est amené directement au niveau d'un bobinage Bl sans modification de la fréquence. Le bobinage Bl est enroulé autour d'une colonne Cil d'un élément ferromagnétique Fl, cette colonne formant une branche du circuit ferromagnétique. L'élément ferromagnétique Fl a la forme générale d'un C. En face de cet élément ferromagnétique Fl, est placé un élément ferromagnétique F2 identique à l'élément Fl et autour duquel est enroulé un bobinage B2. Typiquement, les éléments ferromagnétiques sont constitués de tôles découpées puis pressées les unes sur les autres. L'ensemble des tôles ainsi rassemblées constituent alors l'élément ferromagnétique. Cette technique de fabrication est connue pour la fabrication des transformateurs dans lesquels le circuit magnétique est construit pour être fermé sans entrefer et sans aucune possibilité de dissociation/assemblage. Les circuits primaire et secondaire comprennent chacun un bobinage Bl pour le circuit primaire et, respectivement B2 pour le circuit secondaire et un élément ferromagnétique Fl pour le circuit primaire et F2 pour le circuit secondaire.

Les éléments ferromagnétiques sont tels que les bobinages Bl et B2 sont respectivement enroulés autour d'une colonne Cil et C21 de l'élément ferromagnétique correspondant.

Les deux éléments ferromagnétiques Fl et F2 sont séparés seulement par un une discontinuité mineure. Ils forment alors, dans cette position, un circuit magnétique fermé le long duquel circule le flux magnétique engendré par la présence d'un champ magnétique créé au sein du bobinage Bl dès lors qu'un courant y circule. Le champ induit des courants au sein du bobinage B2. Ce sont ces courants induits qui permettent le transfert de la puissance électrique.

La figure 3 présente un mode de réalisation dans lequel les deux éléments ferromagnétiques et leurs bobinages présentent une structure ayant des analogies avec la structure d'un moteur à stator/rotor asynchrone ou synchrone triphasé. On note cependant ici que les pôles de chaque phase de la pièce maie ne sont pas court-circuités mais connectés de manière spécifique aux fils de sortie de la pièce du connecteur afin d'être connectés à la source ou à la charge en fonction du rôle, primaire ou secondaire, de la pièce au sein du connecteur.

Une pièce femelle, qui est désigné comme la pièce primaire PI dans l'exemple de la figure 3, comprend, pour cela, un élément ferromagnétique Fl de forme globalement cylindrique sur la face interne duquel sont ménagées des colonnes radiales, ici douze colonnes C12 à C112, longitudinales et qui suivent l'axe du cylindre. Dans les faits, les colonnes sur lesquelles s'appuie l'enroulement des bobinages sont définies par autant d'encoches Eli (respectivement E2i) que de colonnes Cli (respectivement C2i) dans le contour de la pièce PI (respectivement P2). On remarque qu'avantageusement les encoches sont telles que les colonnes présentent une structure en forme de T sur la section perpendiculaire à l'axe des pièces mâle et femelle. Cette structure en forme de T présente le double avantage de maintenir les enroulements en fond d'encoche et de diminuer les lignes de fuite.

Ces colonnes radiales Cil à Cl 12 permettent ici l'enroulement de six bobinages à la manière utilisée dans la fabrication des moteurs asynchrone triphasés à deux paires de pôles.

De manière générale, les bobinages sont assemblés dans les encoches de manière à produire une ou plusieurs paires de pôles par phase. L'enroulement des bobinages sur la pièce primaire PI est illustré schématiquement sur la figure 4 qui montre les trajets, représentés en tirets de trois bobinages Bll, B12 et B13 enroulés chacun autour d'une première colonne Cli et d'une autre colonne Cli+2. Les bobinages B11,B12,B13 des trois phases sont en effet enroulés en se chevauchant. Le bouclage d'un premier bobinage passant entre la colonne Cli-1 et Cli est alors réalisé trois colonnes plus loin entre la colonne Cli+2 et Cli+3. Cela reviendrait à boucler chaque bobinage en utilisant les encoches Ei et Ei+3. Une fois 2+2+2=6 encoches successives utilisées pour enrouler trois bobinages, la moitié des encoches, située toutes d'un même côté de la pièce, est remplie. Le processus d'enroulement est alors recommencé avec trois nouveaux bobinages qui représente chacun le second pôle pour chacune des phases qui s'enroulent sur les six encoches restantes de l'autre côté de la pièce d'une manière similaire à celle décrite ci-avant.

La pièce mâle, qui est ici désignée en tant que pièce secondaire P2, est, quant à elle, de forme globalement cylindrique également, éventuellement creuse pour améliorer les échanges de chaleur avec le milieu extérieur. Elle est munie, sur sa face externe, du même nombre de colonnes radiales, longitudinales, qui suivent l'axe du cylindre que la pièce primaire Pl. Six bobinages y sont également enroulés à la manière présentée schématiquement sur la figure 4.

Les deux éléments ferromagnétiques Fl et F2 sont séparés par un entrefer noté EF et représenté schématiquement sous la forme d'un cylindre. Dans ce cylindre EF, se situent les épaisseurs des matériaux étanches enveloppant les deux pièces, non représentés sur la figure 3, et le jeu indispensable pour l'assemblage. Eventuellement, les deux pièces comprendront un élément ou plusieurs de détrompage permettant d'aligner les colonnes en face à face. Typiquement un ergot dépassant de la pièce secondaire P2 sera destiné à être engagé dans une encoche pratiquée dans la pièce Pl. On note ici qu'une seule encoche pourra être présente assurant que le positionnement soit toujours exactement le même. Cependant, on note ici qu'un nombre inférieur ou égal à douze d'encoches pourra également être pratiqué sur la pièce PI, ces encoches assurant une pluralité de positionnements possibles où, cependant les colonnes des deux pièces PI et P2 seront alignées.

Néanmoins, comme le champ obtenu avec les trois phases est un champ magnétique tournant, le positionnement en alignement des pièces n'est pas indispensable. Il est d'ailleurs en général avantageux que l'assemblage des deux pièces puisse être réalisé dans n'importe quelle position angulaire.

Néanmoins, un léger décalage entre les colonnes ne grevant pas les performances globales de la transmission de puissance, cela ne s'avère pas utile dans la plupart des cas pour seulement réaliser le transfert d'énergie.

Encore, on remarque ici que, dans le cas de l'utilisation d'un connecteur selon l'invention dans un contexte où chacune des pièces mâle et femelle est accrochée de manière fixe aux deux objets devant être connectés, l'utilisation d'un tel détrompeur est inutile. En effet, quand le connecteur est installé sur un véhicule autonome ou système mobile sous-marin d'une part et une base sous- marine d'autre part, l'unicité du positionnement du véhicule ou système mobile sur la base fait que l'usage d'un détrompeur est superflue. En outre ce positionnement unique est généralement assuré par des éléments permettant de bloquer le véhicule ou système mobile en position. La rotation de la pièce attachée fixe au véhicule ou système mobile par rapport à la base sur laquelle l'autre pièce est attachée fixe est alors empêchée. La structure, cependant comparable à celle d'un moteur stator/rotor, ne peut alors donner lieu au déclenchement d'un mouvement relatif d'une des pièces par rapport à l'autre.

Dans la réalisation des figures 3 et 4, le dispositif de connexion est tel que chaque phase est associée à deux paires de pôles. Cela implique la présence de six bobinages répartis sur le contour des éléments ferromagnétiques Fl et F2.

Lorsqu'un courant alternatif triphasé circule dans les paires de pôles associées chacune à une phase, on remarque que le flux magnétique modifié en permanence suit des lignes de champ traversant les discontinuités mineures au niveau de l'entrefer entre les pièces PI et P2. C'est alors les variations du flux magnétique qui génèrent les courants induits au sein des bobinages de la pièce secondaire P2. Des mesures réalisées sur un prototype décrit par la figure 5 ont montré que, même lorsque les colonnes de la pièce P2 sont parfaitement alignées avec les interstices de la pièce PI, la puissance transmise varie peu du fait du champ tournant.

La figure 5 montre les répartitions des flux magnétiques à un instant donné pour un dispositif de connexion selon le second mode de réalisation. On voit bien que le flux magnétique traverse l'entrefer au niveau des diverses discontinuités du circuit magnétique constitué par les deux éléments ferromagnétiques Fl et F2. La fermeture du circuit magnétique obtenue grâce à la forme particulière des éléments ferromagnétiques dont sont munis chacune des pièces permet l'établissement du champ magnétique pour des fréquences basses du signal inférieures à 2 kHz.

On remarque enfin que diverses mises en œuvre peuvent être réalisées selon les principes de l'invention.