Titre : DISPOSITIF D'INDUCTION ELECTROMAGNETIQUE DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un dispositif d'induction électromagnétique.

Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif d'induction électromagnétique qui comprend des moyens de prélèvement conférant à un bobinage primaire un comportement de deux inductances en série.

Le dispositif d'induction électromagnétique selon la présente invention est avantageusement mis en œuvre dans un transformateur de puissance, notamment un transformateur de puissance dans le domaine automobile, et plus particulièrement pour la charge des véhicules automobiles électriques.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

On observe depuis quelques années, un essor important des véhicules électriques.

Ces derniers mettent en œuvre une batterie qui délivre la puissance nécessaire à la traction du véhicule, et dont la charge est effectuée lors de phase du véhicule considéré.

Cette charge, exécutée au niveau de bornes de chargement qui délivrent un courant alternatif, nécessite l'emploi d'un convertisseur AC-DC.

Toutefois, compte tenu du volume que ces derniers sont susceptibles d'occuper dans les bornes de chargement, les constructeurs envisagent de les intégrer dans les véhicules automobiles.

Cette solution permet d'envisager un interfaçage du convertisseur AC- DC avec l'électronique embarqué du véhicule automobile.

Plus particulièrement, un échange d'informations, par des moyens de communication adaptées, peut être mis en œuvre entre le convertisseur AC-DC et les différentes organes du véhicule et notamment le système de gestion de la batterie. Le convertisseur AC-DC peut bénéficier de la connectivité avec l'extérieur pour assurer divers services tels que le « smart charging », le positionnement géographique pour adapter le « grid code », ...

Il est donc préférable que les convertisseurs AC-DC répondent à des contraintes spécifiques et notamment présentent un volume réduit, par exemple en mettant en œuvre un noyau magnétique fonctionnant à relativement haute fréquence.

Il est également envisagé de rendre les convertisseurs AC-DC bidirectionnels et ainsi ouvrir la voie à un stockage de et/ou une distribution d'énergie par la ou les batteries des véhicules électriques.

Un tel agencement permettrait alors de pallier, en partie, les insuffisances du réseau électrique sur lequel lesdits véhicules sont connectés lors de phases de surproduction d'énergie et/ou de pics de consommation.

Un convertisseur AC-DC bidirectionnel nécessite toutefois un agencement particulier permettant de le rendre plus silencieux.

Enfin, l'agencement proposé doit également répondre à une problématique de rendement de manière à limiter les pertes électriques lors de la conversion du courant.

À ces fins, au moins deux topologies de convertisseurs (décrites dans le document [1] cité à la fin de la description) dites, respectivement, de type LLC (convertisseur résonnant illustré à la figure 1) et de type DAB (pour « Dual Active Bridge », illustré à la figure 2) ont pu être proposées.

La topologie LLC est notamment basée sur l'intégration d'un étage de type résonant (« résonant tank » selon la terminologie anglo-saxonne), et comprend un transformateur associé à des condensateurs, de capacité 2C et des inductances montées en « série ».

Les inductances et les condensateurs sont ajustés pour fonctionner en résonnance à une fréquence proche de la fréquence nominale de commutation des commutateurs. Le transformateur est également agencé pour permettre l'isolation galvanique des circuits d'entrée et de charge, et l'adaptation de la valeur de tension appliquée aux bornes de la charge.

Il comprend notamment un bobinage primaire et un bobinage secondaire formés autour d'un noyau magnétique, avec un rapport de nombre de tours n égal au rapport des tensions d'entrée et de charge.

Dans une configuration LLC équilibrée, les composants série résonants sont dupliqués de part et d'autre du même enroulement. L'inductance magnétisante du transformateur Lm, fonction du nombre de tours du bobinage primaire et de la géométrie du noyau, est, dans le cas de la topologie LLC, déterminée précisément pour assurer le réglage du gain du convertisseur.

La topologie DAB comprend quand-à elle des bras placés de part et d'autre du transformateur dépourvus de capacité. Les inductances en série ont pour fonction de faire transiter la puissance.

L'inductance magnétisante du transformateur n'est plus contrainte à une valeur donnée en topologie DAB, et doit seulement être assez élevée pour obtenir un bon taux d'utilisation. Toutefois, dans cette topologie bidirectionnelle, il est préférable de mettre en œuvre 4 inductances montées en série avec le transformateur de façon à avoir un circuit le plus symétrique possible et ainsi limiter les perturbations de mode commun à très faible niveau qui réduisent de fait la taille du filtrage en entrée.

Les inductances, typiquement de l'ordre de 1 à 10 mH, et montées en série avec le transformateur dans les topologies LLC et DAB, sont, dans l'état de la technique, des composants de type discrets, placés à l'extérieur du transformateur.

Ces composants occupent en général un volume important que l'on cherche à réduire en les intégrant dans le cœur du transformateur.

Le document [2] cité à la fin de la description propose de mettre à profit l'inductance de fuite naturelle du transformateur comme inductance série tel qu'illustré à la figure 3. L'inductance de fuite caractérise, notamment, la part du flux magnétique crée par le bobinage primaire du transformateur et qui ne traverse pas le bobinage secondaire.

Cette inductance de fuite est représentative d'un fonctionnement non idéal du transformateur, et est à la source d'une distribution d'une partie du flux magnétique autour du composant considéré.

L'inductance de fuite est généralement faible (inférieure à 1 microHenry, mH), et sont évaluation est difficile à prévoir.

Aussi, afin d'augmenter la valeur de l'inductance de fuite, il est proposé dans le document [3] de ménager un espace entre le premier bobinage et le second bobinage.

Cet agencement ne permet toutefois de créer qu'une seule inductance série dans le transformateur, et ne peut donc être mise en œuvre dans les configurations LLC ou DAB équilibrées.

Par ailleurs, l'espacement créé entre le premier bobinage et le second bobinage tend à faire croître le volume du transformateur.

En outre, les fuites magnétiques autour du bobinage contraignent son implantation en interdisant la présence de tout élément conducteur à proximité pour ne pas y induire de courants de Foucault, ce qui augmente significativement le volume du convertisseur.

Le document [3] cité à la fin de la description propose d'introduire un bobinage supplémentaire autour du noyau, tel qu'illustré à la figure 3.

En particulier, le bobinage supplémentaire est destiné à créer dans le noyau une inductance intégrée grâce à la circulation d'un flux magnétique selon une direction identique ou différente de celle du flux principal.

L'augmentation du volume du noyau reste limitée tant qu'un seul bobinage supplémentaire est considéré.

Toutefois, cette configuration n'offre que peu de flexibilité quant à l'ajustement du circuit magnétique, en termes de longueur et de section, pour réaliser l'inductance série. Un but de la présente invention est donc de proposer un transformateur pourvu d'une inductance de fuite contrôlée et qui n'induit une augmentation de volume notable.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

Le but de la présente invention est atteint par un dispositif d'induction électromagnétique comprenant :

- un noyau ferromagnétique comprenant une pluralité de jambes essentiellement parallèles entre elles, et s'étendant chacune entre deux extrémités, la pluralité de jambes comprenant au moins une jambe principale, au moins une jambe latérale et au moins deux jambes de fuites ;

- au moins un bobinage primaire et au moins un bobinage secondaire, comprenant chacun une section principale, enroulée autour de la jambe principale, et une section de fuite, dites respectivement section de fuite primaire et section de fuite secondaire enroulées chacune sur une jambe de fuite différente.

Selon un mode de mise en œuvre, le noyau comprend deux plaques, dites respectivement plaque inférieure et plaque supérieure, se faisant face chacune selon une face interne, dites respectivement face interne inférieure et face interne supérieure, et entre lesquelles s'étend la pluralité de jambes.

Selon un mode de mise en œuvre, chacune des jambes parmi la pluralité de jambe présente un entrefer.

Selon un mode de mise en œuvre, l'entrefer de chacune des au moins deux jambes de fuites, dit entrefer de fuite, et supérieur ou égale, de préférence strictement supérieur, aux entrefers des autres jambes.

Selon un mode de mise en œuvre, les entrefers de l'au moins une jambe principale, et de l'au moins une jambe latérale sont égaux.

Selon un mode de mise en œuvre, un plan équidistant des deux faces internes forme un plan de symétrie du noyau.

Selon un mode de mise en œuvre, une saignée est formée sur l'une et l'autre des faces internes, à distance et entourant au moins en partie chacune des deux extrémités de chaque jambe de fuite, la saignée s'interposant entre la jambe de fuite et la jambe principale.

Selon un mode de mise en œuvre, les jambes de la pluralité de jambes sont cylindriques.

Selon un mode de mise en œuvre, l'au moins une jambe principale comprend une unique jambe principale, l'au moins une jambe latérale comprend quatre jambes latérales disposées régulièrement autour de la jambe principale.

Selon un mode de mise en œuvre, l'au moins deux jambes de fuites comprend quatre jambes de fuites disposées régulièrement autour de la jambe principale, avantageusement l'ensemble des jambes de fuites présente un décalage angulaire de 45° par rapport aux jambes latérales.

Selon un mode de mise en œuvre, la section de fuite primaire comprend deux sections de fuites primaires de sorte que le bobinage primaire comprenne dans l'ordre une des sections de fuites primaire, la section principale, et l'autre section de fuites primaire, les sections de fuites primaires étant enroulées chacune autour d'une jambe de fuites différente et diamétralement opposées.

Selon un mode de mise en œuvre, la section de fuite secondaire comprend deux sections de fuites secondaires de sorte que le bobinage primaire comprenne dans l'ordre une des sections de fuites secondaires, la section principale, et l'autre section de fuites secondaire, les sections de fuites secondaires étant enroulées chacune autour d'une jambe de fuites différente et diamétralement opposées.

Selon un mode de mise en œuvre, l'au moins une jambe principale comprend trois jambes principales confondues avec l'au moins une jambe latérale, chaque jambe principale étant associée avec un jeu de deux jambes de fuites qui lui est propre.

Selon un mode de mise en œuvre, les trois jambes principales sont disposées régulièrement autour d'un axe principal qui leur est parallèle.

Selon un mode de mise en œuvre, les deux jambes de fuites du jeu de jambes donné sont diamétralement opposées par rapport à la jambe principale qui leur est associée. Selon un mode de mise en œuvre, les deux jambes de fuites du jeu de jambes sont disposées symétriquement par rapport à un plan passant par l'axe principal.

L'invention concerne également pourvu du dispositif selon la présente invention.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un dispositif d'induction électromagnétique selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

La figure 1 est une représentation schématique en composantes discrètes d'un transformateur en topologie LLC connu de l'état de la technique ;

La figure 2 est une représentation schématique en composantes discrètes d'un transformateur en topologie DAB connu de l'état de la technique ;

La figure 3 est une représentation schématique d'un bobinage primaire et d'un bobinage secondaire concentriques formés autour d'une section d'un noyau connu de l'état de la technique ;

La figure 4 est une présentation schématique selon une vue en perspective d'un dispositif d'induction électromagnétique selon une première variante de la présente invention ;

Les figures 5A et 5B sont des représentations schématiques des blocs inférieur et supérieur d'un noyau susceptible d'être mis en œuvre dans cette première variante ;

La figure 6 est une vue en perspective d'un bloc, notamment le bloc inférieur, illustrant la mise en œuvre de saignées ;

La figure 7 est une vue en perspective d'un bloc, notamment le bloc inférieur, illustrant l'agencement du bobinage principal et du bobinage secondaire ;

La figure 8 représente deux vues d'un bloc illustrant les caractéristiques géométriques dudit bloc en relation avec le tableau 2 ; La figure 9 est une représentation schématique d'un bloc, notamment le bloc inférieur, illustrant le positionnement des différentes jambes dans le cadre d'une seconde variante de la présente invention ;

La figure 10 est une représentation d'un schéma électrique équivalent du dispositif représenté à la figure 4 ;

La figure 11 est une représentation schématique d'un bloc et de l'agencement de l'ensemble des bobinages.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Le dispositif d'induction électromagnétique, selon la présente invention, comprend un noyau ferromagnétique pourvu d'une jambe principale et d'au moins deux jambes de fuite.

En particulier, le dispositif d'induction électromagnétique comprend deux bobinages enroulés pour partie autour de la jambe principale, et, pour partie, chacun autour d'une jambe de fuite différente.

Cet agencement permet de conférer à chacun des bobinages un comportement d'inductances connectées en série, et notamment une inductance magnétisante en série avec au moins une inductance, dite inductance de fuite.

La figure 4 est une représentation schématique du dispositif d'induction électromagnétique 1000.

Le dispositif 1000 comprend un noyau 2000, et plus particulièrement un noyau fait d'un matériau ferromagnétique.

Le matériau ferromagnétique peut être fritté et notamment comprendre au moins un matériau choisi parmi : MnZn, NiZn.

Le noyau ferromagnétique comprenant une pluralité de jambes essentiellement parallèles entre elles, et s'étendant chacune entre deux extrémités.

La pluralité de jambes comprend au moins une jambe principale, au moins une jambe latérale et au moins deux jambes de fuites. Par « jambe », on entend une section qui présente une forme allongée. La jambe peut alors prendre la forme d'un barreau, notamment un barreau de section transversale cylindrique.

Les jambes peuvent être cylindriques.

La jambe principale 2100 s'étend longitudinalement entre ses deux extrémités 2110 et 2120 (figures 5a et 5b).

Le noyau 1000 peut comprendre deux plaques dites, respectivement, plaque inférieure 2500 et plaque supérieure 2510, essentiellement parallèles entre elles, et se faisant face chacune selon une de leur face dites, respectivement, face interne inférieure 2500a et face interne supérieure 2510a.

La plaque inférieure 2500 et la plaque supérieure 2510 sont avantageusement perpendiculaires à la pluralité de jambes.

De manière avantageuse, la jambe principale, l'au moins une jambe latérale et l'au moins deux jambes de fuites peuvent comprendre un entrefer (« air gap » selon la terminologie Anglo-Saxonne) noté, respectivement, entrefer principal, entrefer latéral et entrefer de fuite.

La présence d'un entrefer sur chacune des jambes de la pluralité de jambes permet de considérer un noyau fait de deux blocs symétriques d'un de l'autre, dits respectivement bloc inférieur et bloc supérieur. Chacun des blocs comprend une des plaques 2500 ou 2510, et les demi-jambes de la pluralité de jambes.

Dans toute la suite de la description, quelle que soit la variante considérée, il sera admis que chacune des jambes comprend un entrefer.

Selon une première variante illustrée aux figures 5a et 5b, le dispositif comprend une unique jambe principale 2100, par exemple en position centrale par rapport aux deux plaques 2500 et 2510.

L'au moins une jambe latérale comprend quatre jambes latérales 2201, 2202, 2203 et 2204 disposées régulièrement autour de la jambe principale.

Les au moins deux jambes de fuite comprennent quatre jambes de fuites 2301, 2302, 2303, et 2304 disposées régulièrement autour de la jambe principale. De manière avantageuse, l'ensemble des jambes de fuites présente un décalage angulaire de 45° par rapport aux jambes latérales.

Selon cette première variante, le dispositif comprend un unique bobinage primaire 3000 et un unique bobinage secondaire 4000 (figure 7).

Le premier bobinage 3000 comprend une section principale 3000a enroulée autour de la jambe principale et deux sections de fuite primaire dites, respectivement, première section de fuite primaire 3000b et seconde section de fuite primaire 3000c enroulées chacune autour de deux jambes de fuite différentes.

En particulier, la première section de fuite primaire 3000b et la seconde section de fuite primaire 3000c sont enroulées autour de deux jambes de fuites diamétralement opposées.

Le second bobinage 4000 comprend une section secondaire 4000a enroulée autour de la jambe principale et deux sections de fuite secondaires dites, respectivement, première section de fuite secondaire 4000b et seconde section de fuite secondaire 4000c enroulées chacune autour de deux jambes de fuite différentes.

Il est entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que les jambes de fuite autour desquelles sont enroulées les deux sections de fuite secondaire sont différentes des jambes de fuites autour desquelles sont enroulées les deux sections de fuite primaires.

En particulier, la première section de fuite secondaire 4000b et la seconde section de fuite secondaire 4000c sont enroulées autour de deux jambes de fuites diamétralement opposées.

Ainsi, tout flux magnétique, dit flux inducteur, généré par l'une ou l'autre de la section primaire 3000a et de la section secondaire 4000a, circule dans l'autre desdites sections. En d'autres termes, la section primaire 3000a et la section secondaire 4000a assurent la fonction principale du transformateur, à savoir la conversion de la tension.

Les sections de fuites primaires 3000b, 3000c et les sections de fuites secondaires 4000b, 4000c jouent le rôle d'inductances de fuite. Selon cet agencement, chacun des bobinages reproduit le comportement de trois inductances en série, dites, respectivement, inductance de fuite Lr et inductance magnétisante Lm.

À cet égard, l'inductance magnétisante détermine le rapport de transformation (ou le gain) entre la tension au niveau d'un bobinage et la tension de sortie au niveau de l'autre bobinage. Les inductances de fuite permettent quant à elles d'emmagasiner de l'énergie électromagnétique et de la restituer le moment venu. En d'autres termes, l'inductance de fuite fait transiter la puissance.

Le schéma électrique équivalent relatif au dispositif de la figure 4 est représenté à la figure 10. Ce dernier comprend notamment l'inductance magnétisante Lm en série avec deux inductances de fuite Lr.

En fonctionnement, un courant circule dans l'un des bobinages, par exemple le premier bobinage.

Sous l'effet de ce courant, un flux magnétique, dit flux magnétisant, généré par la section principale traverse également la section secondaire 4000a, et forme une boucle magnétique dans le noyau 2000 par exemple en formant des boucles magnétiques circulant dans les jambes latérales et les jambes de fuite.

Le noyau peut toutefois comprendre un agencement destiné à favoriser la circulation du flux magnétisant dans les jambes latérales 2201, 2202, 2203 et 2204 plutôt que dans les jambes de fuites 2301, 2302, 2303, et 2304.

À cette fin, l'entrefer de fuite peut être supérieur aux entrefers latéraux.

De manière alternative ou complémentaire, une saignée 2301a, 2302a, 2303a et 2304a peut être formée sur l'une et l'autre des faces internes, à distance et entourant au moins en partie chacune des deux extrémités de chaque jambe de fuite, la saignée s'interposant entre la jambe de fuite et la jambe principale (figure 6).

La section suivante présente un exemple de dimensionnement du dispositif décrit en relation avec la figure 4.

Notamment, le tableau 1 rassemble les spécifications d'un transformateur de type « DAB » présentant une fréquence de résonnance de 500 kHz, et comprenant le dispositif d'induction électromagnétique selon la présente invention.

Le tableau 2 rassemble les caractéristiques du dispositif d'induction électromagnétique permettant de respecter les spécifications rassemblées dans le tableau 1 (les cotes sont représentées à la figure 8).

Le principe exposé dans la première variante être adapté et mis en œuvre dans le cadre d'une seconde variante pour la réalisation d'un dispositif d'induction électromagnétique multiphasé, et notamment triphasé.

La figure 9 illustre à cet égard un exemple de mise en œuvre d'un dispositif d'induction triphasé.

Cet exemple de mise en œuvre peut reprendre pour l'essentiel les éléments relatifs à la première variante.

Selon cette seconde variante, le noyau comprend trois jambes principales 2101, 2102, et 2103, et est dépourvu de jambes latérales.

Les trois jambes principales peuvent être disposées régulièrement autour d'un axe, dit axe principal XX', qui leur est parallèle. Par ailleurs, chaque jambe principale 2101, 2102, et 2103 est associée à deux jambes de fuite 2305a, 2305b, 2306a, 2306b, 2307a, 2307b, 2308a et 2308b ainsi qu'à un bobinage primaire 3001, 3002 et 3003 et un bobinage secondaire 4001, 4002, 4003 qui lui sont propres.

Plus particulièrement, une jambe principale, les deux jambes de fuite et les bobinages primaire et secondaire forment une phase du dispositif d'induction électromagnétique 1000.

Pour chacune des phases, le premier bobinage 3001, 3002 et 3003 comprend une section principale 3001a, 3002a et 3003a enroulée autour de la jambe principale et une section de fuite primaire 3001b, 3002b et 3003b enroulée autour d'une jambe de fuite (figure 11).

De manière équivalente, le second bobinage 4001, 4002, 4003 comprend une section secondaire 4001a, 4002a, 4003a enroulée autour de la jambe principale et une section de fuite secondaire 4001b, 4002b, 4003b enroulée autour de l'autre jambe de fuite (figure 11).

Il est entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que la jambe de fuite autour de laquelle est enroulée la section de fuite secondaire est différente de la jambe de fuite autour de laquelle est enroulée la section de fuite primaire.

Ainsi, tout flux magnétique, dit flux inducteur, généré par l'une ou l'autre de la section primaire 3001a, 3002a et 3003a et de la section secondaire 4001a, 4002a, 4003a, circule dans l'autre desdites sections. En d'autres termes, la section primaire 3001a, 3002a et 3003a et la section secondaire 4001a, 4002a, 4003a assurent la fonction principale du transformateur, à savoir la conversion de la tension.

L'absence de jambes latérales impose au flux magnétique créé au niveau d'une jambe principale de circuler dans l'une et/ou l'autre des deux autres jambes principales.

La conception du noyau selon la présente invention peut faire appel à une technique de moulage par injection (« PIM » ou « Powder Injection Molding » selon la terminologie Anglo-Saxonne). Cette technique est particulièrement bien adaptée pour la production de pièces en grande série. Le moulage par injection met en œuvre dans un premier temps une étape de formation d'un mélange maître (« feedstock » selon la terminologie Anglo- Saxonne).

Le mélange-maître comprend en particulier un mélange de matière organique (ou liant polymérique) et des poudres inorganiques (métalliques ou céramiques) destinées à former la pièce finale.

Le mélange-maître est injecté dans une presse à injecter, dont la technologie est connue de l'homme du métier. La presse à injecter permet de faire fondre les polymères injectés avec la poudre dans une cavité, et conférer à ladite poudre la forme désirée.

Le mélange-maître, ainsi mis en forme et fondu, est soumis à un refroidissement de manière à le solidifier et le figer dans une forme imposée par la presse à injecter.

La pièce formée par le mélange-maître est alors démoulée, et déliantée afin d'éliminer la matière organique.

La pièce peut ensuite être consolidée par frittage.

L'invention concerne également un transformateur (en particulier un transformateur de type « DAB ») pourvu du dispositif d'induction électromagnétique selon la présente invention.

REFERENCES

[1] Inoué, "A Bidirectional DC-DC Converter for an Energy Storage System With Galvanic Isolation", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.: 22, No.: 6 , 2007,

[2] Mingkai Mu et al., « Design of Integrated Transformer and Inductor for High Frequency Dual Active Bridge GaN Charger for PHEV », IEEE Applied Power Electronics

Conférence and Exposition, pages 579-585, 15-19 March 2015,

[3] US 6,320,490.