DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

La présente invention se rapporte à un noyau d'inductance pour la réalisation d'inductances particulièrement pour la fabrication de composants passifs dans le domaine de l'électronique de puissance, notamment à fréquences élevées comprises par exemple entre 100 kHz et 10 MHz.

Une inductance comporte un noyau et un conducteur électrique disposé selon n spires autour d'une partie du noyau. Le noyau est constitué d'un matériau ferromagnétique caractérisé par une perméabilité magnétique relative μ. En fonctionnement, les spires sont parcourues par un courant électrique alternatif générant une induction magnétique de même fréquence dans le noyau.

Une telle inductance est par exemple utilisée dans un convertisseur de puissance, qui est un dispositif électronique ayant pour fonction d'adapter la tension et le courant délivrés par une source de puissance électrique pour alimenter, selon les spécifications, un réseau de distribution ou un système électrique donné.

Le convertisseur comprend des composants électroniques fonctionnant comme des interrupteurs (composant actifs) commutant à une fréquence donnée. Dans le cas des convertisseurs DC/DC par exemple, les composants actifs sont des transistors qui sont utilisés pour « découper » la tension d'entrée selon des cycles réguliers. Afin de délivrer une tension continue en sortie, des inductances sont utilisées pour stocker et déstocker l'énergie électrique sur chaque cycle et pour lisser la tension de sortie à sa valeur moyenne. Ces éléments dits «passifs» sont indispensables dans le fonctionnement des convertisseurs, mais ils peuvent représenter jusqu'à 40 % du volume et du coût du convertisseur.

On peut réaliser des convertisseurs fonctionnant à haute fréquence, par exemple supérieure à 1 MHz grâce à l'utilisation du matériau GaN qui permet de réaliser des transistors pouvant commuter à très haute fréquence. En théorie, la montée en fréquence est particulièrement intéressante car elle permettrait de réduire le volume des composants passifs des convertisseurs et donc leur encombrement, la masse et le coût de ces dispositifs. En effet, en augmentant la fréquence de découpage, le nombre de cycles électriques augmentent et ainsi l'énergie transférée par le noyau magnétique en un temps donné augmente dans la même proportion. Comme la puissance du convertisseur reste constante, on peut théoriquement réduire le volume des inductances magnétiques de façon inversement proportionnelle à la fréquence.

Or les inductances compatibles avec un fonctionnement à des fréquences comprises entre 100 kHz et 10 MHz ont des valeurs d'inductance comprises entre 1 μΗ et 10 mH. Les inductances les mieux adaptées sont les inductances monolithiques en matériau ferromagnétique. Ce matériau se caractérise par une perméabilité magnétique relative μ _Γ > 50 et une induction Bs > 100 mT.

Les matériaux oxydes de type ferrite de structure cristallographie spinelle présentent des valeurs de perméabilité stables à haute fréquence. Pour cette raison, ils sont très largement utilisés comme noyaux d'inductance, notamment pour des fonctionnements à fréquence élevée comprise entre 100 kHz et 10 MHz. Les formulations les plus courantes sont (Mnl-xZnxFe204) et (Nil-xZnxFe204). Ces matériaux se caractérisent également par des valeurs de résistivités électriques élevées limitant les pertes par courants induits.

Or ces matériaux ferromagnétiques sont le siège de processus de dissipation d'énergie appelés également pertes magnétiques. Ces pertes magnétiques sont dissipées sous forme de chaleur en tout point du volume du noyau.

Par ailleurs, un courant dans les spires crée un champ magnétique et une induction variable de même fréquence que celle du courant comportant une composante continue et une composante variable.

La valeur crête de l'induction variable peut s'écrire :

ΔΒ

B - B _DC + ^~

Avec BDC la composante continue et ΔΒ/2 est la moyenne entre les deux extrema de la composante variable. Or les pertes magnétiques augmentent avec la fréquence et avec la valeur crête de l'induction magnétique.

Une technique pour réduire les pertes magnétiques est alors de réduire la valeur crête de l'induction magnétique.

Une première solution consiste à générer une polarisation magnétique par circulation d'un courant continu autour du noyau. L'intensité du courant continu est déterminée par application du théorème d'ampère de manière à créer une valeur d'induction constante et de signe opposé à la composante continue BDC fixée par le convertisseur. Une telle solution est décrite dans le document US 6 388 896. Cette solution présente un certain encombrement et un certain surcoût. Par exemple, pour des noyaux de petites dimensions, la place n'est pas toujours disponible pour réaliser le bobinage supplémentaire.

Une seconde solution consiste à générer une polarisation magnétique au moyen d'aimants insérés dans une zone du noyau ou disposés contre une face du noyau. Les aimants sont disposés de façon à faire circuler le flux magnétique dans le noyau dans la direction opposée au flux magnétique correspondant à la composante continue BDC.

Les documents EP 1187150 et EP 1187151 Al décrivent une telle solution. Le ou les aimants génèrent une force magnéto-motrice permettant la circulation du flux magnétique dans l'ensemble du circuit magnétique.

Cette solution est efficace pour des inductances fonctionnant à basse fréquence et des matériaux de perméabilité magnétique relative élevée par exemple supérieure à 500. Dans ce cas, l'ensemble du flux magnétique produit par l'aimant reste confiné dans le noyau et les pertes de flux sont faibles.

En revanche, les matériaux magnétiques pouvant fonctionner à des fréquences supérieures à 1 MHz, tels que les ferrites NiZn, se caractérisent par des valeurs de perméabilité inférieures à 100. Dans ce cas, le circuit magnétique est l'objet de fuites magnétiques au niveau des aimants, une partie des lignes de flux produites par chaque aimant reboucle directement d'un pôle à l'autre de l'aimant en traversant le milieu environnant sans parcourir l'ensemble du circuit magnétique. L'efficacité de la polarisation magnétique est donc altérée et la valeur de la composante continue de l'induction n'est pas réduite efficacement. De plus, les lignes de flux magnétique rayonnent dans l'environnement du noyau, ce qui peut affecter le fonctionnement d'autres composants du convertisseur. EXPOSÉ DE L'INVENTION

Le but de la présente invention est donc d'offrir un noyau d'inductance adapté à la réalisation d'inductances aptes à fonctionner à fréquence élevée, par exemple > 1 M Hz, et présentant des pertes magnétiques réduites.

Le but énoncé ci-dessus est atteint par un noyau d'inductance comportant un matériau ferromagnétique et au moins un aimant permanent. Le matériau ferromagnétique borde au moins en partie l'aimant de sorte à s'étendre de manière continue le long de la paroi latérale de l'aimant entre ses deux pôles. Du fait de la disposition du matériau ferromagnétique le long de l'aimant entre les pôles, les lignes de flux magnétique sortant du pôle N de l'aimant circulent dans le matériau ferromagnétique jusqu'au pôle S. Une polarisation homogène du matéria u ferromagnétique par l'aimant est alors assurée. I l est alors possible de compenser partiellement ou totalement la composante continue de l'induction de manière plus homogène dans le noyau. Les pertes magnétiques sont alors réduites efficacement.

Lorsqu'un courant circule dans l'enroulement, le noyau est le siège de deux circuits magnétiques, dans l'un circule les lignes de flux magnétique produites par l'enroulement et dans l'autre circule les lignes de flux magnétique générées par le ou les aimants. Les lignes de flux circulent dans des sens opposés.

En d'autres termes, on dispose le matériau ferromagnétique au plus près de l'aimant entre ses pôles sur le chemin naturel des lignes de flux magnétique produites par l'aimant lorsqu'elles rebouclent du pôle nord au pôle sud. On « collecte » donc facilement les lignes de flux. On crée ainsi le chemin le plus court pour les lignes de flux magnétique produites par l'aimant entre le pôle nord et le pôle sud, qui produisent un flux magnétique homogène dans le matériau ferromagnétique. Puisque le flux magnétique produit par l'aimant reboucle directement dans le matéria u ferromagnétique, il ne rayonne pas ou peu vers l'extérieur, le fonctionnement des autres composants est donc peu ou pas perturbé. L'invention est donc adaptée à une mise en œuvre dans des inductances dont le matériau ferromagnétique a une perméabilité magnétique faible, par exemple inférieure à 100, et particulièrement adaptée à un fonctionnement à fréquence élevée.

Dans un exemple de réalisation, le matériau ferromagnétique entoure toute la surface latérale de l'aimant entre les deux pôles.

De manière avantageuse, la dimension de l'aimant entre ses deux pôles est sensiblement égale à la longueur magnétique du noyau, i.e. la dimension du matériau ferromagnétique. Les fuites sont alors faibles.

Dans un autre exemple de réalisation très avantageux, le noyau comporte plusieurs aimants disposés les uns par rapport aux autres de sorte que les pôles de polarités opposées de deux aimants successifs soient en regard, et le matériau ferromagnétique s'étend de manière continue entre tous les aimants. Les lignes de flux circulent alors d'un aimant à l'autre et rebouclent entre le pôle nord du dernier aimant de la succession d'aimants et le pôle sud du premier aimant de la succession d'aimants.

Par exemple, le noyau est de type E et comporte un barreau central muni d'un entrefer, les flux magnétiques formant deux boucles se refermant dans le barreau central. Les aimants sous la forme de barreau sont au moins en partie enterrés dans les parties droites du noyau et s'étendent sur pratiquement toute la longueur des parties droites.

Les lignes de flux magnétique produites par le ou les aimants rebouclent dans le corps du noyau dans un sens opposé aux lignes de flux magnétique dues à la polarisation du noyau par la bobine. La polarisation ainsi générée compense partiellement, de préférence compense totalement, la composante continue de l'induction générée par la circulation du courant dans le conducteur de l'inductance.

De préférence, des zones non magnétiques sont disposées au niveau de deux pôles de deux aimants se suivant afin d'éviter un rebouclage des lignes de flux magnétique avant d'avoir parcouru toute la longueur du circuit magnétique. De manière avantageuse, les zones non magnétiques comportent des cavités traversant le noyau, celles-ci servent alors également à évacuer la chaleur la surface extérieure du noyau. Les cavités sont par exemple remplies d'air, et de manière très avantageuse, sont remplies d'un matériau bon conducteur thermique, isolant électrique et non magnétique tel que l'AIN.

La présente invention a alors pour objet un noyau d'inductance pour inductance magnétique, comportant un corps comprenant un matériau ferromagnétique et un ou plusieurs aimants, dans lequel le ou les aimant(s) forme(nt) au moins en partie un premier chemin de circulation de lignes de flux magnétique produites par le ou les aimants de sorte que le premier chemin comporte à une extrémité un pôle sud, dit pôle sud d'extrémité, et à une autre extrémité un pôle nord, dit pôle nord d'extrémité, et dans lequel le matériau ferromagnétique forme au moins en partie un deuxième chemin de circulation desdits lignes de flux magnétique, dans lequel le matériau ferromagnétique s'étend de manière continue du pôle sud au pôle nord le long du ou des aimants et comportant en regard du pôle sud d'extrémité une zone non magnétique et en regard du pôle nord d'extrémité une zone non magnétique forçant les lignes de flux magnétique sortant du pôle nord d'extrémité à emprunter le deuxième chemin et à reboucler sur le pôle sud d'extrémité, lesdits zones non magnétiques étant dites « zones non magnétiques d'extrémité », de sorte qu'une section transversale du noyau d'inductance, perpendiculaire au lignes de flux comporte à la fois le premier chemin de circulation et le deuxième chemin de circulation.

De préférence, les lignes de flux magnétiques du premier chemin circulent dans un sens opposé à celui des lignes de flux magnétique circulant dans le deuxième chemin.

Dans un exemple de réalisation, chaque aimant comporte une face latérale extérieure entre le pôle sud et le pôle nord, le matériau ferromagnétique étant en contact avec une partie au moins de la surface latérale extérieure de chaque aimant.

Le pôle sud et le pôle nord du premier chemin peuvent appartenir à un aimant unique. De manière avantageuse, le matériau ferromagnétique entoure complètement la surface latérale extérieure de l'aimant, ledit noyau d'inductance comportant deux faces d'extrémité comportant pour l'une le pôle sud et du matériau ferromagnétique et pour l'autre le pôle nord et du matériau ferromagnétique, chaque faces d'extrémité étant en regard d'une zone non magnétique dites zones non magnétiques d'extrémité. Le matériau ferromagnétique peut former un manchon recevant l'aimant et en contact avec la surface extérieure de l'aimant et dans lequel la distance entre les pôles de l'aimant et la longueur magnétique du noyau sont égales ou sensiblement égales, les zones non magnétiques d'extrémité étant formées par de l'air.

Dans un autre exemple de réalisation, le pôle sud et le pôle nord du premier chemin appartiennent à des aimants distincts, les aimants étant disposés de sorte que les pôles de polarités opposées de deux aimants successifs soient en regard ou sensiblement en regard. Les pôles en regard de deux aimants sont avantageusement reliés par des zones de matériau ferromagnétique.

Par exemple, le corps comporte au moins une zone non magnétique, dite zone non magnétique intermédiaire, au niveau de chaque zone de matériau ferromagnétique séparant les pôles en regard de deux aimants de sorte à empêcher les lignes de flux magnétique sortant d'un pôle nord d'un aimant de reboucler directement vers le pôle sud dudit aimant sans empêcher les lignes de flux magnétique de passer d'un pôle à l'autre de deux aimants successifs.

Chaque zone non magnétique intermédiaire peut comporter une cavité. La cavité peut déboucher dans des faces extérieures opposées du corps.

Dans un exemple de réalisation avantageux, la cavité est remplie d'un matériau conducteur thermique et isolant électrique, par exemple en AIN.

Le corps comporte une épaisseur donnée et I esdits aimants peuvent s'étendre sur toute l'épaisseur du corps.

Dans un exemple de réalisation, le corps comporte un cadre rectangulaire et un barreau central disposé transversalement par rapport aux côtés du cadre de plus grande longueur et parallèlement aux côtés du cadre de plus petite longueur. Deux premiers chemins sont délimités dans le cadre et dans le barreau central de manière symétrique par rapport à un plan de symétrie passant par le barreau central et perpendiculaire à un plan moyen du cadre et deux deuxièmes chemins sont délimités dans le cadre et dans le barreau central de manière symétrique par rapport audit plan de symétrie. Le barreau central comporte un entrefer.

Le barreau central peut comporter au moins deux aimants appartenant aux deux premiers chemins.

Par exemple, chaque côté de grande longueur comporte deux aimants de même longueur et chaque côté de petite longueur comportant un aimant, et dans lequel le barreau central comporte un aimant de chaque côté de l'entrefer, de sorte que les deux premiers chemins comportent chacun cinq aimants.

L'entrefer peut être disposé entre le pôle sud d'extrémité et le pôle nord d'extrémité et former les zones non magnétiques d'extrémité.

De manière avantageuse, le et les aimants est ou sont de type lié comportant au moins un matériau magnétique en poudre dispersé dans une matrice en matériau isolant électrique.

Par exemple, le matériau ferromagnétique présente une perméabilité inférieure à 100.

Le matériau ferromagnétique peut être une ferrite spinelle choisie parmi NiZn et MnZn.

La présente invention a également pour objet une inductance comportant un noyau d'inductance selon l'invention et un conducteur enroulé autour d'au moins une partie du noyau.

La présente invention a également pour objet un convertisseur comportant au moins un composant électronique et au moins une inductance selon l'invention.

La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un noyau d'inductance selon l'invention, comportant les étapes :

a) Fournitures d'au moins un aimant,

b) Fabrication d'un corps en matériau ferromagnétique par moulage par injection à partir d'un mélange-maître comportant au moins une poudre ferromagnétique et de la matière organique, de sorte à ménager au moins une cavité pour le montage de l'aimant dans le corps,

c) Montage de l'aimant dans la cavité.

Lors de l'étape b), au moins une cavité peut avantageusement être réalisée pour former une zone non magnétique.

Le procédé peut comporter une étape de mise en place d'un matériau non magnétiques, non conducteur électrique et conducteur thermique dans la cavité formant la zone non magnétique.

Lors de l'étape a), l'aimant est avantageusement un aimant lié. L'aimant peut être par moulage d'un mélange d'au moins une poudre magnétique et d'une matrice polymère.

L'étape b) peut comporter une sous-étape de moulage du mélange- maître, une sous-étape de déliantage et une sous-étape de traitement thermique.

La sous-étape de traitement thermique a avantageusement lieu directement après la sous— étape de déliantage en augmentant la température par rapport à celle du déliantage.

La présente invention a également pour objet un autre procédé de fabrication d'un noyau d'inductance selon l'invention, comportant les étapes :

a') Fourniture d'au moins un aimant,

b') Fabrication d'un corps en matériau ferromagnétique par surmoulage sur l'aimant.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:

- la figure 1A est une vue en coupe longitudinale d'un noyau d'inductance selon un exemple de réalisation,

- la figure 1B est une vue en coupe transversale du noyau de la figure

1A, - la figure 2A est une vue de dessus représentée schématiquement d'une inductance mettant en œuvre un noyau d'inductance selon un autre exemple de réalisation,

- la figure 2B est une vue en perspective d'un demi-noyau de type E, - la figure 3 est une vue en perspective d'un noyau d'inductance selon l'exemple de la figure 2A,

- les figures 4A et 4B sont des représentations graphiques de l'évolution de l'induction magnétique B en mT pour un noyau d'inductance de l'état de la technique et du noyau d'inductance de la figure 3 respectivement en fonction du temps t en ms,

- la figure 5 est une représentation schématique d'un noyau de type E-E de l'état de la technique et des lignes de flux magnétique le parcourant, les lignes de flux étant générées par un courant circulant dans un conducteur enroulé autour du barreau central,

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le noyau d'inductance selon l'invention met en œuvre un ou plusieurs aimants permanents, mais à des fins de simplicité la suite de la description utilisera uniquement le terme « aimant » pour désigner un aimant permanent.

Sur les figures 1A et 1B, on peut voir un exemple de réalisation d'un noyau d'inductance NI selon l'invention comportant un corps 2 de forme cylindrique d'axe longitudinal X à section circulaire, et un aimant 6. Le corps 2 comporte un matériau ferromagnétique 4. Le corps a une section annulaire et délimite en son sein une cavité 8 d'axe longitudinal X. La forme et la section du noyau ne sont pas limitatives, par exemple un corps de section carrée entre dans le cadre de la présente invention.

Le noyau est avantageusement monolithique, i.e. moulé en une seule pièce.

L'aimant 6 s'étend longitudinalement le long de l'axe X et présente une section circulaire. Les pôles sud S et nord N de l'aimant sont situés au niveau des extrémités longitudinales de l'aimant 6. Le diamètre extérieur de l'aimant 6 correspond au diamètre intérieur de la cavité 8, de sorte que l'aimant puisse être disposé dans la cavité 8 et est en contact avec le matériau ferromagnétique 6. La longueur 11 de l'aimant est au moins égale à la longueur 12 du matériau ferromagnétique. Dans l'exemple représenté, la longueur 11 de l'aimant est sensiblement égale à la longueur 12 du matériau ferromagnétique.

On notera que, dans ce cas, les zones de retournement du flux magnétique situées naturellement au droit des pôles de l'aimant sont à l'extérieur du matériau ferromagnétique de façon à permettre un écoulement rectiligne du flux dans le noyau

Le matériau ferromagnétique 4 entoure alors l'aimant 6 sur toute sa longueur et toute sa circonférence. En outre, dans l'exemple représenté l'aimant est en contact avec l'aimant sur toute sa circonférence. Mais une réalisation dans laquelle l'aimant ne serait pas en contact avec le matériau ferromagnétique ne sort pas du cadre de la présente invention.

L'aimant produit des lignes de flux magnétique Fm. Du fait de la disposition relative des pôles de l'aimant et du matériau ferromagnétique, les lignes de flux magnétique circulent du pôle sud S au pôle nord N dans l'aimant 6 puis, grâce au matériau ferromagnétique entourant l'aimant et s'étendant entre le pôle S et le pôle N, elles rebouclent dans le matériau ferromagnétique vers le pôle S. Le sens des lignes de flux magnétique dans le matériau ferromagnétique est opposé à celui des lignes de flux dans l'aimant.

Tous le matériau ferromagnétique est alors polarisé et de manière uniforme par l'aimant.

Lorsque le noyau NI est utilisé pour réaliser une inductance, un conducteur (non représenté) est enroulé autour du noyau. Le conducteur est par exemple en cuivre et comporte pas exemple n spires d'axe longitudinal X.

Un courant circule dans le conducteur, ce qui génère un champ magnétique dans le noyau et donc des lignes de flux magnétique.

En choisissant soit le sens de circulation du courant du conducteur, soit l'orientation de la polarité de l'aimant, les lignes de flux magnétique générées par l'aimant et celles générées par le conducteur circulent en sens opposé. En choisissant par ailleurs la valeur du champ magnétique de l'aimant, il génère une polarisation qui va réduire et avantageusement annuler la composa nte continue de l'induction générée par le courant circulant dans le conducteur.

La valeur crête de l'induction s'écrit :

B = B _DC + (\)

Avec BDC la composante continue et ΔΒ/2 est la moyenne entre les deux extrema de la composante variable.

En annulant BDC grâce à l'aimant, la valeur crête est alors égale à ΔΒ/2, sa valeur est donc réduite.

Or, puisque les pertes magnétiques sont proportionnelles à la valeur crête de l'induction, celles-ci sont réduites ainsi que les pertes thermiques.

La structure du noyau, en particulier la disposition relative du matériau ferromagnétique et de l'aimant, permet d'assurer un rebouclage des lignes de flux magnétique dans le matériau ferromagnétique même dans le cas où le matéria u ferromagnétique présente une perméabilité faible pa r exemple inférieure à 100. En effet, le matériau ferromagnétique est disposé autour de l'aimant sur le passage naturel des lignes de flux magnétique produites par l'aimant et rebouclant du pôle nord au pôle sud. Ainsi, la polarisation du matériau ferromagnétique par le flux magnétique ne nécessite pas de dispositif spécifique, pa r exemple des pièces polaires, agissant sur les lignes de flux pour les guider dans le matériau ferromagnétique. Celles-ci rebouclent du pôle nord a u pôle sud de l'aimant sur toute la longueur du matériau ferromagnétique et ceci de façon homogène, même avec des matériaux ayant une faible perméabilité.

En outre, dans l'exemple représenté, le matériau ferromagnétique entoure avantageusement tout l'aimant, les lignes de flux magnétique rebouclant de manière symétrique autour de l'axe de l'aimant, la majorité des lignes de flux magnétique sont confinées dans le matériau ferromagnétique et le matériau ferromagnétique est polarisé de manière homogène.

En variante, on pourrait prévoir que le matériau ferromagnétique n'entoure pas complètement l'aimant et ne s'étende par exemple que sur une portion angulaire de la surface latérale de l'aimant entre les deux pôles. Le matériau ferromagnétique du noyau serait alors encore polarisé entièrement de manière uniforme, la valeur crête serait alors réduite. Néanmoins une fraction du flux magnétique de l'aimant pourrait fuir dans le milieu environnant.

Sur les figures 2A et 2B, on peut voir un exemple de noyau pour inductance N2 de type E-E. Ce type de noyau présente une grande compacité.

Le noyau N2, vu de dessus sur la figure 2A, comporte un cadre 10 de forme rectangulaire et un barreau central 12 d'axe longitudinal X' s'étendant perpendiculairement aux côtés du cadre de plus grande longueur sensiblement en leur milieu. Ce barreau central 12 est destiné à être entouré par les spires d'un conducteur (non représenté). Le barreau 12 est dans l'exemple représenté formé de deux demi- barreaux séparés par un entrefer 14.

Le noyau N2 peut être formé par assemblage de deux demi-noyaux 15 de type E comme représenté sur la figure 2B ou être réalisé directement d'un seul tenant. En variante, il peut être formé par assemblage d'une partie en E et une partie en I ou une partie en U et une partie complémentaire.

Les côtés du cadre et la barre centrale délimitent alors deux circuits magnétiques Cl et C2 symétriques par rapport à un plan passant par l'axe X du barreau central 12 et perpendiculaire à un plan moyen du cadre. Les deux circuits sont de forme rectangulaire. Les circuits magnétiques Cl et C2 sont destinés à être parcourus par des lignes de flux magnétiques générées par la circulation du courant dans le conducteur 11, rebouclant au niveau de l'entrefer. Les lignes de flux magnétiques sont désignées par FM3 sur la figure 5.

Le noyau N2 comporte également des aimants Al, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8 disposés dans chacun des circuits magnétiques Cl et C2. Les aimants Al et A5 sont situés dans le barreau central 12 et sont communs aux deux circuits magnétiques.

Les deux circuits magnétiques sont de structures similaires, seul le circuit Cl sera décrit en détail.

Le circuit magnétique Cl comporte des portions droites 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5. Les portions 16.1 et 16.5 étant formées par les deux demi-barreaux du barreau central 12. Les aimants ont, dans l'exemple représenté, la forme de parallélépipède rectangle s'étendant sur toute l'épaisseur du noyau, l'épaisseur du noyau étant considérée dans une direction perpendiculaire au plan moyen du noyau.

L'aimant A2 s'étend sur pratiquement toute la longueur de la portion

16.2.

L'aimant A3 s'étend sur pratiquement toute la longueur de la portion

16.3. L'aimant A4 s'étend sur pratiquement toute la longueur de la portion 16.4.

Les aimants Al et A5 s'étendent sur pratiquement sur toute la longueur des portions 16.1 et 16.5 respectivement.

Les aimants Al à A5 ont une face latérale extérieure et une face latérale intérieure, l'intérieur et l'extérieur étant considéré par rapport à l'intérieur et l'extérieur du circuit magnétique Cl.

En variante plusieurs aimants alignés pourraient être mis en œuvre à la place d'un aimant unique dans chaque portion.

Les aimants forment également un cadre ouvert uniquement au niveau de l'entrefer.

Dans l'exemple représenté, les aimants sont disposés dans le matériau ferromagnétique de sorte que du matériau ferromagnétique recouvre les faces intérieure et extérieure des aimants, et s'étendent continûment entre les pôles N et pôle S de deux aimants successifs. Les aimants, dans l'exemple représenté et de manière préférée, s'étendent dans toute l'épaisseur du noyau et affleurent les faces avant et arrière du noyau, les faces avant et arrière du noyau étant les faces parallèles au plan moyen du noyau. Comme cela sera décrit par la suite, le noyau peut être réalisé par moulage d'un matériau ferromagnétique, des cavités pour les aimants étant ménagées lors du moulage.

Dans l'exemple représenté, la largeur de matériau magnétique considérée dans la direction de l'axe X pour les portions 16.2 et 16.4 du côté des faces intérieures des aimants est supérieure à celle du côté des faces extérieures, mais ceci n'est pas limitatif, la même épaisseur pourrait être prévue. Cette disposition des aimants non symétriques permet de reporter les zones de raccordement entre aimants au niveau des déflecteurs, dans les coins du cadre. Le rebouclage du flux sur chaque aimant se fait dans une zone peu active de l'inductance et n'affecte pas son fonctionnement. Par ailleurs, les aimants sont disposés les uns par rapport aux autres de sorte que le pôle N d'un aimant soit en regard ou à proximité d'un pôle S d'un aimant suivant.

En outre, le circuit magnétique Cl comporte avantageusement des déflecteurs entre les pôles des aimants successifs pour guider le flux magnétique d'un aimant à l'autre, et isoler le flux magnétique circulant dans les aimants de celui circulant dans le matériau ferromagnétique.

Les déflecteurs comportent par exemple des zones 18 non magnétiques situées à proximité de deux pôles de deux aimants successifs, plus particulièrement elles sont en contact avec les deux aimants successifs à l'intérieur d'un cadre défini pas les aimants.

Les zones 18 comportent avantageusement des cavités 19 réalisées dans l'épaisseur du noyau et débouchant dans les deux faces du noyau parallèles au plan moyen du noyau. Les cavités 19 peuvent être laissées vides et contenir de l'air, permettant une évacuation de la chaleur vers l'extérieur du noyau. Dans une réalisation particulièrement avantageuse, les cavités 19 sont remplies d'un matériau non magnétique, non conducteur électrique et offrant une bonne conductivité thermique, ce matériau drainant la chaleur vers l'extérieur du noyau. Les cavités sont par exemple remplies d'AIN.

De préférence, les déflecteurs présentent au moins la même dimension que l'épaisseur des aimants.

L'effet de la présence des aimants sur le circuit magnétique Cl va maintenant être décrit.

Un flux magnétique FMI circule dans l'aimant Al du pôle S au pôle N, le flux sort de l'aimant Al par le pôle N. Du fait de la présence d'une zone non magnétique 18, une partie du flux magnétique entre dans l'aimant A2 par le pôle S après avoir circulée dans le matériau ferromagnétique. En effet, la cavité 19 empêche les lignes de flux magnétique de reboucler directement vers le pôle S de l'aimant Al dans le matériau ferromagnétique de la portion 16.1 et participe à l'homogénéité du flux. Le flux magnétique circule ensuite dans l'aimant A2 vers le pôle N, rejoint le pôle S de l'aimant A3, notamment du fait de la cavité 19, puis l'aimant A4 et enfin à travers l'aimant A5, sort par son pôle N et du fait de l'entrefer qui forme un déflecteur non magnétique, le flux magnétique circule alors en sens inverse dans les portions 16.5, 16.4, 16.3, 16.2 et 16.1 et referme le circuit au niveau du pôle S de l'aimant Al. Le flux magnétique circulant dans le matériau ferromagnétique est désigné FM2. Grâce aux cavités 19, le flux magnétique FM2 ne peut reboucler sur les aimants A5, A4, A3, A2.

Les circuits magnétiques Cl comportent deux branches magnétiques, l'une formée par le réseau d'aimants et l'autre par le matériau ferromagnétique longeant les aimants.

Dans cet exemple de réalisation avantageux, le flux magnétique généré par les aimants et circulant dans le matériau magnétique FM2 est continu tout le long du chemin magnétique du noyau. En outre les aimants s'étendant dans toute l'épaisseur du matériau ferromagnétique, le flux magnétique est homogène dans toute l'épaisseur du matériau ferromagnétique. On obtient alors une polarisation homogène du circuit magnétique Cl. Il pourrait être prévu que les aimants ne s'étendent pas sur toute l'épaisseur du noyau, la polarisation serait moins homogène mais la composante continue de l'induction, serait néanmoins réduite.

II est à noter qu'une partie du flux magnétique sortant du pôle N reboucle directement avec le pôle sud du même aimant par le matériau ferromagnétique extérieur. Cette partie du flux qui reboucle par l'extérieur de l'aimant est dirigé dans le même sens que le flux dans la partie intérieure, il participe donc à la polarisation continue de la partie extérieure.

Dans l'exemple représenté, les cavités ont une section carrée ou rectangulaire mais il pourrait être prévu qu'elles aient une autre forme par exemple une section en arc de cercle s'étendant entre deux aimants successifs.

En variante, on pourrait remplacer tous les aimants par un seul aimant d'un seul tenant formant un cadre ouvert au niveau de l'entrefer, ce qui permettrait de ne pas avoir à réaliser de cavités non magnétiques. En variante, on pourrait ne réaliser qu'une partie des aimants d'un seul tenant, par exemple les aimants A2 et A3 ou A2, A3 et A4, etc.

Une circulation de flux magnétique FM2 est établie de la même manière dans le circuit magnétique C2.

Un flux magnétique est donc généré de manière homogène dans tout le noyau.

Dans l'exemple représenté, les aimants Al et A5 sont communs aux deux circuits magnétiques, mais il pourrait être prévu d'avoir des aimants dédiés au premier circuit magnétique Cl et des aimants dédiées au deuxième circuit magnétique C2.

Lorsqu'un courant circule dans le conducteur 11 entourant la barre centrale 12, un champ magnétique FM3 est généré, un flux magnétique circule dans les deux circuits magnétiques et génère une induction variable présentant une composante continue et une composante variable (relation I).

En choisissant et en orientant les aimants de sorte que le flux magnétique généré annule la composante continue de l'induction générée par le conducteur dans le noyau, on peut réduire la valeur crête de l'induction générée dans le noyau et les pertes magnétiques, et donc réchauffement du noyau. L'orientation des aimants et la circulation du courant dans le conducteur sont telles que le flux magnétiques FM2 et le flux magnétique FM3 (en pointillés sur la figure 2A) générés par le conducteur aient des sens opposés.

La présente invention s'applique à toute forme de noyau pour inductance, par exemple celui-ci pourrait avoir une forme en U, les aimants s'étendant dans le fond du U et dans les deux branches du U, le flux magnétique FM2 bouclant au niveau des extrémités libres des branches du U.

De préférence, les aimants sont en matériau non conducteurs électriques pour réduire les risques de couplages et l'apparition de courants de Foucault à haute fréquence qui provoqueraient un échauffement du noyau.

Avantageusement, les aimants sont des aimants de type lié ou plastoaimant. Par exemple, les aimants comportent des poudres magnétiques dispersées dans une matrice polymère ou une résine isolante électrique. Ils peuvent être moulés avantageusement selon des formes complexes. Ces aimants présentent alors une forte résistivité électrique. Les aimants liés peuvent être de type NdFeB avec une valeur de BHmax = 10 MGOe. En variante, les aimants pourraient être en SmCo, en ferrite ou en SmFeN.

Selon une variante du noyau de la figure 1A, l'aimant 6 pourrait être remplacé par plusieurs aimants alignés de sorte que le pôle N d'un aimant soit en regard du pôle S de l'autre aimant. En outre des déflecteurs seraient prévus au niveau des pôles en regards pour éviter que les lignes de flux magnétique sortant du pôle N d'un aimant rebouclent directement vers le pôle S de l'aimant au lieu de rejoindre le pôle S en regard.

Un exemple de dimensionnement va maintenant être donné.

Sur la figure 3, on peut voir le noyau de la figure 2A en perspective. On considère un noyau comportant comme matériau ferromagnétique du NiZ

Le noyau a une longueur extérieure I égale à 46 mm, une largeur extérieure L égale à 30 mm, une épaisseur égale à 11 mm. Les côtés du cadre ont une largeur égale à 6 mm, le barreau central 12 a une largeur égale à 12 mm et l'entrefer est égal à 3 mm.

Les aimants sont parallélépipédiques et ont tous une épaisseur de 11 mm. Les aimants Al et A5 ont une longueur de 10 mm et une largeur de 2,4 mm. Les aimants A3 et A7 ont une longueur de 23 mm et une largeur de 1 mm. Les aimants A2, A4, A6 et A8 ont pour dimensions une longueur de 17 mm et une largeur de 1 mm.

Les huit cavités 19 ont une section carrée de 1 mm ^χ 1 mm et une hauteur de 11 mm et sont remplies d'air.

Ce noyau permet par exemple de réaliser un convertisseur hacheur élévateur ayant les caractéristiques suivantes : P = 1 kW, F = 5 MHz, D= 0.5, Ve = 200 V, r = 0.4 ; Ve étant la tension d'entrée du convertisseur, D le rapport cyclique du convertisseur (fraction du cycle ou l'interrupteur est fermé) et r le taux d'ondulation du courant Dl/ldc.

Pour l'aimant, l'induction rémanente est Br = 0,7 T et pour le courant la valeur moyenne continue Idc = 5A et l'ondulation Dl = 2 A. Sur la figures 4A, on peut voir la variation de l'induction magnétique B en mT générée par le courant circulant dans le conducteur au cours d'un cycle en fonction du temps t en ns dans un noyau de type E-E de l'état de la technique, i.e. sans aimant, en NiZn et ayant les même dimensions que le noyau de la figure 3

Sur la figure 4B, on peut voir la variation de l'induction magnétique B en mT résultante de la polarisation par les aimants dans un noyau de la figure 3 au cours d'un cycle en fonction du temps t en ns.

Sur la figure 4B, on constate que la composante continue BDC est égale à 0, alors que sans polarisation cette composante continue vaut 55 mT (figure 4A). La composante variable varie dans les deux cas de 22 mT. La valeur crête de l'induction est donc réduite de 55 mT dans le noyau de l'invention, ce qui permet de réduire sensiblement réchauffement du noyau. Par exemple, dans le cas d'un noyau de type NiZn les pertes dissipées par unité de volume du noyau Pd sont réduites d'un facteur 10 et la puissance dissipée peut être évacuée par simple convection naturelle depuis la surface du noyau.

Un exemple de procédé de réalisation d'un noyau selon l'invention va maintenant être décrit.

Les noyaux d'inductance selon l'invention peuvent être très avantageusement réalisés par moulage par injection de poudres (ou PIM pour Powder Injection Molding en terminologie anglo-saxonne).

Dans un procédé PIM, la première étape consiste à obtenir un mélange- maître (ou "feedstock" en terminologie anglo-saxonne) adapté à l'application visée. Les mélanges-maîtres sont constitués d'un mélange de matière organique (ou liant polymérique) et des poudres inorganiques (métalliques ou céramiques) qui vont constituer la pièce finale. Ensuite, le mélange-maître s'injecte comme un matériau thermoplastique dans une presse à injecter selon une technologie connue de l'homme du métier. Le moulage permet de faire fondre les polymères injectés avec la poudre dans une cavité et donner la forme voulue au mélange. Au cours du refroidissement le mélange solidifie et conserve la forme donnée par le moule. Après démoulage, la pièce est soumise à différent traitements thermiques ou chimiques afin de retirer les phases organiques. L'élimination de la phase organique lors de cette étape, appelée déliantage, laisse place à une porosité de 30% à 50% dans l'ébauche.

Un exemple d'une méthode de préparation d'un mélange-maître et de déliantage dans le cas de la fabrication par PIM est décrit dans le document US 8940816 B2.

A l'issue du déliantage l'ébauche poreuse ne contient que les poudres du matériau inorganique. Cette ébauche est ensuite densifiée pour former la pièce dense finale. La consolidation des ébauches poreuses est réalisée par un frittage à haute température, de préférence à une température supérieure à 1000°C, effectué dans des fours fonctionnant sous une atmosphère adaptée au type de matériau utilisé. Lorsque que la densité optimale est atteinte, la pièce est refroidie jusqu'à la température ambiante.

De préférence, pour réaliser les noyaux selon l'invention on utilise des poudres de ferrites spinelle de type NiZn ou MnZn en mélange avec la matière organique pour réaliser le mélange maître. Les poudres de ferrites sont par exemple élaborées par synthèse en voie solide ou en voie chimique. La synthèse en voie solide comporte les étapes de réalisation d'un broyage d'oxydes précurseurs et de synthèse de la phase spinelle par un traitement thermique entre 800°C et 100°C des poudres broyées. Les poudres sont à nouveau broyées et tamisées pour obtenir une granulométrie de l'ordre de ΙΟμιη à 20 μιη. Pour les ferrites spinelles NiZn et MnZn, le frittage peut être effectué sous air selon des conditions opératoires bien connu par l'homme du métier sur ce type de matériau.

En variante, d'autres matériaux ferromagnétiques doux peuvent être utilisés pour réaliser le mélange-maître. Ces matériaux sont par exemple mis en forme par métallurgie des poudres, tels que les alliages magnétiques à base de Fe (Fe-Si, Fe-Co, Fe-Ni).

Après préparation du mélange-maître, celui-ci est mis en forme dans un moule. Pour réaliser le noyau de la figure 3, le moule est tel qu'il forme les cavités 18 et les cavités destinées à loger les aimants.

De préférence, le noyau de type E-E est réalisé en deux ou plusieurs parties symétriques moulées séparément et assemblées ensuite. Le moule comporte des inserts amovibles qui se positionnent dans le moule de façon à créer, sur la pièce moulée, les cavités débouchantes pour les aimants et pour former les déflecteurs.

Après moulage du mélange maître et refroidissement de la pièce verte, une étape de déliantage de la matière organique a lieu. Elle a par exemple lieu dans un four en ménageant au cours de la montée en température un maintien de température entre par exemple 400°C et 700 °C.

Un frittage en vue de densifier le noyau a ensuite lieu, celui-ci a avantageusement lieu dans le four utilisé pour le déliantage. Ainsi, on peut effectuer le frittage directement après le déliantage en poursuivant la montée en température à la valeur préconisée pour la phase magnétique considérée. Le déliantage a par exemple lieu à 1220°C.

Lors d'une étape suivante, les aimants sont introduits dans les cavités. Les aimants peuvent être des aimants liés fabriqués préalablement. Ils sont par exemple moulés et magnétisés selon les dimensions adaptées à la polarisation du noyau. Les aimants liés peuvent être de tout type, par exemple NdFeB, SmCo, SmFeN, hexaferrites. La matrice polymère, dans laquelle sont dispersées les poudres magnétiques, est choisie de sorte à être compatible avec la température de fonctionnement de l'inductance, par exemple celle-ci est comprise entre 100°C et 150 °C. Les aimants peuvent être maintenus dans les cavités au moyen d'une colle apte à tenir la température de fonctionnement.

Lors d'une étape suivante, on peut prévoir de remplir les cavités 16 avec un matériau non magnétique, non conducteur électrique et bon conducteur thermique, tel que l'AIN. Par exemple, le matériau de remplissage est préalablement mis en forme par extrusion ou moulage puis introduit dans les cavités 16 de manière similaire au montage des aimants. Cette étape de remplissage des cavités 16 peut ne pas avoir lieu, les cavités remplies d'air étant conservées. L'AIN peut également être maintenu dans les cavités au moyen d'une colle apte à tenir la température de fonctionnement.

Selon un autre exemple de procédé, on peut prévoir de réaliser le noyau d'inductance par surmoulage du matériau ferromagnétique autour des aimants et éventuellement des éléments formant les zones non magnétiques. L'étape de frittage peut être omise. De manière avantageuse, le matériau ferromagnétique peut également être surmoulé sur le conducteur à n spires.