FR3159040A3 - Dispositif électromagnétique à refroidissement amélioré - Google Patents

Description

Dispositif électromagnétique à refroidissement amélioré

La présente invention concerne un dispositif électromagnétique à refroidissement amélioré.

Le dispositif électromagnétique comprend un noyau magnétique autour duquel est enroulé un enroulement électroconducteur. On obtient le refroidissement amélioré grâce à au moins une structure de refroidissement comportant un élément conducteur thermique, réalisé en un matériau non magnétique, en contact intime avec un dissipateur de chaleur, l’élément conducteur thermique comportant une paroi plate insérée par ajustement serré dans une fente du noyau magnétique qui divise le noyau magnétique en deux portions de noyau magnétique indépendantes.

ARRIERE-PLAN DE L’INVENTION

Dans le but d’évacuer la chaleur (produite par les courants de Foucault générés) du noyau du groupe de puissance magnétique, notamment dans le cas des transformateurs de puissance, plusieurs approches ont été envisagées. On peut citer, par exemple, l’augmentation de la taille du fil afin de réduire les pertes résistives ; l’immersion du transformateur dans de l’huile réfrigérante en circulation ; le refroidissement à l’air des enroulements du transformateur ; l’augmentation de la fréquence de fonctionnement du transformateur pour réduire les enroulements ; et l’augmentation de la conductivité thermique du composé isolant enrobant autour des enroulements du transformateur. Cependant, ces solutions impactent négativement l’encombrement et le poids des conceptions du transformateur, limitant l’utilisation de ces applications. En l’absence d’un refroidissement approprié, l’efficacité et la fiabilité de ces transformateurs et inducteurs sont considérablement réduites.

Le document DE19814896 divulgue un transformateur de puissance à courant élevé comportant un noyau cylindrique refermé en matériau magnétique doux à haute perméabilité, à haute induction de saturation et faibles pertes magnétiques. Celui-ci est entouré par un enroulement primaire et un enroulement secondaire. Le noyau se trouve à l’intérieur d’une enveloppe qui est ensuite remplie d’une résine appropriée. Au moins un tube à chaleur (9) destiné à refroidir le groupe est placé au milieu. Le tube à chaleur constitue au moins une partie de l’enroulement du transformateur.

La surface de contact entre le conduit et le noyau magnétique étant réduite, il est donc nécessaire de faire circuler un fluide réfrigérant dans le tube afin d’augmenter le refroidissement, rendant cette solution plus complexe et augmentant son coût.

Le document US6777835B1 divulgue une technique de refroidissement à puissance électrique, et notamment un appareil de refroidissement d’un transformateur électrique haute puissance et de moteurs électriques au moyen d’un matériau thermiquement conducteur pris en sandwich entre les couches de spires d’un transformateur haute puissance et de matériaux lamellés de noyau en fer, de manière à fournir un trajet thermique à faible résistance à l’environnement. Les lamelles conduisent l’excès de chaleur de l’intérieur vers des saillies en dehors des enroulements (et du noyau), la chaleur étant ensuite extraite soit par l’air forcé, soit par le composé d’enrobage thermiquement conducteur. Cette technique offre une réduction en termes de poids et d’encombrement considérable, ainsi qu’une augmentation importante de la densité de puissance, tout en étant conduite à une température faiblement au-dessus de la température ambiante. Dans un mode de réalisation, un transformateur est réalisé en un matériau tel que fer laminé, ferrite et d’autres matériaux de noyau, et le transformateur est constitué par des enroulements en cuivre isolés enroulés autour du noyau. La chaleur est dissipée à travers le noyau vers une plaque de base, tandis que les lamelles thermiquement conductrices sont agencées dans des positions prédéterminées entre les enroulements et sont réalisées de préférence en matériau de graphite lamellaire à module élevé, de manière à acheminer la chaleur selon l’orientation de sa fibre, qui est unidirectionnelle.

Le document US2004257187 A1 divulgue un dispositif électromagnétique, comprenant un premier tronçon de noyau magnétique tubulaire ; un deuxième tronçon de noyau magnétique tubulaire en écartement et en alignement sensiblement parallèle avec le premier tronçon de noyau magnétique tubulaire et un enroulement conducteur primaire, dans lequel une première portion de l’enroulement conducteur primaire est disposée dans le premier tronçon de noyau magnétique tubulaire et une deuxième portion de l’enroulement conducteur primaire est disposée dans le deuxième tronçon de noyau magnétique tubulaire. Le dispositif magnétique comprend en outre un moyen d’extraction de chaleur à éléments conducteurs, tels que des ailettes de refroidissement, en communication avec au moins une portion de la surface extérieure du premier tronçon de noyau magnétique tubulaire et au moins une portion de la surface extérieure du deuxième tronçon de noyau magnétique tubulaire.

Le document US2015155088A1 divulgue une structure de dissipation de chaleur d’un transformateur destinée à dissiper la chaleur générée à partir d’un noyau du transformateur, comprenant une plaque de dissipation thermique comportant une plaque inférieure assemblée dans un logement du transformateur et une plaque rallongée s’étendant vers le haut depuis la plaque inférieure. La plaque rallongée comporte une plaque centrale et une paire de plaques latérales disposées chacune sur un côté opposé de la plaque centrale. La paire de plaques latérales sont écartées de la plaque centrale.

Le document CN113257545A concerne un transformateur haute puissance, à haute efficacité de dissipation thermique et haute fréquence, comprenant un radiateur à plaques d’aluminium comportant une première plaque d’aluminium, une deuxième plaque d’aluminium et une troisième plaque d’aluminium agencées les unes derrière les autres.

Le document GB2597670A1 concerne la gestion thermique d’un dispositif électromagnétique tel qu’un transformateur, comportant un ensemble de noyau, des enroulements 204, une plaque thermiquement conductrice primaire et plusieurs plaques thermiquement conductrices secondaires.

Tous les documents ci-dessus comportent une structure de refroidissement sur un côté du dispositif électromagnétique, engendrant un refroidissement inégal du noyau magnétique.

La présente invention résout les problèmes précités et autres.

DESCRIPTION DE L’INVENTION

La présente invention concerne un dispositif électromagnétique à refroidissement amélioré, tel que défini dans la revendication 1.

Le dispositif électromagnétique préconisé comprend, de manière connue en soi de l’état de la technique disponible :
un noyau magnétique autour duquel est enroulé, autour d’un axe central, au moins un enroulement électroconducteur, le noyau magnétique présentant au moins une fente, parallèle à l’axe central et divisant le noyau magnétique en plusieurs portions de noyau magnétique indépendantes, et
au moins une structure de refroidissement comportant chacune un dissipateur de chaleur en liaison thermique avec au moins un élément conducteur thermique, chaque élément conducteur thermique comportant une paroi plate, réalisée en un métal non magnétique, insérée par ajustement serré dans l’une des fentes du noyau magnétique en liaison thermique avec les portions de noyau magnétique.

L’élément conducteur thermique est un élément réalisé en un matériau non magnétique, n’interférant pas avec les champs magnétiques générés au niveau du dispositif électromagnétique lors de son fonctionnement, et ayant une conductivité élevée, par exemple, supérieure à 120 W/mK, supérieure à 160 W/mK, ou de préférence supérieure à 210 W/mK. Typiquement, l’élément conducteur thermique sera réalisé en un métal non magnétique tel que l’aluminium ou un alliage d’aluminium.

Le contact intime entre l’élément conducteur thermique et l’au moins une surface de dissipation du noyau magnétique permet un transfert de chaleur du noyau magnétique, où elle est générée lorsque le dispositif électromagnétique est en fonctionnement, jusqu’à l’élément conducteur thermique.

En outre, le contact intime entre l’élément conducteur thermique et le dissipateur de chaleur permet à ladite chaleur d’être transférée de l’élément conducteur thermique jusqu’au dissipateur de chaleur, à partir duquel la chaleur est dissipée.

Le dissipateur de chaleur sera également réalisé en un matériau à conductivité thermique élevée, par exemple, supérieure à 120 W/mK, supérieure à 160 W/mK, ou de préférence supérieure à 210 W/mK. Typiquement, le dissipateur de chaleur sera réalisé en un métal non magnétique tel que l’aluminium ou un alliage d’aluminium.

De préférence, le dissipateur de chaleur présentera un agencement de dissipation en contact avec un fluide réfrigérant, par exemple, l’air environnant, mais il peut également s’agir d’un liquide réfrigérant d’un circuit de refroidissement.

L’agencement de dissipation peut comprendre, par exemple, une surface pourvue d’entailles, de nervures, de tiges ou tout autre agencement d’élargissement de surface destiné à augmenter la surface du dissipateur de chaleur exposée au fluide réfrigérant.

On entend par liaison thermique un contact physique des éléments qui permet un transfert de chaleur entre ceux-ci par conduction, ou bien un contact par le biais d’un moyen de transfert de chaleur intercalé, tel qu’une composition conductrice de la chaleur, permettant le transfert de chaleur entre ceux-ci par conduction à travers ledit moyen de transfert de chaleur.

Il y aura une liaison thermique, par exemple, entre les parties d’un même objet en une seule pièce, entre deux composants soudés, ou entre deux surfaces superposées sans interstices entre elles, ou bien entre deux surfaces superposées sans interstices entre elles mais comportant une composition conductrice de la chaleur interposée de manière à combler toute irrégularité, augmentant ainsi la conductivité thermique globale. La composition conductrice de la chaleur est préférentiellement une pâte apte à être enduite et ayant une conductivité thermique importante, par exemple, supérieure à 5 W/mK, supérieure à 10 W/mK, ou de préférence supérieure à 40 W/mK.

Selon la présente invention, l’élément conducteur thermique comprend une paroi plate insérée par ajustement serré dans une fente du noyau magnétique, ladite fente divisant le noyau magnétique en au moins deux portions de noyau magnétique indépendantes. De préférence, ladite fente divise la région du noyau magnétique entourée par l’enroulement électroconducteur, de sorte que l’au moins un élément conducteur thermique est inséré dans ladite région du noyau magnétique entourée par l’enroulement électroconducteur.

Conformément à ce qui précède, le noyau magnétique sera divisé en au moins deux portions de noyau magnétique indépendantes orientées les unes par rapport aux autres, définissant entre elles une fente, et il est proposé que l’élément conducteur thermique comporte au moins une portion configurée sous forme de paroi plate insérée par ajustement serré dans ladite fente du noyau magnétique, entre les au moins deux portions de noyau magnétique indépendantes.

Cette construction augmente de manière remarquable les surfaces de contact entre le noyau magnétique à dissipation et l’élément conducteur thermique, augmentant ainsi le refroidissement du dispositif électromagnétique.

De préférence, les portions de noyau magnétique sont orientées les unes par rapport aux autres au moyen de surfaces de dissipation correspondantes, et de ce fait, la fente sera ménagée entre lesdites surfaces de dissipation. L’élément conducteur thermique comportera deux surfaces principales opposées, correspondant aux deux surfaces principales opposées de la conformation en paroi plate, se trouvant chacune d’entre elles en contact intime avec l’une desdites surfaces de dissipation.

La présente invention propose également, de manière non connue, ce qui suit :
la structure de refroidissement comporte également des canaux de refroidissement reliés à un circuit de refroidissement, les canaux de refroidissement étant ménagés sur le dissipateur de chaleur et/ou sur la portion de l’au moins un élément thermiquement conducteur de la structure de refroidissement ; et
les canaux de refroidissement comportent plusieurs perçages parallèles et au moins un perçage transversal intersecté avec lesdits plusieurs perçages parallèles de manière à les relier entre eux.

Les canaux de refroidissement peuvent être reliés à un circuit de refroidissement, comportant de préférence une pompe à liquide réfrigérant.

Certains au moins des perçages parallèles peuvent être des perçages borgnes ménagés sur l’au moins un élément thermiquement conducteur de la structure de refroidissement. Lesdits perçages borgnes peuvent présenter une paroi interne insérée dans ceux-ci par ajustement serré, la paroi interne divisant longitudinalement le perçage borgne en deux canaux et définissant une liaison entre ces deux canaux dans une partie inférieure du perçage borgne.

Certains au moins des canaux de refroidissement peuvent être ménagés sur la paroi plate insérée dans la fente, lorsque celle-ci est suffisamment épaisse, ou alors peuvent être ménagés sur des portions des éléments thermiquement conducteurs externes à la fente, qui constituent des éléments thermiquement conducteurs externes, étant en liaison thermique avec la paroi plate insérée par ajustement serré dans la fente.

Il est proposé, par exemple, de prévoir des canaux de refroidissement sur des portions en renflement des éléments thermiquement conducteurs externes, plus épaisses que la paroi plate insérée dans la fente du noyau magnétique.

Lesdites portions en renflement, qui peuvent être configurées sous forme de pilier, seront thermiquement reliées aux bords des parois plates insérées dans la fente du noyau magnétique soit directement, soit par l’intermédiaire de l’élément conducteur thermique externe intercalé, configuré également sous forme de parois plates perpendiculaires à la paroi plate insérée dans la fente.

De manière optionnelle, la structure de refroidissement peut être divisée en deux demi-parties, superposées dans la direction de l’axe central, chaque demi-partie comportant un dissipateur de chaleur et une portion des éléments conducteurs thermiques reliés thermiquement au dissipateur de chaleur correspondant. Dans ce mode de réalisation, le passage de courants d’induction à travers la structure de refroidissement sera interdit au moyen d’un entrefer, ou d’un isolant électrique, situé entre les portions des éléments conducteurs thermiques entourées par l’enroulement électroconducteur et/ou entre les portions de la structure de refroidissement entourant l’enroulement électroconducteur.

Conformément à ce qui précède, la structure de refroidissement comporte au moins deux dissipateurs de chaleur, étant chacun intégré dans chaque demi-partie de la structure de refroidissement, et l’au moins un élément conducteur thermique est divisé en au moins deux portions indépendantes, chaque portion étant en liaison thermique avec l’un des dissipateurs de chaleur.

Les deux demi-parties de la structure de refroidissement sont superposées dans la direction de l’axe central, de sorte que les portions de l’au moins un élément conducteur thermique d’une demi-partie sont écartées des portions de l’autre demi-partie par une séparation transversale à la direction de l’axe central.

De préférence, l’au moins un élément conducteur thermique est inséré dans la région du noyau magnétique entourée par l’enroulement électroconducteur, et la structure de refroidissement peut également entourer de manière externe le dispositif magnétique. Dans ce cas, des courants d’induction indésirables peuvent être générées à travers la structure de refroidissement si celle-ci est réalisée en un matériau électriquement conducteur, tel que l’aluminium ou un alliage d’aluminium.

Afin de prévenir ces courants d’induction, un circuit électrique circulaire ayant une région entourée par l’enroulement électroconducteur est à éviter. Afin de prévenir ces courants d’induction, on prévoit une interruption de la liaison électrique entre les portions de l’au moins un élément conducteur thermique, au moyen d’un entrefer ou un d’isolant électrique, dans la région du noyau magnétique entourée par l’enroulement électroconducteur.

En complément ou en variante, l’interruption du circuit circulaire, en évitement des courants d’induction, peut être obtenue par l’interruption de la liaison électrique entre les deux demi-parties de la structure de refroidissement au niveau de la région de la structure de refroidissement non entourée par l’enroulement électroconducteur. Dans ce cas, les courants d’induction seront interdits même si les portions de l’au moins un élément conducteur thermique entourées par l’enroulement électroconducteur sont en liaison électrique.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la paroi plate prévue sur l’au moins un élément conducteur thermique est parallèle à l’axe central autour duquel est enroulé l’au moins un enroulement électroconducteur.

L’au moins un élément conducteur thermique peut comporter plusieurs éléments conducteurs thermiques parallèles, divisant le noyau magnétique au niveau d’au moins deux fentes parallèles.

En variante, l’au moins un élément conducteur thermique peut comporter un ou plusieurs éléments conducteurs thermiques parallèles, divisant le noyau magnétique au niveau d’au moins deux fentes parallèles, et un ou plusieurs éléments conducteurs thermiques perpendiculaires aux éléments conducteurs thermiques précités, divisant en outre le noyau magnétique au niveau d’au moins une fente supplémentaire perpendiculaire aux au moins deux fentes parallèles précitées.

Chaque dissipateur de chaleur peut être, par exemple, un logement accueillant le noyau magnétique, ou une portion dudit logement. Les parois externes du logement peuvent par exemple dissiper de la chaleur vers l’air environnant, qui agit comme un dissipateur de chaleur.

Les éléments conducteurs thermiques peuvent comporter en outre des éléments conducteurs thermiques externes, réalisés en un métal non magnétique et étant en liaison thermique avec le dissipateur de chaleur, en position adjacente à l’extérieur du noyau magnétique, en liaison thermique avec le noyau magnétique et/ou en liaison thermique avec la paroi plate insérée par ajustement serré dans l’une des fentes du noyau magnétique. Selon ce mode de réalisation, l’élément conducteur thermique externe sera en liaison thermique avec l’extérieur du noyau magnétique, directement ou par l’intermédiaire d’un moyen de transfert de chaleur intercalé, qui évacue de la chaleur de l’extérieur du noyau magnétique jusqu’au dissipateur de chaleur, et/ou sera en liaison thermique avec au moins une paroi plate insérée par ajustement serré dans une fente du noyau magnétique, de manière à assister la paroi plate à évacuer de la chaleur de l’intérieur du noyau magnétique jusqu’au dissipateur de chaleur.

L’élément conducteur thermique et le dissipateur de chaleur peuvent faire partie du seul élément monobloc constituant la structure de refroidissement. Ainsi, la réalisation de celui-ci est simplifiée et le transfert de chaleur entre l’élément conducteur thermique et le dissipateur de chaleur est amélioré.

Chaque demi-partie de la structure de refroidissement peut par exemple être réalisée en un métal coulé non magnétique, en un aluminium coulé non magnétique ou en un alliage d’aluminium coulé non magnétique. La réalisation par coulage de chaque demi-partie de la structure de refroidissement permet de créer des configurations sur mesure aptes à augmenter la dissipation de chaleur et/ou réduire les coûts de fabrication du dispositif électromagnétique, tout en rendant plus aisé et plus simple l’assemblage de celui-ci. De préférence, chaque demi-partie de la structure de refroidissement présentera une forme apte à être fabriquée dans un moule en deux parties.

En variante, chaque demi-partie de la structure de refroidissement peut être réalisée en un métal extrudé non magnétique, en un aluminium extrudé non magnétique, ou en un alliage d’aluminium extrudé non magnétique qui est extrudé en direction perpendiculaire à l’axe central. Dans ce cas, les portions de l’élément conducteur thermique de chaque demi-partie de la structure de refroidissement seront une paroi plate ou plusieurs parois plates parallèles entre elles, de manière à permettre leur réalisation par extrusion, mais les portions de l’élément conducteur thermique des deux demi-parties de la structure de refroidissement peuvent être parallèles ou perpendiculaires entre elles.

La réalisation de chaque demi-partie de la structure de refroidissement par un procédé d’extrusion augmente de manière remarquable la cadence de production, tout en réduisant son coût, et permet une précision dimensionnelle élevée des pièces obtenues. Dans ce cas, la structure de refroidissement aura une section transversale constante sur toute sa longueur, ou bien une section transversale constante sur toute sa longueur, y compris certaines parties de celle-ci enlevées par fraisage.

Il est bien connu que l’aluminium et bon nombre d’alliages d’aluminium sont des matériaux non magnétiques et possèdent une haute conductivité thermique.

Selon la présente invention, le dissipateur de chaleur est un logement, ou bien une portion d’un logement, du dispositif électromagnétique. Conformément à ce qui précède, le dispositif électromagnétique sera logé dans un logement, typiquement un logement rigide destiné à le protéger, et le dissipateur de chaleur sera constitué par la totalité du logement ou par une portion de celui-ci, l’élément conducteur thermique étant disposé en contact intime avec ledit logement ou avec une partie de celui-ci. Les parois du logement assurant la dissipation de la chaleur, lesdites parois font donc partie de la structure de refroidissement.

Selon un mode de réalisation de l’invention, une composition conductrice thermique entoure le noyau magnétique et l’au moins un enroulement électroconducteur enroulé autour du noyau magnétique. La composition conductrice thermique sera également en contact intime avec un côté du dissipateur de chaleur, de manière à transférer de la chaleur de la composition conductrice thermique jusqu’au dissipateur de chaleur, dont un côté opposé restera préférablement non couvert pour dissiper la chaleur. Lorsque le dissipateur de chaleur est un logement ou une portion d’un logement du dispositif électromagnétique, la composition conductrice thermique sera contenue dans ledit logement, de préférence coulée dans celui-ci.

De préférence, la composition conductrice thermique comprend un mélange d’une résine de silicone et d’au moins une première charge ou d’une résine de silicone et d’une première charge incluant une charge minérale naturelle. De manière optionnelle, la composition conductrice thermique comprend, en outre, une deuxième charge incluant de l’hydroxyde d’aluminium.

Selon un mode de réalisation supplémentaire, le noyau magnétique peut comporter en outre un interstice magnétique, perpendiculaire à la fente, destiné à accroître les performances magnétiques du noyau magnétique, ledit interstice divisant entièrement chacune des portions de noyau magnétique indépendantes en deux tronçons indépendants.

Le noyau magnétique peut comporter, par exemple, une région centrale de forme prismatique ou cylindrique allongée dans une direction parallèle à l’axe central, l’au moins un enroulement électroconducteur étant enroulé autour de ladite région centrale. Ladite région centrale du noyau magnétique sera divisée par la fente.

De manière optionnelle, le noyau magnétique comporte en outre une région d’armature entourant une ouverture centrale, la région centrale du noyau magnétique étant agencée dans ladite ouverture centrale, reliée à la région d’armature des deux extrémités et divisant en deux l’ouverture centrale. Ladite région d’armature du noyau magnétique sera également divisée par la fente.

L’au moins un enroulement électroconducteur peut être enroulé autour d’une bobine intercalée entre l’au moins un enroulement électroconducteur et le noyau magnétique.

On comprendra que les références à la position géométrique, telles que parallèle, perpendiculaire, tangente, etc., permettent des écarts allant jusqu’à plus ou moins 5º par rapport à la position théorique définie par ces termes.

On comprendra également que sur toute plage de valeurs donnée, il est possible que les valeurs limites ne soient pas optimales, et des adaptations de l’invention seraient éventuellement requises afin que ces valeurs limites soient applicables, de telles adaptations étant à la portée de l’homme du métier.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les avantages et caractéristiques ci-dessus et d’autres seront mieux compris à partir de la description détaillée suivante d’un mode de réalisation en référence aux dessins annexés, qui devront être pris à titre illustratif et non limitatif, dans lesquels :

LaFIG. 1montre une vue en perspective éclatée du dispositif électromagnétique selon un mode de réalisation dans lequel la structure de refroidissement comporte un dissipateur de chaleur, et un élément conducteur thermique présentant deux parois plates perpendiculaires entre elles et insérées dans deux fentes perpendiculaires du noyau magnétique, ainsi que deux renflements, sous forme de piliers parallèles à l’axe central, rattachés aux extrémités de l’une des parois plates, la structure de refroidissement comportant des canaux de refroidissement traversant le dissipateur de chaleur et traversant lesdits piliers, de sorte à générer un refroidissement actif de la structure de refroidissement.

LaFIG. 2montre une vue en perspective du dispositif électromagnétique représenté sur laFIG. 1, dans laquelle le noyau magnétique est divisé par une fente, parallèle à l’axe central, et un interstice perpendiculaire audit axe central, la structure de refroidissement et la composition conductrice n’étant pas visibles sur cette figure.

LaFIG. 3montre une vue en perspective éclatée du dispositif électromagnétique selon un mode de réalisation alternatif similaire à celui représenté sur laFIG. 1, dans lequel la structure de refroidissement comprend deux demi-parties, la demi-partie inférieure étant égale à celle décrite dans laFIG. 1, et la demi-partie supérieure comportant un dissipateur de chaleur supplémentaire et deux parois plates perpendiculaires entre elles, la demi-partie supérieure étant dépourvue de canaux de refroidissement.

Les figures 4 et 5 montrent une coupe transversale verticale de l’élément conducteur thermique représenté sur laFIG. 3coplanaire avec l’axe central, représentant la vue éclatée dans laFIG. 4et la vue assemblée dans laFIG. 5.

LaFIG. 6montre une vue en perspective éclatée du dispositif électromagnétique selon un mode de réalisation alternatif similaire à celui représenté sur laFIG. 3, dans lequel chaque demi-partie de la structure de refroidissement présente une paroi plate, et dans lequel la demi-partie inférieure de la structure de refroidissement comporte, au niveau des quatre régions de coin entourant le noyau magnétique, quatre renflements de l’élément conducteur thermique sous forme de piliers parallèles à l’axe central, lesdits piliers étant reliés thermiquement aux extrémités de ladite paroi plate par un élément conducteur thermique externe intercalé configuré sous forme de paroi plate perpendiculaire à la paroi plate insérée dans la fente du noyau magnétique, et dans laquelle cette demi-partie inférieure comporte en outre des canaux de refroidissement traversant le dissipateur de chaleur et traversant lesdits piliers, de sorte à générer un refroidissement actif de la structure de refroidissement.

Description détaillée de l’invention et de modes particuliers de réalisation

La présente invention concerne un dispositif électromagnétique comprenant un noyau magnétique (10), comportant un enroulement électroconducteur (20) enroulé autour d’un axe central (X) entourant le noyau magnétique (10) ou une partie de celui-ci, et une structure de refroidissement (30) en contact intime avec le noyau magnétique (10).

Le noyau magnétique (10) est composé de plusieurs portions de noyau magnétique (10’) indépendantes, orientées les unes par rapport aux autres au moyen de surfaces de dissipation correspondantes parallèles à l’axe central (X), de manière à ménager entre elles une fente (11).

Le noyau magnétique (10) peut également être divisé par un interstice (12) perpendiculaire à l’axe central, afin d’améliorer les performances magnétiques du dispositif.

Par exemple, dans le mode de réalisation représenté sur laFIG. 3, le noyau magnétique comporte deux fentes (11) parallèles à l’axe central (X) et perpendiculaires entre elles, et un interstice (12) perpendiculaire à l’axe central, divisant le noyau magnétique (10) en huit portions de noyau magnétique (10’).

L’élément thermiquement conducteur non magnétique (31) peut comporter des canaux de refroidissement reliés à un circuit de refroidissement, lesquels comprennent de préférence une pompe à liquide réfrigérant. De manière optionnelle, les canaux de refroidissement peuvent également être ménagés au niveau du dissipateur de chaleur.

Certains au moins des canaux de refroidissement peuvent être ménagés sur la paroi plate insérée dans la fente (11), lorsque celle-ci est suffisamment épaisse, ou alors peuvent être ménagés sur des éléments thermiquement conducteurs externes en liaison thermique avec la paroi plate insérée par ajustement serré dans la fente (11).

Il est proposé, par exemple, de prévoir des canaux de refroidissement sur des portions en renflement des éléments thermiquement conducteurs externes, plus épaisses que la paroi plate insérée dans la fente (11) du noyau magnétique (10).

Lesdites portions en renflement, pouvant être configurées sous forme de pilier, seront reliées thermiquement aux bords des parois plates insérées dans la fente du noyau magnétique (10) soit directement, soit par l’intermédiaire de l’élément conducteur thermique externe intercalé, configuré également sous forme de parois plates perpendiculaires à la paroi plate insérée dans la fente (11).

Les canaux de refroidissement peuvent comporter plusieurs perçages parallèles (61) et au moins un perçage transversal (62) intersecté avec lesdits plusieurs perçages parallèles (61) de manière à les relier entre eux.

De préférence, certains au moins des perçages parallèles (61) sont des perçages borgnes, typiquement parallèles à l’axe central (X), ménagés sur la portion de l’au moins un élément thermiquement conducteur (31) d’au moins l’une des demi-parties de la structure de refroidissement (30). Chaque perçage borgne présentera une paroi interne (63) insérée par ajustement serré dans celui-ci et reliée à un capot rattaché à l’extrémité ouverte de chaque perçage borgne, par exemple par filetage, de manière à ce que la paroi interne (63) divise longitudinalement le perçage borgne en deux canaux et à définir une liaison entre ces deux canaux dans une partie inférieure du perçage borgne, générant ainsi un effet de refroidissement sur toute la longueur du perçage borgne.

Typiquement, la paroi interne (63) est plus courte que le perçage borgne dans lequel elle est insérée, ou bien elle présente à son extrémité distale une ouverture transversale, de manière à créer sur chaque perçage borgne lesdits deux canaux parallèles, l’un étant relié à un segment du perçage transversal et l’autre étant relié à l’autre segment du perçage transversal, de sorte à refouler le fluide réfrigérant vers la partie inférieure de chaque perçage borgne.

Selon un mode de réalisation, les perçages borgnes traversent le dissipateur de chaleur (32), présentant une extrémité ouverte d’un côté du dissipateur de chaleur (32) opposé au côté du dissipateur de chaleur relié à l’élément conducteur thermique (31). Ces perçages parallèles (61) sont alignés et intersectés, au niveau d’une région adjacente à l’extrémité ouverte de ceux-ci, par un perçage transversal (62) qui, dans ce mode de réalisation, est coplanaire et perpendiculaire aux perçages parallèles (61), ledit perçage transversal traversant entièrement le dissipateur de chaleur (32) relié à celui-ci.

La structure de refroidissement (30) peut comprendre deux demi-parties superposées dans la direction de l’axe central, chaque demi-partie comportant un dissipateur de chaleur (32) en liaison thermique avec une portion de l’élément conducteur thermique (31). De préférence, chaque demi-partie de la structure de refroidissement est un élément métallique en une seule pièce venue de fonte ou d’extrusion ou assemblée par soudage.

L’une ou les deux demi-parties de la structure de refroidissement peuvent comporter des canaux de refroidissement. Par exemple, même si dans les modes de réalisation représentés sur les figures 3 et 6 le circuit de refroidissement n’est présent que sur la demi-partie inférieure de la structure de refroidissement, les deux demi-parties peuvent présenter des configurations similaires ou symétriques comportant des canaux de refroidissement.

La portion de l’élément conducteur thermique (31) insérée par ajustement serré dans la fente (11) est configurée sous forme de paroi plate, étant en contact intime avec les surfaces de dissipation de chacune des portions de noyau magnétique (10’) indépendantes, c’est-à-dire, avec chaque surface principale de la paroi plate qui est en contact intime avec l’une des surfaces de dissipation.

L’élément thermiquement conducteur non magnétique (31) des deux demi-parties de la structure de refroidissement est interrompu par un entrefer, ou par un isolant électrique, de manière à éviter un contact électrique entre les deux demi-parties de la structure de refroidissement à travers la portion insérée dans le noyau magnétique (10) et entourée par l’enroulement électroconducteur (20).

Selon le mode de réalisation représenté sur laFIG. 2, chaque demi-partie du dissipateur de chaleur (32) est configurée sous forme de boîtier ouvert en partie supérieure, formant une portion d’un logement destiné au dispositif électromagnétique, au centre de laquelle se dresse la paroi plate, perpendiculairement à la base dudit logement, ladite paroi plate constituant une portion de l’élément thermiquement conducteur non magnétique (31) inséré dans le noyau.

Dans ce mode de réalisation, le dispositif électromagnétique comprend deux structures de refroidissement symétriques, définissant chacune une demi-partie du logement, de sorte que, lorsque le dispositif électromagnétique est assemblé, la combinaison des deux dissipateurs de chaleur (32) forme un logement qui renferme entièrement le dispositif électromagnétique.

Selon ce premier mode de réalisation, ledit logement est rempli d’une composition conductrice thermique (40) dans laquelle sont noyés le noyau magnétique (10) et l’enroulement électroconducteur (20), de manière à augmenter encore la transmission thermique de la chaleur à travers également ladite composition conductrice thermique (40) du noyau magnétique (10) vers le dissipateur de chaleur (32).

Dans le deuxième mode de réalisation, chaque demi-partie de la structure de refroidissement comporte un dissipateur de chaleur (32) définissant seulement une plaque de base ou une plaque supérieure, pouvant faire partie d’un logement après assemblage de parois supplémentaires, ou bien il peut s’agir d’une simple plaque de base ou plaque supérieure destinée à supporter tous les composants du dispositif électromagnétique et à faciliter la fixation de celui-ci sur un support, par exemple, à l’aide de vis venant s’insérer dans des orifices traversants prévus sur ladite plaque de base et plaque supérieure.

Ladite plaque peut également comporter, seulement de deux côtés de celle-ci, des parois latérales parallèles à l’élément conducteur thermique, les parois latérales offrant un logement plus sécuritaire que la seule plaque de base et pouvant venir de matière avec la paroi plate par un procédé d’extrusion.

Selon le deuxième mode de réalisation, la composition conductrice thermique (40) est coulée puis laissée durcir entre les dissipateurs de chaleur de la structure de refroidissement (30).

De manière optionnelle, chaque demi-partie de la structure de refroidissement comporte au moins une paroi plate ainsi que deux parois latérales parallèles à ladite au moins une paroi plate, la paroi plate et les parois latérales d’une demi-partie étant perpendiculaires à la paroi plate et les parois latérales de l’autre demi-partie, de sorte que le dispositif soit entièrement renfermé par les deux parois latérales d’une demi-partie et les deux autres parois latérales de l’autre demi-partie en étant encadré par quatre parois latérales et deux dissipateurs de chaleur, alors que chaque demi-partie est réalisée de manière économique et aisée par extrusion.

Selon un mode de réalisation préféré, le noyau magnétique présente une région centrale, allongée dans la direction de l’axe central (X), logée dans une ouverture centrale d’une région d’armature et reliée par ses extrémités à ladite région d’armature. L’enroulement électroconducteur (20) est enroulé autour de la région centrale, par exemple, sur une bobine 50 intercalée entre l’enroulement électroconducteur (20) et la région centrale du noyau magnétique (10).

La région centrale peut avoir une forme cylindrique ou prismatique telle qu’une forme de type cube.

Bien que dans les deux modes de réalisation, la fente (11) divise verticalement en deux la région centrale ainsi que la région d’armature, dans le premier mode de réalisation, la fente (11) divise transversalement la région d’armature en deux portions en forme de C, et dans le deuxième mode de réalisation, la fente (11) divise longitudinalement la région d’armature en deux armatures plus minces, chaque demi-partie de l’élément conducteur thermique ayant une forme de E en vue d’être insérée non seulement dans la région centrale du noyau magnétique, mais également entre les armatures plus minces. Dans ce cas, chaque demi-partie de l’élément conducteur thermique (31) présentera un bord supérieur, éloigné du dissipateur de chaleur (32) qui lui est relié, ayant un profil en forme de E définissant une saillie centrale insérée dans la région centrale du noyau magnétique, et deux saillies latérales insérées dans la région d’armature du noyau magnétique à distance de la région centrale. Ce mode de réalisation est visible dans les figures 4 et 5.

Dans les deux modes de réalisation, l’interstice (12) divise horizontalement en deux la région centrale et la région d’armature.

Claims (14)

1. Dispositif électromagnétique à refroidissement amélioré comprenant :
   un noyau magnétique (10) autour duquel est enroulé, autour d’un axe central (X), au moins un enroulement électroconducteur (20), le noyau magnétique (10) présentant au moins une fente (11), parallèle à l’axe central (X) et divisant le noyau magnétique (10) en plusieurs portions de noyau magnétique (10’) indépendantes, et
   au moins une structure de refroidissement (30) comportant chacune un dissipateur de chaleur (32) en liaison thermique avec au moins un élément conducteur thermique (31), chaque élément conducteur thermique (31) comportant une paroi plate, réalisée en un métal non magnétique, insérée par ajustement serré dans l’une des fentes (11) du noyau magnétique (10) en liaison thermique avec les portions de noyau magnétique (10’) ;
   caractérisé en ce que
   la structure de refroidissement (30) comporte également des canaux de refroidissement reliés à un circuit de refroidissement, les canaux de refroidissement étant ménagés sur le dissipateur de chaleur et/ou sur une portion de l’au moins un élément thermiquement conducteur (31) de la structure de refroidissement (30) ; et
   les canaux de refroidissement comportant plusieurs perçages parallèles (61) et au moins un perçage transversal (62) intersecté avec lesdits plusieurs perçages parallèles (61) de manière à les relier entre eux.
2. Dispositif électromagnétique selon la revendication 1, dans lequel certains au moins des perçages parallèles (61) sont des perçages borgnes ménagés sur l’au moins un élément thermiquement conducteur (31) de la structure de refroidissement (30) et présentent une paroi interne (63) insérée par ajustement serré dans ceux-ci, la paroi interne (63) divisant longitudinalement le perçage borgne en deux canaux et définissant une liaison entre ces deux canaux dans une partie inférieure du perçage borgne.
3. Dispositif électromagnétique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’au moins un élément conducteur thermique (31) est plusieurs éléments conducteurs thermiques parallèles et/ou perpendiculaires (31).
4. Dispositif électromagnétique selon la revendication 2 ou 3, dans lequel certains au moins des canaux de refroidissement sont ménagés sur la paroi plate insérée par ajustement serré dans la fente (11), ou alors sont ménagés sur des portions des éléments thermiquement conducteurs externes à la fente (11), qui constituent des éléments thermiquement conducteurs externes, étant en liaison thermique avec la paroi plate insérée par ajustement serré dans la fente (11).
5. Dispositif électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque dissipateur de chaleur (32) est un logement accueillant au moins en partie le noyau magnétique (10), ou une portion dudit logement.
6. Dispositif électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments conducteurs thermiques (31) comportent, en outre, au moins un élément conducteur thermique externe adjacent à, et en liaison thermique avec, l’extérieur du noyau magnétique (10), l’élément conducteur thermique externe étant réalisé en un métal non magnétique et étant en liaison thermique avec le dissipateur de chaleur (32), et/ou avec la paroi plate insérée par ajustement serré dans l’une des fentes du noyau magnétique.
7. Dispositif électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dissipateur de chaleur (32) et l’élément conducteur thermique (31) relié thermiquement à celui-ci constituent un élément d’une seule pièce réalisé en métal coulé, en aluminium coulé ou en alliage d’aluminium coulé, ou un élément d’une seule pièce réalisé en métal extrudé, en aluminium extrudé ou en alliage d’aluminium extrudé qui est extrudé en direction perpendiculaire à l’axe central (X).
8. Dispositif électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure de refroidissement (30) est divisée en deux demi-parties, superposées dans la direction de l’axe central (X), chaque demi-partie comportant un dissipateur de chaleur (32) et une portion des éléments conducteurs thermiques (31) reliés thermiquement au dissipateur de chaleur (32) correspondant, et le passage de courants d’induction à travers la structure de refroidissement (30) est interdit au moyen d’un entrefer, ou d’un isolant électrique, situé entre les portions des éléments conducteurs thermiques (31) entourées par l’enroulement électroconducteur (20) et/ou entre les portions de la structure de refroidissement (30) entourant l’enroulement électroconducteur (20).
9. Dispositif électromagnétique selon la revendication 8, dans lequel chaque demi-partie de la structure de refroidissement (30) est un élément d’une seule pièce réalisé en métal extrudé, en aluminium extrudé ou en alliage d’aluminium extrudé qui est extrudé en direction perpendiculaire à l’axe central (X), la paroi plate d’une demi-partie étant perpendiculaire à la paroi plate de l’autre demi-partie.
10. Dispositif électromagnétique selon la revendication 9, dans lequel chaque demi-partie de la structure de refroidissement comporte, en outre, deux parois latérales, parallèles à la paroi plate, adjacentes à un côté extérieur du noyau magnétique (10).
11. Dispositif électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le noyau magnétique (10) et l’au moins un enroulement électroconducteur (20) sont noyés dans une composition conductrice thermique (40), la composition conductrice thermique (40) étant en contact thermique avec chaque dissipateur de chaleur (32).
12. Dispositif électromagnétique selon la revendication 11, dans lequel la composition conductrice thermique comprend :
    un mélange d’une résine de silicone et d’au moins une première charge ou d’une résine de silicone et d’une première charge incluant une charge minérale naturelle ; ou
    un mélange d’une résine de silicone et d’au moins une première charge ou d’une résine de silicone et d’une première charge incluant une charge minérale naturelle et d’une deuxième charge incluant de l’hydroxyde d’aluminium.
13. Dispositif électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le noyau magnétique comporte, en outre, un interstice magnétique (12), perpendiculaire à l’axe central (X), destiné à accroître les performances magnétiques du noyau magnétique (10), ledit interstice (12) divisant entièrement chacune des portions de noyau magnétique (10’) indépendantes en deux tronçons indépendants.
14. Dispositif électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un enroulement électroconducteur (20) est enroulé autour d’une bobine (50) intercalée entre l’au moins un enroulement électroconducteur (20) et le noyau magnétique (10).