FR2784788A1

FR2784788A1 - E-SHEET AND TRANSFORMER CONSISTING OF A STACK OF SUCH SHEETS

Info

Publication number: FR2784788A1
Application number: FR9813063A
Authority: FR
Inventors: Jean Louis Cocquerelle; Patrice Levron
Original assignee: Universite de Nantes
Current assignee: Universite de Nantes
Priority date: 1998-10-19
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 2000-04-21

Abstract

L'invention concerne une tôle en E, obtenue par découpe sans perte de tôle de dimension standard, pour la fabrication de transformateur BE monophasé constitué d'un empilement de tôles planes en E fermées chacune par une tôle en I, l'empilement des branches centrales (3) des tôles (1) en E constituant le noyau du transformateur. Cette tôle est caractérisée en ce que, pour améliorer le rendement du transformateur, chaque tôle (1) présente, pour une longueur du dos (2) du E égale à 3 L, une largeur de la branche centrale (3) du E égale à KL et une largeur des branches latérales (4) du E égale à L x (1-K/ 2), la valeur de K étant strictement supérieure à 1 et inférieure ou égale à 1, 25 de sorte que la section du noyau du transformateur est augmentée sans ajout de matière.The invention relates to an E sheet, obtained by cutting without loss of standard size sheet, for the manufacture of single-phase BE transformer consisting of a stack of plane E sheets each closed by an I sheet, the stack of branches central (3) sheets (1) in E constituting the core of the transformer. This sheet is characterized in that, to improve the efficiency of the transformer, each sheet (1) has, for a length of the back (2) of the E equal to 3 L, a width of the central branch (3) of the E equal to KL and a width of the lateral branches (4) of E equal to L x (1-K / 2), the value of K being strictly greater than 1 and less than or equal to 1.25 so that the section of the core of the transformer is increased without adding material.

Description

Tôle en E et transformateur constitué d'un empilement de telles tôles
La présente invention concerne une tôle en E obtenue, par découpe sans perte, de tôle de dimension standard, ainsi qu'un transformateur constitué d'un empilement de telles tôles.E-sheet and transformer consisting of a stack of such sheets
The present invention relates to an E-shaped sheet obtained, by lossless cutting, of sheet of standard size, as well as a transformer made up of a stack of such sheets.

Les transformateurs BF monophasés sont constitués de manière classique d'un empilement de tôles planes en E, chaque tôle plane en E étant fermée par une tôle en I.Single-phase LF transformers are conventionally made up of a stack of flat sheets at E, each flat sheet at E being closed by a sheet at I.

Tôles en E et en I constituent ainsi un circuit magnétique fermé. L'empilement des branches centrales des E des tôles en E constitue le noyau du transformateur. Ce noyau est équipé de bobinages. Ainsi, chaque transformateur comporte un enroulement primaire et un enroulement secondaire situés sur le circuit magnétique. Dans le cas de tôles en E, les enroulements primaire et secondaire entourent la branche centrale de la tôle en E.Sheets at E and at I thus constitute a closed magnetic circuit. The stack of central branches of the E of the sheets at E constitutes the core of the transformer. This core is equipped with windings. Thus, each transformer has a primary winding and a secondary winding located on the magnetic circuit. In the case of E-sheets, the primary and secondary windings surround the central branch of the E-sheet.

Ces tôles en E et en I sont obtenues par découpe d'une tôle de dimension standard dans laquelle on ménage en vis à vis deux tôles en E par enlèvement de deux lames qui correspondent aux deux tôles en I. Jusqu'à présent on réalisait ainsi des tôles en E dont la largeur de la branche centrale du E correspondait strictement au double de la largeur des branches latérales du E. Les inventeurs ont montré qu'en utilisant la mme surface qu'une tôle standard, il était possible, par une procédure simple et non coûteuse, d'augmenter la puissance massique rapportée au poids de matériau magnétique du transformateur ou de changer la nature des conducteurs utilisés pour les enroulements sans nuire à la puissance maximale du transformateur.These E and I sheets are obtained by cutting a standard size sheet in which two E sheets are face to face by removing two blades which correspond to the two I sheets. Until now, this has been achieved sheets in E whose width of the central branch of E corresponds strictly to twice the width of the lateral branches of E. The inventors have shown that using the same surface as a standard sheet, it was possible, by a procedure simple and inexpensive, to increase the specific power relative to the weight of magnetic material of the transformer or to change the nature of the conductors used for the windings without harming the maximum power of the transformer.

Le but de la présente invention est donc de proposer une tôle en E et un transformateur obtenu par empilement de telles tôles dont la conception, en particulier au niveau des dimensions, permet, avec la mme surface qu'une tôle standard, d'augmenter de jusqu'à 20 % la valeur de la puissance massique rapportée au matériau magnétique du transformateur de destination, ou permet, sans réduction appréciable de la puissance maximale, de changer le matériau constitutif des enroulements primaire et secondaire (usuellement le cuivre) pour utiliser un matériau moins conducteur mais moins onéreux (par exemple l'aluminium).The object of the present invention is therefore to propose an E-shaped sheet and a transformer obtained by stacking such sheets whose design, in particular in terms of dimensions, allows, with the same surface area as a standard sheet, to increase by up to 20% the value of the specific power compared to the magnetic material of the destination transformer, or allows, without appreciable reduction of the maximum power, to change the material of the primary and secondary windings (usually copper) to use a material less conductive but less expensive (for example aluminum).

A cet effet, l'invention a pour objet une tôle en E, obtenue par découpe sans perte de tôle de dimension standard, pour la fabrication de transformateurs BF monophasés constitués d'un empilement de tôles planes en E fermées chacune par une tôle en I, l'empilement des branches centrales des tôles en E constituant le noyau du transformateur autour duquel sont disposés des enroulements, caractérisée en ce que, pour améliorer le rendement du transformateur, chaque tôle, réalisée de manière symétrique par rapport à l'axe transversal médian du dos du E, présente, pour une longueur du dos du E égale à 3 L, une largeur de la branche centrale du E égale à KL et une largeur des branches latérales du E égale à :
L x (1-K/2), la valeur de K étant strictement supérieure à 1 et inférieure ou égale à 1,25 de sorte que la section du noyau du transformateur est augmentée sans ajout de matière.To this end, the subject of the invention is an E-shaped sheet, obtained by cutting without loss of standard-sized sheet, for the manufacture of single-phase LF transformers consisting of a stack of flat E-shaped sheets each closed by an I-shaped sheet , the stack of central branches of the E-shaped sheets constituting the core of the transformer around which windings are arranged, characterized in that, to improve the efficiency of the transformer, each sheet, produced symmetrically with respect to the median transverse axis of the back of the E, has, for a length of the back of the E equal to 3 L, a width of the central branch of the E equal to KL and a width of the lateral branches of the E equal to:
L x (1-K / 2), the value of K being strictly greater than 1 and less than or equal to 1.25 so that the section of the transformer core is increased without adding material.

Grâce à la modification de la largeur de la branche centrale du E par augmentation de la largeur de cette dernière au détriment de la largeur des branches latérales du E, on obtient, pour une surface de tôle de départ identique, une tôle en E permettant l'obtention d'un transformateur aux performances améliorées et/ou à un coût moindre.Thanks to the modification of the width of the central branch of the E by increasing the width of the latter at the expense of the width of the lateral branches of the E, one obtains, for an identical starting sheet surface, a sheet in E allowing the '' obtaining a transformer with improved performance and / or at a lower cost.

Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, la valeur optimale de K à l'intérieur de la plage] 1-1, 25] est déterminée à partir de l'étude de la cartographie des températures en chaque point de la tôle établie à partir de la simulation du comportement de la tôle dans un transformateur, la température des branches latérales devant tre voisine de la température maximale des enroulements du transformateur en régime de pleine charge permanente, cette température maximale des enroulements étant inférieure à une température seuil définie par construction.According to a preferred embodiment of the invention, the optimal value of K within the range] 1-1, 25] is determined from the study of the temperature mapping at each point of the established sheet from the simulation of the behavior of the sheet in a transformer, the temperature of the lateral branches having to be close to the maximum temperature of the windings of the transformer in full permanent load regime, this maximum temperature of the windings being below a threshold temperature defined by construction.

L'invention a encore pour objet un transformateur BF monophasé constitué d'un empilement de tôles planes en E fermées chacune par des tôles planes en I, lesdites tôles en E et en I étant obtenues par découpe sans perte de tôle standard, caractérisé en ce que chaque tôle en E de l'empilement est du type précité.The subject of the invention is also a single-phase LF transformer consisting of a stack of flat sheets in E each closed by flat sheets in I, said sheets in E and in I being obtained by cutting without loss of standard sheet, characterized in that that each sheet at E of the stack is of the aforementioned type.

L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 représente une vue de dessus d'une tôle de
dimension standard sur laquelle des découpes ont été
effectuées pour obtenir, par découpe sans perte, deux
tôles en E et deux tôles en I conformes à l'invention ;
la figure 2 représente une vue de dessus d'un
assemblage d'une tôle en E et d'une tôle en I faisant
parties de l'empilement nécessaire à la réalisation du
circuit magnétique des transformateurs basse fréquence
monophasés et
la figure 3 représente la cartographie des
températures des tôles en E et en I d'un
transformateur.The invention will be clearly understood on reading the following description of exemplary embodiments, with reference to the appended drawings in which:
Figure 1 shows a top view of a sheet of
standard dimension on which cutouts have been
performed to obtain, by lossless cutting, two
E-sheets and two I-sheets according to the invention;
Figure 2 shows a top view of a
assembly of an E plate and an I plate making
parts of the stack necessary to achieve the
low frequency transformers magnetic circuit
single-phase and
Figure 3 represents the cartography of
plate temperatures in E and I of a
transformer.

Les nouveaux outils informatiques permettent d'étudier les transformateurs BF monophasés de manière beaucoup plus approfondie que par le passé. Les méthodes et les logiciels de modélisation et de simulation actuels, en particulier à partir de la méthode des éléments finis, autorisent une approche moins conventionnelle que par l'observation des courants et des tensions. Les inventeurs de la présente invention ont donc mis à profit ces améliorations pour étudier la cartographie des champs et des températures en tout point d'un transformateur et en particulier du circuit magnétique. Appliquée à un transformateur monophasé à tôles
E + I en régime de charge nominal, l'étude de ces cartographies permet d'observer deux particularités essentielles, à savoir : -le niveau d'induction est moins important aux périphéries du circuit magnétique (branches latérales 4 du E, dos 2 du
E et barre 5 du I), -la température en régime d'équilibre est plus élevée dans les enroulements 7 et moins élevée dans les parties extérieures du circuit magnétique.New IT tools allow the study of single-phase LF transformers to be carried out in much greater depth than in the past. Current modeling and simulation methods and software, in particular using the finite element method, allow a less conventional approach than by observing currents and voltages. The inventors of the present invention have therefore taken advantage of these improvements to study the mapping of fields and temperatures at any point of a transformer and in particular of the magnetic circuit. Applied to a single-phase plate transformer
E + I in nominal load regime, the study of these maps makes it possible to observe two essential features, namely: -the level of induction is less important at the peripheries of the magnetic circuit (lateral branches 4 of E, back 2 of
E and bar 5 of I), -the temperature in steady state is higher in the windings 7 and lower in the outer parts of the magnetic circuit.

A partir de cette étude, les inventeurs ont donc conclu qu'il était possible de réduire le volume de matériau magnétique où le niveau d'induction est moindre, c'est-à- dire dans les branches latérales du E, cette réduction devant s'accompagner d'une vérification de l'augmentation de température du matériau réduit, cette augmentation de température pouvant résulter de l'accroissement localisé de l'induction et des pertes fer correspondantes. Cette élévation de température doit rester dans des limites technologiques acceptables et ne doit pas provoquer indirectement en régime stabilisé un accroissement de la température maximale utilisée au niveau des bobinages ou enroulements 7. Les essais par simulation d'une part, et directement sur les échantillons d'autre part, ont montré que la température des matériaux magnétiques, après réduction du volume, s'élève essentiellement au niveau des branches latérales du E et peut rejoindre celle des enroulements observés au point le plus chaud sans que cette dernière évolue de manière sensible. On obtient alors une meilleure répartition et donc un équilibre thermique optimisé du transformateur.From this study, the inventors therefore concluded that it was possible to reduce the volume of magnetic material where the induction level is lower, that is to say in the lateral branches of E, this reduction before s 'Accompany a verification of the temperature increase of the reduced material, this temperature increase may result from the localized increase in induction and the corresponding iron losses. This rise in temperature must remain within acceptable technological limits and must not indirectly cause, under stabilized conditions, an increase in the maximum temperature used at the level of the windings or windings 7. The tests by simulation on the one hand, and directly on the samples of 'on the other hand, have shown that the temperature of magnetic materials, after reduction of the volume, rises essentially at the level of the lateral branches of the E and can join that of the windings observed at the hottest point without the latter evolving appreciably. A better distribution is thus obtained and therefore an optimized thermal equilibrium of the transformer.

Ces observations ont permis de déterminer de manière précise la valeur de la largeur pouvant tre autorisée pour la branche centrale 3 du E, cet accroissement de la valeur de la largeur de la branche centrale du E correspondant à une réduction de la valeur de la largeur des branches latérales 4 du E de manière à pouvoir travailler avec des tôles de mme surface que celles utilisées à ce jour.These observations made it possible to precisely determine the value of the width that can be authorized for the central branch 3 of E, this increase in the value of the width of the central branch of E corresponding to a reduction in the value of the width of the lateral branches 4 of the E so as to be able to work with sheets of the same surface as those used to date.

Ces nouvelles dimensions ne nuisent toutefois en aucun cas à la découpe des tôles en E qui peut toujours s'obtenir par découpe sans perte de tôle de dimension standard. En effet, les tôles en E et en I sont obtenues à partir d'une tôle standard de dimension 3L x 4L identique à celles utilisées pour la réalisation de tôles en E classiques. Dans cette tôle, le positionnement des lignes de coupe a été modifié de telle sorte que les lames découpées servant à la réalisation des tôles en I sont écartées l'une de l'autre d'une distance KL. Elles sont par ailleurs écartées du bord libre de la tôle standard d'une distance x = L x (1-K/2).These new dimensions do not, however, in any way harm the cutting of E-sheets which can always be obtained by cutting without losing standard-size sheets. Indeed, the E and I sheets are obtained from a standard sheet of dimension 3L x 4L identical to those used for the production of conventional E sheets. In this sheet, the positioning of the cutting lines has been modified so that the cut blades used to produce the I-sheets are spaced from each other by a distance KL. They are also separated from the free edge of the standard sheet by a distance x = L x (1-K / 2).

En conséquence, ce simple déport de la découpe des lames du
I vers l'extérieur de la tôle permet d'obtenir un empilement de tôles qui aboutira à un transformateur dont le noyau est de plus grande dimension sans ajout de matière.Consequently, this simple offset from the cutting of the blades of the
I towards the outside of the sheet makes it possible to obtain a stack of sheets which will lead to a transformer whose core is larger without adding material.

La tôle en E résultant de la découpe de la tôle standard est telle que cette dernière est réalisée de manière symétrique par rapport à l'axe XX'transversal médian du dos 2 du E. Cette tôle 1 présente, pour une longueur du dos 2 du E égale à 3 L, une largeur de la branche centrale 3 du
E égale à KL et une largeur des branches latérales 4 du E égale à L x (1-K/2), la valeur de K étant strictement supérieure à 1 et inférieure ou égale à 1,25.The sheet in E resulting from the cutting of the standard sheet is such that the latter is produced symmetrically with respect to the median XX'transversal axis of the back 2 of the E. This sheet 1 has, for a length of the back 2 of the E equal to 3 L, a width of the central branch 3 of the
E equal to KL and a width of the lateral branches 4 of E equal to L x (1-K / 2), the value of K being strictly greater than 1 and less than or equal to 1.25.

La valeur optimale de K à l'intérieur de cette plage est déterminée à partir de l'étude de la cartographie (figure 3) des températures en chaque point de la tôle établie à partir de la simulation du comportement de la tôle dans un transformateur, la température des branches latérales 4 du
E devant rejoindre celle des enroulements 7 en régime de pleine charge permanente. On obtient ainsi, comme mentionné ci-dessus, une meilleure répartition des températures, donc un équilibre thermique optimisé.The optimal value of K within this range is determined from the study of the mapping (FIG. 3) of the temperatures at each point of the sheet, established from the simulation of the behavior of the sheet in a transformer, the temperature of the side branches 4 of the
E must join that of the windings 7 under full load permanent regime. As mentioned above, a better temperature distribution is thus obtained, therefore an optimized thermal equilibrium.

Pour obtenir un circuit magnétique en position fermée parfaitement équilibré, la largeur du dos 2 du E de la tôle 1 en E est égale à la longueur de l'espace libre 6 entre branche centrale 3 et branche latérale 4 du E. Ceci est également une condition pour obtenir une découpe sans perte de la tôle standard de départ. Dans les exemples représentés, la largeur du dos 2 du E est égale à L/2. La longueur de chaque branche 3,4 du E est quant à elle égale à la moitié de la longueur du dos 2.To obtain a perfectly balanced magnetic circuit in the closed position, the width of the back 2 of the sheet metal E 1 in E is equal to the length of the free space 6 between central branch 3 and side branch 4 of E. This is also a condition to obtain a cut without loss of the standard starting sheet. In the examples shown, the width of the back 2 of the E is equal to L / 2. The length of each branch 3,4 of the E is in turn equal to half the length of the back 2.

Pour permettre la réalisation d'un transformateur BF monophasé, les tôles en E et en I décrites ci-dessus sont empilées. Le nombre de tôles en E d'épaisseur e de l'empilement est égal à KL/e pour obtenir un noyau de transformateur, correspondant à l'empilement des branches centrales du E, de section carrée. Le fait d'avoir augmenté cette section du noyau central et donc d'avoir augmenté la quantité de fer du noyau permet de réduire le nombre de spires des enroulements à induction égale. Ce nombre de spires pouvant tre diminué dans un emplacement 6 de dimension identique à celle d'une tôle standard, il est alors possible d'augmenter la section du conducteur utilisé pour l'enroulement. On peut alors imaginer, à courant identique, de remplacer un matériau très conducteur comme le cuivre par un matériau moins conducteur et souvent moins cher et plus léger, tel que l'aluminium. En effet, à tension et fréquence données et induction maximale fixée, le produit N1S (produit du nombre N1 de spires primaires par la section S du noyau central) est fixé. Par suite, Ni est divisé par K si S est multipliée par K. On peut donc, avec la mme fentre de bobinage, multiplier approximativement la section des conducteurs par K2. Une valeur de K2 de 3/2 environ permettrait de passer du cuivre à l'aluminium. La valeur précise de K dépendra toutefois des résultats acquis par la modélisation magnéto-thermique effectuée sur la version cuivre. Pour les mmes raisons, on constate que le gain en puissance massique rapporté au seul matériau de la tôle, généralement du fer, est donc égal à :
K x CTH, le CTH étant un coefficient réducteur lié à une légère baisse du régime de charge introduit pour maintenir la température au point le plus chaud (un endroit précis du cuivre déterminé par la modélisation magnéto-thermique) égale à celle que l'on aurait avec un transformateur à tôle standard de mme puissance nominale. Ce gain peut atteindre 20 % x CTH. To allow the realization of a single-phase LF transformer, the E and I sheets described above are stacked. The number of sheets at E of thickness e of the stack is equal to KL / e to obtain a transformer core, corresponding to the stack of central branches of E, of square section. Having increased this section of the central core and therefore having increased the quantity of iron in the core makes it possible to reduce the number of turns of the windings with equal induction. As this number of turns can be reduced in a location 6 of dimension identical to that of a standard sheet, it is then possible to increase the section of the conductor used for winding. One can then imagine, at identical current, to replace a very conductive material like copper by a less conductive and often cheaper and lighter material, such as aluminum. Indeed, at given voltage and frequency and fixed maximum induction, the product N1S (product of the number N1 of primary turns by the section S of the central core) is fixed. Consequently, Ni is divided by K if S is multiplied by K. It is therefore possible, with the same winding window, to multiply approximately the cross section of the conductors by K2. A K2 value of approximately 3/2 would allow copper to be switched from aluminum. The precise value of K will however depend on the results acquired by the magneto-thermal modeling carried out on the copper version. For the same reasons, we see that the gain in mass power related to the sole material of the sheet, generally iron, is therefore equal to:
K x CTH, CTH being a reducing coefficient linked to a slight drop in the charge regime introduced to maintain the temperature at the hottest point (a precise location of the copper determined by magneto-thermal modeling) equal to that which one would have with a standard sheet metal transformer of the same nominal power. This gain can reach 20% x CTH.

Claims

CLAIMS 1. Sheet (1) in E, obtained by cutting without loss of standard size sheet, for the manufacture of single-phase LF transformers made up of a stack of flat sheets in E, each closed by a sheet (5) in I, l 'stack of central branches (3) of the sheets (1) in E constituting the core of the transformer around which are wound windings (7), characterized in that, to improve the efficiency of the transformer, each sheet (1), made of symmetrically with respect to the median transverse axis (XX ') of the back (2) of the E, has, for a length of the back (2) of the E equal to 3 L, a width of the central branch (3) of the E equal to KL and a width of the lateral branches (4) of E equal to L x (1-K / 2), the value of K being strictly greater than 1 and less than or equal to 1,

25 so that the section of the transformer core is increased without adding material.

2. Sheet according to claim 1, characterized in that the optimal value of K within the range] 1-1, 25] is determined from the study of the temperature mapping at each point of the sheet established from the simulation of the sheet metal behavior in a transformer, the temperature of the lateral branches having to be close to the maximum temperature of the transformer windings under full permanent load conditions, this maximum temperature of the windings being below a defined threshold temperature by construction.

3. Sheet according to one of claims 1 and 2, characterized in that the width of the back (2) of the E of the sheet (1) in E is equal to the length of the free space (6) between central branch (3) and lateral branch (4) of E.

4. Sheet according to one of claims 1 to 3, characterized in that the width of the back (2) of the E is equal to L / 2.

5. Sheet according to one of claims 1 to 4, characterized in that the length of each branch (3, 4) of the E is equal to half the length of the back.

6. Single-phase LF transformer consisting of a stack of flat sheets in E closed by flat sheets in I, said sheets in E and in I being obtained by cutting without loss of standard sheet, characterized in that each sheet in E of l stack according to one of claims 1 to 5.

7. Transformer according to claim 6, characterized in that the number of sheets at E of thickness e of the stack is equal to KL / e.