FR3150060A1 - Un dispositif à noyau magnétique et un convertisseur de puissance - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un convertisseur de puissance comportant un boîtier dans lequel est monté un ensemble conducteur comprenant un jeu de barres omnibus, le boitier formant localement une cavité dans laquelle est logé au moins partiellement un dispositif de noyau magnétique, le dispositif de noyau magnétique entourant au moins partiellement le jeu de barres omnibus dans la cavité, la cavité contenant une résine immergeant une partie du dispositif de noyau magnétique.
Figure pour l’abrégé : Fig. 2
Description
La présente invention concerne un dispositif à noyau magnétique et un convertisseur de puissance.
Les convertisseurs de puissance d'un véhicule électrique ou hybride électrique sont conçus pour convertir une tension d'entrée en une tension de sortie destinée à alimenter l'entraînement électrique ou d'autres équipements électriques du véhicule.
Comme on le sait, un véhicule électrique ou hybride électrique comprend un entraînement électrique composé d'un moteur électrique et d'un onduleur qui convertit une tension continue (DC) en une tension alternative (AC) afin d'entraîner le moteur électrique. En plus de l' onduleur, le véhicule électrique ou hybride électrique comprend d'autres convertisseurs de puissance tels qu'un chargeur embarqué connecté à un réseau électrique alternatif et chargeant ainsi l'électricité dans une batterie du véhicule, ou un convertisseur DC/DC.
Un convertisseur de puissance comprend un ou plusieurs dispositifs à noyau magnétique qui sont logés dans un boîtier monté du convertisseur de puissance et sont fixés audit boîtier. Les dispositifs de noyau magnétique peuvent être utilisés pour empêcher ou limiter les effets indésirables tels que les interférences électromagnétiques (EMI) des éléments du convertisseur de puissance.
Bien que le noyau magnétique soit fixé à la surface intérieure du boîtier, dans le cas de noyau magnétique lourds notamment pour des onduleurs haute tension (supérieure à 400V), lorsque le convertisseur de puissance subit une vibration, un impact incontrôlé et/ou une température élevée inattendue, la seule fixation par colle ou écrous ne peut pas garantir que le noyau magnétique soit toujours correctement fixé à sa propre position prédéterminée. Un déplacement du noyau magnétique résulterait en une diminution des performances, voire un dysfonctionnement du dispositif de noyau magnétique et/ou de l'ensemble du convertisseur de puissance, et potentiellement à une casse mécanique.
Par conséquent, l'objectif principal de la présente invention est de fournir un mécanisme de fixation qui permet d'améliorer la robustesse du dispositif de noyau magnétique et du convertisseur de puissance tout en réduisant le coût de fabrication.
La présente invention concerne un convertisseur de puissance comportant un boîtier dans lequel est monté un ensemble conducteur comprenant un jeu de barres omnibus, le boitier formant localement une cavité dans laquelle est logé au moins partiellement un dispositif de noyau magnétique, le dispositif de noyau magnétique entourant au moins partiellement le jeu de barres omnibus dans la cavité, la cavité contenant une résine immergeant une partie du dispositif de noyau magnétique.
Le convertisseur de puissance selon l'invention peut être un onduleur qui convertit une tension continue en une tension alternative afin d'entraîner un moteur électrique d'un entraînement électrique d'un véhicule électrique ou d'un véhicule électrique hybride. La tension alternative peut être une tension alternative polyphasée, en particulier une tension alternative triphasée. En variante, le convertisseur de puissance peut être un chargeur embarqué ou un convertisseur CC/CC du véhicule électrique ou du véhicule électrique hybride.
La résine permet de maintenir le dispositif de noyau magnétique en position dans le boitier malgré les vibrations.
La résine contenue dans la cavité entoure avantageusement le dispositif de noyau magnétique.
Une hauteur de résine dans la cavité selon une direction transverse à un fond de la cavité est au moins 30% de la hauteur du dispositif de noyau selon ladite direction.
Une telle hauteur est un compromis valable entre le poids additionnel lié à l’ajout de résine et le maintien en position du dispositif de noyau magnétique dans la cavité.
La résine immerge avantageusement au moins une portion de la partie du jeu de barres omnibus entourée par le dispositif de noyau magnétique.
Une telle immersion dans la résine permet le maintien des barres omnibus dans la cavité ainsi qu’une bonne évacuation thermique des calories dans les barres omnibus.
La résinée immerge au moins 30% de la partie du jeu de barres omnibus entourée par le dispositif de noyau magnétique, et avantageusement au moins 50%.
Le boîtier comporte avantageusement un ensemble de canalisations destiné à recevoir un liquide de refroidissement de la chaleur générée dans le boîtier et agencé pour évacuer la chaleur générée dans le boîtier au moins une des canalisations longeant le dispositif de noyau magnétique.
Un tel système de refroidissement permet de mutualiser l’avantage de l’évacuation des calories par la résine avec le bénéfice d’avoir ensuite la proximité de la résine avec le circuit de refroidissement, pour évacuer plus efficacement les calories de la résine.
La résine a une conductivité thermique comprise entre 1 et 4 W/m.K, pour une bonne évacuation thermique.
Un autre aspect de l'invention est un entraînement électrique comprenant un moteur électrique et l'onduleur tel que décrit ci-dessus, configuré pour convertir une tension continue en une tension alternative, afin d'entraîner le moteur électrique.
Un autre aspect de l'invention est un véhicule électrique ou un véhicule électrique hybride, comprenant l'entraînement électrique configuré pour entraîner le véhicule électrique ou un véhicule électrique hybride.
Bien que les modes de réalisation aient été décrits en référence à un certain nombre de modes de réalisation illustratifs, il faut comprendre que d'autres modifications et modes de réalisation peuvent être dérivés par les personnes compétentes dans l'art qui entreront dans le cadre des principes de cette divulgation.
Ces objets, caractéristiques, aspects et avantages de la présente invention, ainsi que d'autres, deviendront apparents pour l'homme du métier à partir de la description détaillée suivante qui, prise conjointement avec les dessins annexés, divulgue des modes de réalisation préférés de la présente invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, et en se référant aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets similaires et dans lesquels :
La illustre un convertisseur de puissance selon un mode de réalisation de la présente invention ;
Les figures 2 et 3 illustrent un dispositif de noyau magnétique du convertisseur de puissance, le dispositif de noyau magnétique étant partiellement immergé dans de la résine ;
La illustre le circuit de refroidissement du convertisseur de puissance.
Plusieurs modes de réalisation de la présente invention seront détaillés ci-après en référence aux dessins. Il sera évident pour l'homme du métier que la description qui suit de ces modes de réalisation de la présente invention n'est fournie qu'à titre d'illustration et non dans le but de limiter l'invention telle que définie par les revendications annexées et leurs équivalents.
L'invention concerne un véhicule électrique ou un véhicule électrique hybride comprenant des roues et un entraînement électrique configuré pour entraîner, au moins indirectement, au moins une des roues du véhicule. L'entraînement électrique comprend un moteur électrique et un onduleur comme convertisseur de puissance, l'onduleur étant configuré pour entraîner le moteur électrique au moyen d'une tension alternative générée par l'onduleur. Le convertisseur de puissance peut être, en variante, un chargeur embarqué ou un convertisseur CC/CC du véhicule électrique ou du véhicule électrique hybride.
La illustre un convertisseur de puissance 100 selon un mode de réalisation de la présente invention. Le convertisseur de puissance 100 peut être, comme mentionné ci-dessus, un onduleur configuré pour convertir une tension continue en une tension alternative afin d'entraîner le moteur électrique. La tension alternative peut être une tension alternative multiphasée, en particulier une tension alternative triphasée.
Le convertisseur de puissance 100 comprend un boîtier 110, un dispositif à noyau magnétique 1, et une carte électronique montée sur une plaque inférieure du boîtier 110. Le boîtier 110 est de préférence constitué d'un matériau conducteur (par exemple, tel que AlSi12(fe)) et peut être fabriqué par un procédé de moulage sous pression. La carte électronique est de préférence une carte de circuit imprimé (PCB). Un ensemble conducteur 120, à courant continu, comprend un jeu de barres omnibus 121 (c'est-à-dire des bornes positives et négatives). Les barres omnibus 121 ont de préférence la forme de plaques.
Dans la suite de la description le boitier du convertisseur est d’axe X illustré à la , c’est-à-dire que l’axe X est perpendiculaire à un fond du boitier, la « hauteur » sera donc définie selon la direction de l’axe X et le terme « face transversale » désignera les surfaces contenant l’axe X.
Le boîtier 110 comprend un couvercle supérieur, la plaque inférieure, des parois latérales et une chambre principale définie par la plaque inférieure et les parois latérales. La chambre principale est utilisée pour loger la carte électronique et le ou les dispositifs de noyau magnétique 1 du convertisseur de puissance 100. D'autres éléments du convertisseur de puissance 100, tels qu'une carte supportant d’autres composants électronique servant ou non au filtrage CEM (peut aussi comprendre des éléments de mesure de courant), un dissipateur thermique et certains composants électroniques, peuvent également être logés dans la chambre principale.
Le boitier 110 comprend également au moins une paroi intérieure définissant une cavité 111 dans la chambre principale. Comme illustré à la , la paroi intérieure comprend deux portions : une première portion 110a s’étend par exemple depuis une paroi latérale du boîtier en formant un fond pour la cavité sensiblement parallèle à la plaque inférieure et une deuxième portion 110b qui s’étend continument depuis la première portion 110a forme une paroi latérale de la cavité 111 sensiblement parallèle à la paroi latérale du boitier dont elle s’étend.
Le volume de la cavité ouverte 111 est donc défini par une partie de la paroi latérale du boitier, et la paroi intérieure 110a, 110b, qui s’étend depuis cette paroi latérale. Le volume de la cavité est finalement défini par des parois longitudinales en amont et en aval du dispositif de noyau magnétique.
Le dispositif de noyau magnétique 1 comprend un corps 51 comprenant un noyau magnétique 3, le corps étant logé dans la cavité 111. Le dispositif 1 comprend également au moins une patte de fixation 7 du corps au boitier 110.
Le corps 51 a avantageusement une forme complémentaire à celle de la cavité 111. Le corps illustré à la comprend avantageusement deux parois latérales opposées 55c et 55d qui sont respectivement en regard des parois latérales de la cavité. Le corps comprend une partie inférieure 54 en regard du fond de la cavité et une partie supérieure 53 opposée à la partie inférieure. Dans le mode de réalisation illustré, la hauteur des parois latérales de la cavité est de l’ordre de la hauteur des parois latérales du corps 51.
Les figures 2 et 3 illustrent une coupe transversale du dispositif à noyau magnétique 1 logé dans la cavité.
A la , une résine versée dans la cavité 111 entoure le corps 51 de sorte que la partie inférieure et au moins une partie des parois latérales 55c et 55d sont au contact de la résine.
Avantageusement la hauteur de résine dans la cavité est au moins 30 pourcents de la hauteur du dispositif de noyau.
La résine a une conductivité thermique allant de 1 à 3-4W/m.K, telles que de l’epoxy ou une autre résine à base de Silicone, permettant de diminuer la température des barres omnibus, le corps ne chauffant pas. La résine, une fois polymérisée, présente également des propriétés mécaniques de dureté, participant à la fixation du dispositif de noyau ainsi qu’à l’amortissement vibratoire des matériaux immergés, qui sont le corps et les barres omnibus.
Le noyau magnétique 3, agissant comme une inductance pour filtrer les courants en mode commun ou en mode différentiel ou une combinaison des deux, est utilisé pour prévenir ou limiter les effets indésirables tels que les interférences électromagnétiques ou même les dommages physiques des éléments du convertisseur de puissance 100.
Le dispositif de noyau magnétique 1 comprend au moins un passage 61 configuré pour permettre le passage d'au moins un conducteur électrique (par exemple les barres omnibus 121). Le passage 61 est un passage comportant deux ouvertures 61a situées respectivement au niveau de chacune des deux parois latérales opposées 55a, 55b du corps 51, les deux ouvertures 61a étant opposées l'une à l'autre. Les barres omnibus 121 peuvent ainsi traverser le dispositif de noyau magnétique 1, via les ouvertures 61a et les passages 61 du dispositif de noyau magnétique 1. Le passage 61 présente de préférence une forme complémentaire à la forme de l'élément extrinsèque 121.
Le dispositif à noyau magnétique 1 peut en outre comprendre au moins une couche isolante 58 réalisée en un matériau isolant, tel que du plastique. La au moins une couche isolante 58 est configurée pour séparer le noyau magnétique 3 et le au moins un conducteur électrique 121 qui traverse le noyau magnétique 3 du corps 51. En variante le corps est intrinsèquement isolant, sans couche isolante spécifique.
Le passage 61 comprend deux parois latérales sensiblement parallèles aux parois latérales 55c et 55d du corps, les deux parois du passage étant distantes d’avantageusement 1 à 2mm jeu minimum pour permettre le passage de la barre 121.
Le noyau magnétique 3 est soit monobloc, soit constitué de plusieurs parties faites respectivement d'un matériau magnétique qui est, par exemple, un matériau nanocristallin, un matériau de ferrite et un matériau de poudre de fer, ou une combinaison quelconque de ces matériaux. En variante, le noyau magnétique 3 peut être constitué de matériaux magnétiques différents de ceux mentionnés ci-dessus.
En variante, le corps 51 (illustré sur les figures 2 à 4) du dispositif à noyau magnétique 1 est le noyau magnétique 3. Dans ce cas, le noyau magnétique 3 est de préférence constitué d'un matériau de poudre de fer, tel que de la ferrite frittée. Les parois latérales 55a à 55d du corps 51 sont des parois latérales du noyau magnétique 3. Les ouvertures 61a et le(s) passage(s) 61 du dispositif à noyau magnétique 1 sont des ouvertures et des passages formés sur/dans le noyau magnétique 3.
Au-delà du corps, la distance latérale entre la barre omnibus 121 et la cavité 111 doit être supérieure ou égale à la distance minimale d’isolation électrique entre conducteurs dans l’air et la distance latérale entre deux barres omnibus sur la surface du résinage doit être supérieure ou égale à la distance minimale d’isolation entre conducteurs adjacents le long de la surface isolante sur laquelle ils sont montés. Par exemple la distance latérale entre la barre omnibus 121 et la cavité 111 et entre deux barres omnibus doivent être supérieures ou égales à 5mm et avantageusement supérieures à 10mm dans le cas de nos géométries de produits.
Dans un mode de réalisation illustré à la , la résine s’infiltre dans le passage du noyau magnétique et immerge au moins en partie la partie des barres omnibus 121 traversant le passage. La résine immerge au moins 10% de cette partie des barres omnibus. La résine immerge au moins 30% et avantageusement au moins 50% de cette partie des barres omnibus. La barre 121 est ainsi maintenue dans le passage et la résine permet d’évacuer efficacement les calories de la barre omnibus 121.
Comme illustré à la , un ensemble de canalisation 122 s’étend avantageusement à proximité du dispositif à noyau magnétique 1. L’ensemble de canalisations est directement formé par une ou plusieurs parois du boîtier par des évidements traversants ou non et/ou des dégagements ménagés dans une ou plusieurs parois s’étendant vers l’intérieur ou vers l’extérieur du boîtier.
L’ensemble de canalisations forme par exemple un circuit parallèle à deux branches entre une entrée unique et une sortie unique permettant d’améliorer l’évacuation de la chaleur générée dans le boîtier.
Claims (8)
- Convertisseur de puissance (100) comportant un boîtier (110) dans lequel est monté un ensemble conducteur (120) comprenant un jeu de barres omnibus (121), le boitier formant localement une cavité (111) dans laquelle est logé au moins partiellement un dispositif de noyau magnétique (1),
le dispositif de noyau magnétique (1) entourant au moins partiellement le jeu de barres omnibus dans la cavité (111),
la cavité (111) contenant une résine immergeant une partie du dispositif de noyau magnétique. - Convertisseur selon la revendication 1 dans lequel la résine contenue dans la cavité (111) entoure le dispositif de noyau magnétique.
- Convertisseur selon la revendication 2 dans lequel une hauteur de résine dans la cavité (111) selon une direction transverse à un fond de la cavité est au moins 30% de la hauteur du dispositif de noyau (1) selon ladite direction.
- Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la résine immerge au moins une portion de la partie du jeu de barres omnibus (121) entourée par le dispositif de noyau magnétique.
- Convertisseur selon la revendication 4 dans lequel la résinée immerge au moins 30% de la partie du jeu de barres omnibus entourée par le dispositif de noyau magnétique, et avantageusement au moins 50%.
- Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le boîtier (11) comporte un ensemble de canalisations (122) destiné à recevoir un liquide de refroidissement de la chaleur générée dans le boîtier (110) et agencé pour évacuer la chaleur générée dans le boîtier (110) au moins une des canalisations longeant le dispositif de noyau magnétique.
- Convertisseur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la résine a une conductivité thermique comprise entre 1 et 4 W/m.K.
- Convertisseur d’énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, étant un onduleur afin de transformer le signal électrique d’entrée du type continu en signal électrique de sortie du type alternatif.
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- 2023-06-16 FR FR2306209A patent/FR3150060A1/fr active Pending
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