3.3 Impact des procédés technologiques sur les noyaux nanocristallins
3.3.4 Largeur des rubans
Pour cette étude, des noyaux avec des largeurs de rubans différentes (8 mm, 15 mm, 25 mm)
ont été approvisionnés. Le choix a été fait d’utiliser des tores de mêmes dimensions au niveau
des diamètres intérieurs et extérieurs, mais avec une hauteur (correspondant donc à la largeur
du ruban) différente. On obtient donc des noyaux de même longueur moyenne, mais de sections
magnétiques différentes et directement proportionnelles à la largeur de ruban. Les résultats vont
donc autant concerner l’impact de largeur de ruban en tant que telle que celui de la taille de la
section magnétique. Les pertes magnétiques ont été mesurées à 5 kHz, 10 kHz, 20 kHz et
40 kHz pour des valeurs d’induction maximale de 0.2 T, 0.4 T et 0.8 T, en régime sinusoïdal.
La Figure 63 présente les pertes magnétiques pour les noyaux non imprégnés, et ces dernières
sont les mêmes pour tous les noyaux. Il n’y a pas donc pas de lien direct entre la largeur du
ruban que l’on utilise et les pertes magnétiques.
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Comme attendu, les pertes augmentent après imprégnation pour tous les noyaux, comme on
peut le voir sur la Figure 64. Cependant, les noyaux avec des rubans de 8 mm (les plus fins) ont
des pertes plus élevées que les noyaux avec des rubans de 15 mm ou 25 mm qui se situent au
même niveau de pertes. En effet, l’augmentation moyenne des pertes est de +200% pour les
8 mm contre +100% pour les 15 mm et 25 mm lors de l’étape d’imprégnation. Une explication
pourrait être qu’une pression plus élevée est appliquée aux rubans nanocristallins de 8 mm en
raison de la surface réduite du ruban. Des rubans plus fins pourraient aussi être beaucoup plus
déformables. Dans un cas comme dans l’autre, il semble résulter des contraintes mécaniques
plus élevées sur les rubans et donc des pertes magnétiques plus importantes.
Figure 64 : Densité de pertes des noyaux imprégnés avec différentes largeurs de ruban
En revanche, lors de la découpe, on constate le phénomène inverse (voir Figure 65) : les 8 mm
ne subissent quasiment aucune augmentation de pertes, les 15 mm subissent en moyenne +75%
et les 25 mm +300%. Cette augmentation de pertes après découpe doit provenir d’un
phénomène localisé dans le plan de coupe. En effet, l’opération de découpe peut provoquer un
contact électrique entre les rubans, normalement isolés, ce qui permet la circulation de courants
de Foucault entre rubans. Une plus grande surface de découpe (donc une plus grande section
magnétique) pourrait induire une plus grande quantité de ces contacts électriques provoqués par
l’outil de découpe ou de polissage. La taille relative de l’outil de découpe par rapport à la largeur
de rubans peut également être à l’origine de la dégradation des pertes après découpe.
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Figure 65 : Densité de pertes des noyaux imprégnés coupés avec différentes largeurs de ruban
En tout cas, il est clair que la découpe sans impact sur les pertes est possible comme on le voit
pour les noyaux de petites sections (8 mm). Lors du design d’un TMF, s’il n’est pas possible
pour le fabricant d’améliorer le processus de découpe afin d’éviter une augmentation importante
des pertes pour des rubans larges, alors il peut être préférable de spécifier des noyaux utilisant
des rubans fins que l’on placera ensuite en parallèle pour réaliser un noyau de section plus
grande, à condition que ce procédé n’engendre pas lui non plus d’augmentation de pertes. En
effet, avec une telle augmentation des pertes pour les rubans de largeur 25 mm lors de la
découpe (+300%), cumulée à l’effet de l’imprégnation, on obtient au final des noyaux avec 8
fois plus de pertes que le matériau de base (nanocristallin non imprégné), ce qui n’est
évidemment pas acceptable pour la réalisation d’un TMF.
3.4 Conclusions du chapitre
Après une introduction sur la physique mise en jeu dans les matériaux magnétiques doux
constituant les noyaux magnétiques utilisés dans les TMF, ce chapitre s’intéresse à la
modélisation de ces phénomènes physiques pour les besoins de la conception des TMF. Tout
d’abord, la prise en compte du courant magnétisant par une inductance magnétisante est
analysée, avec différents modèles analytiques pour déterminer avec une bonne précision
l’inductance magnétisante que présentera le transformateur dans sa zone linéaire d’utilisation.
En particulier, une comparaison de différents modèles, prenant en compte l’effet de frange au
niveau de l’entrefer, est effectuée afin de sélectionner le plus adapté aux besoins des géométries
de TMF considérées. Il s’avère que le meilleur modèle (Mühlethaler [34]) permet d’obtenir une
précision inférieure à 3% pour des dimensions typiques et raisonnables de TMF sur la valeur
d’inductance magnétisante.
Ensuite, une revue bibliographique des modèles de pertes adaptés aux formes d’ondes non
sinusoïdales des TMF a été effectuée. Le modèle IGSE a été retenu comme la référence actuelle
la plus pertinente. Ce modèle a également pu être adapté pour permettre le post-traitement de
simulation FEM magnétostatique et obtenir la densité de pertes locales, prenant en compte alors
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les effets de concentration de champ et de saturation dans les angles, afin de vérifier le calcul
purement analytique effectué en considérant une induction homogène dans le noyau.
Egalement, quelques explications sont données concernant le modèle considéré pour la prise en
compte des phénomènes de non-linéarité, de saturation et d’hystérésis dans un logiciel de
simulation circuit.
Pour aller plus loin sur ces sujets, il pourrait être intéressant de regarder l’effet d’un entrefer
important sur les pertes magnétiques pour des excitations moyenne fréquence et des matériaux
moyenne fréquence, feuilletés ou non. On peut s’attendre à une augmentation des pertes due à
l’épanouissement de flux magnétique créant un champ perpendiculaire au feuilletage du noyau,
et donc des pertes par courants de Foucault significatives étant donné les fréquences
considérées. Cependant, on peut pour l’instant limiter la taille d’entrefer afin d’éviter un
épanouissement important et donc l’apparition de tels problèmes.
Enfin, une campagne de caractérisations magnétique a permis de mettre en évidence l’impact
de certains paramètres technologiques sur les pertes des noyaux nanocristallins. En plus de
l’imprégnation et de la découpe de ces derniers qui dégradent fortement les pertes, il peut y
avoir un couplage entre la taille et le cisaillement ou non des rubans utilisés sur l’augmentation
des pertes lors de ces étapes. En revanche, la forme des noyaux ne semble pas influencer le
niveau de pertes final. Ces informations sont utiles pour orienter les designs de TMF vers des
géométries n’entrainant pas une dégradation excessive des noyaux nanocristallins, et pour
potentiellement échanger avec les fabricants pour trouver des pistes de réduction de l’impact
de ces processus de fabrication sur les pertes.
Après avoir traité les problématiques liées au noyau magnétique, le chapitre suivant va
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4 Bobinages
Tout comme les circuits magnétiques, les bobinages sont également une composante essentielle
des TMF. Bien que les matériaux conducteurs les constituant soient quasi-exclusivement le
cuivre ou l’aluminium et aient des propriétés thermiques et électriques linéaires et bien connues,
la prise en compte des phénomènes physiques liés aux bobinages dans les TMF nécessite
toutefois une modélisation adaptée.
En effet, c’est la position des bobinages l’un par rapport à l’autre mais également par rapport
au noyau qui va définir la cartographie du champ magnétique associé aux fuites, et donc la
valeur de l’inductance de fuite. Cette propriété des TMF étant souvent contrainte par les
spécifications électriques, il faut donc être en mesure de donner une estimation suffisamment
précise de sa valeur, et ce dès l’étape de design analytique. Pour cela, nous verrons dans une
première partie quels modèles permettent d’adresser ce problème.
Ensuite, les bobinages sont bien évidemment le siège des pertes Joules. Si le calcul des pertes
Joules dans l’hypothèse d’une fréquence de fonctionnement faible est relativement simple, la
prise en compte des effets de peau et de proximité couplée à l’utilisation de bobinages
multiconducteurs tels que les câbles de Litz rend la tâche bien plus délicate. Dans ce chapitre,
une revue des modèles existants sera établie, et de nouveaux modèles plus adaptés aux TMF
seront présentés.
Enfin, les capacités parasites sont également liées à l’agencement des bobinages, que ce soit la
position du primaire par rapport au secondaire pour la capacité parasite inter-bobinages, ou la
répartition des spires au sein même des bobinages pour les capacités propres. Des modèles
analytiques adaptés aux structures de bobinages considérées dans SUITED seront présentés,
issus de la littérature ou de développements spécifiques.
