Cherche matériau magnétique pour transformateur

[invitee9dcae4d]

Bonjour à tous,

Dans le cadre de mon travail de fin d'études, je dois réaliser un transformateur d'impulsions, le problème est qu'après diverses recherches, je n'arrive pas à trouver le matériau magnétique me permettant de réussir ce projet.

Le transformateur doit permettre d'injecter des impulsions de 200V, durant 255µs maximum sur un équipement (tests CEM, on est loin des applications classiques de ces transformateurs (commande de thyristor, télécom, radar ou autre). Le temps de montée devrait être inférieur à 10µs (au départ 100ns mais ça me semble physiquement impossible). La chute de tension entre le début et la fin de l'impulsion doit être de 5%. Je vise un transformateur à rapport de spires unitaire.

Pour satisfaire cette demande, je trouve de manière théorique qu'il me faut une inductance de magnétisation de ~9mH et une inductance de fuite la plus faible possible (genre 20µH).

La fréquence équivalente du flanc montant est de 35kHz, donc le matériau doit pouvoir suivre.

Concrètement, il me faut :
- Un matériau ayant une bonne réponse en fréquence
- Pouvant tenir longtemps sans saturer (E.t = 40.000V.µs !)
- Avoir un nombre de spires minimum pour limiter l'inductance de fuite (donc une grande perméabilité mais ça colle rarement avec la contrainte sur la saturation)

J'ai déjà fait des calculs sur :
- Un noyau en MPP (µ=26) -> nécessite ~400spires, ce qui me paraît beaucoup (et en plus, ça prend de la place)
- Un noyau en ferrite (3E5) -> nécessite une section magnétique énorme (60cm²)
- Un noyau en Supermendur -> nécessite 97 spires, ce qui me semble toujours trop
- Divers noyaux pour des tfos plus classiques -> ne tiennent pas en fréquence

Bref, est-ce que quelqu'un aurait une idée de matériau magnétique magique/d'un transformateur tout fait pouvant satisfaire toutes mes contraintes ?

Je vous remercie d'avance.
-----

[Tropique]

Hello,

Cela ne semble pas insurmontable; diverses options sont envisageables, mais il vaut mieux éviter les matériaux orientés stockage d'énergie.
Je partirais sur de la ferrite (un alliage amorphe serait aussi envisageable).

Si on prend p.ex. un noyau Epcos PM87:
http://www.epcos.com/inf/80/db/fer_07/pm_87_70.pdf
On a un Ae de ~9cm², avec du matériau N87. Si on tolère 0.4T d'induction, ce qui semble raisonnable, on arrive à un nombre de spires de:
(200*255e-6)/(0.4*9e-4)=~142
Avec le Al de 12000, cela donne une inductance de 0.24H, très confortablement au dessus de tes 9mH.
Pour l'inductance de fuite, c'est surtout une question de technique de bobinage, mais 20µH devraient être obtenus les doigts dans le nez, même avec de "bêtes" enroulements superposés.
En fractionnant ou en bifilaire, on peut faire encore bien mieux.
Note qu'au vu de la facilité avec laquelle on atteint les objectifs, on pourrait se contenter d'un noyau bien plus modeste.
Je l'ai juste pris comme support d'exemple, il y a d'autres formes, matériaux, fabricants....

[invitee9dcae4d]

Hello,

Cela ne semble pas insurmontable; diverses options sont envisageables, mais il vaut mieux éviter les matériaux orientés stockage d'énergie.

En fait, au départ, le transformateur devait pouvoir tenir une composante DC de 5A (+ l'impulsion), donc on était parti sur le MPP pour son faible µ. On a après changé les spécifications pour que cette composante DC disparaisse (mais si j'arrive à la prendre en compte, c'est encore mieux).

Je partirais sur de la ferrite (un alliage amorphe serait aussi envisageable).

Si on prend p.ex. un noyau Epcos PM87:
http://www.epcos.com/inf/80/db/fer_07/pm_87_70.pdf
On a un Ae de ~9cm², avec du matériau N87. Si on tolère 0.4T d'induction, ce qui semble raisonnable, on arrive à un nombre de spires de:
(200*255e-6)/(0.4*9e-4)=~142
Avec le Al de 12000, cela donne une inductance de 0.24H, très confortablement au dessus de tes 9mH.
Pour l'inductance de fuite, c'est surtout une question de technique de bobinage, mais 20µH devraient être obtenus les doigts dans le nez, même avec de "bêtes" enroulements superposés.
En fractionnant ou en bifilaire, on peut faire encore bien mieux.

Pour le calcul, je l'ai fait dans l'autre sens moi :
N~=28 (avec l'Al de 12000).
Donc pour Ae nécessaire, on trouve :
Ae=(200*255e-6)/(0.4*28)=4.55e-3m²=4553mm²

Soit, un empilement de 5 noyaux si je prends ceux-là.

En théorie, plus l'inductance est grande et plus le temps de descente risque de l'être, maintenant, je pensais que l'effet serait beaucoup plus marqué qu'il ne l'est (en vérifiant en simulation/calculs, ça n'est pas critique en fait). Donc, ça paraît jouable comme ça ! (dur de prédire les fuites et les capacités parasites avant de bobiner, donc je sais pas me faire une idée exacte du résultat).

Au niveau de l'enroulement, l'idée première était de partir sur un câble "coaxial" pour limiter les fuites. Mais si vous avez une proposition à faire sur la façon de bobiner ou le type de fils à utiliser, je suis très intéressé ; ).

Note qu'au vu de la facilité avec laquelle on atteint les objectifs, on pourrait se contenter d'un noyau bien plus modeste.

C'est le genre de phrase qui fait plaisir quand on se casse la tête dessus depuis 3 semaines .

Je n'ai pas donné toutes les spécifications requises, donc je suis en train de réfléchir à la faisabilité avec ce type de noyau. La fréquence de répétition max. est de 100Hz, donc faut avoir évacué l'énergie entre temps (là, je pars sur une simple diode de roue libre, mais ça me paraît juste). Y a aussi un beau courant qui doit passer (a priori, ça doit fonctionner sur charge de 5ohm, donc ~40A mais je tente de prévoir plus), donc je dois penser à la place prise par les fils ; ).

Je l'ai juste pris comme support d'exemple, il y a d'autres formes, matériaux, fabricants....

Yep, merci en tout cas. Par hasard, est-ce que vous avez une expérience avec Epcos au niveau délais de livraison ? (Je sais pas si je vais me fournir chez eux mais comme ça j'ai une idée).

[Tropique]

En fait, au départ, le transformateur devait pouvoir tenir une composante DC de 5A (+ l'impulsion), donc on était parti sur le MPP pour son faible µ. On a après changé les spécifications pour que cette composante DC disparaisse (mais si j'arrive à la prendre en compte, c'est encore mieux).

Avec 5A superposé, ça aurait été nettement plus dur.

Pour le calcul, je l'ai fait dans l'autre sens moi :
N~=28 (avec l'Al de 12000).
Donc pour Ae nécessaire, on trouve :
Ae=(200*255e-6)/(0.4*28)=4.55e-3m²=4553mm²

Il faut que les deux conditions soient remplies: induction sous le maximum, et inductance supérieure au minimum.
En général, pour des nombres de spires moyens ou élevés, c'est la condition d'induction qui est déterminante, c'est donc plus rapide de commencer par là.
Si on souhaite diminuer l'inductance magnétisante, c'est très facile: il suffit de mettre un entrefer. Mais en général, dans les transfos, c'est la source qui impose sa tension, et c'est d'autant plus facile pour elle si les impédances parasites sont maximales.

En théorie, plus l'inductance est grande et plus le temps de descente risque de l'être, maintenant, je pensais que l'effet serait beaucoup plus marqué qu'il ne l'est (en vérifiant en simulation/calculs, ça n'est pas critique en fait). Donc, ça paraît jouable comme ça ! (dur de prédire les fuites et les capacités parasites avant de bobiner, donc je sais pas me faire une idée exacte du résultat).

Voir ci dessus: il vaut mieux imposer au transfo la forme d'onde, si on veut une bonne fidelité (dans la limite du possible et du raisonnable)

Au niveau de l'enroulement, l'idée première était de partir sur un câble "coaxial" pour limiter les fuites. Mais si vous avez une proposition à faire sur la façon de bobiner ou le type de fils à utiliser, je suis très intéressé ; ).

Pour le couplage magnétique, c'est une bonne possibilité. Le couplage électrostatique sera par contre également très élevé, ce qui peut être un problème, ou pas.
Le taux de remplissage effectif sera également médiocre, à cause des isolants, mais avec le noyau pris en exemple, ce ne serait sûrement pas un problème, vu la fenêtre disponible.

Je n'ai pas donné toutes les spécifications requises, donc je suis en train de réfléchir à la faisabilité avec ce type de noyau. La fréquence de répétition max. est de 100Hz, donc faut avoir évacué l'énergie entre temps (là, je pars sur une simple diode de roue libre, mais ça me paraît juste).

Cela dépend de la façon de voir le problème: si le primaire est tout le temps contrôlé par la source, en basse impédance (avec un couplage AC, bien sûr), non seulement il ne sera pas nécéssaire d'évacuer quoique ce soit, mais on va gagner un facteur 2 dans l'induction à cause des conditions initiales en début d'impulsion.
L'inconvénient, c'est que l'impulsion ne sera pas strictement unipolaire, on démarrera sous la ligne de référence. Mais il faut se dire que même une impulsion unipolaire se paiera à un autre moment: les produits V.s du transfo devront s'équilibrer à un moment ou à un autre.

Y a aussi un beau courant qui doit passer (a priori, ça doit fonctionner sur charge de 5ohm, donc ~40A mais je tente de prévoir plus), donc je dois penser à la place prise par les fils ; ).

Il faut voir le courant rms; avec ce rapport cyclique, ça ne doit pas être si énorme.

Yep, merci en tout cas. Par hasard, est-ce que vous avez une expérience avec Epcos au niveau délais de livraison ? (Je sais pas si je vais me fournir chez eux mais comme ça j'ai une idée).

Il faut voir chez les revendeurs; directement chez Epcos, ça risque d'être difficile s'il n'y a pas de grosses quantités.
En sample, peut-être, pour une ou deux pièces et si ce n'est pas dans la liste "courante".

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitee9dcae4d]

Merci pour toutes ces réponses. Pour le moment, je partirais sur un noyau PM74/59 en N27. Le noyau est plus petit et est disponible chez RS Belgique, l'autre pas (faut juste 20 spires en plus à cause de l'Ae qui est plus faible).

Je réfléchis encore à la faisabilité totale mais dans l'absolu, je vois pas trop d'inconvénient (si je suis pas limité par le nombre de tours, enfin, de façon raisonnable, alors y a pas de problèmes).

J'essaierai de vous tenir au courant ; ).