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Construction de noyau magnétique.
L'invention concerne des appareils électrioues tels que des transformateurs, et en pa.rticulier des constructions de noyaux magnétiques à utiliser dans de tels appareils électriques.
Dans les dernières années, on a mis en valeur de l'acier magnétique présentant de particulièrement bonnes caractéristiques magnétiques dans le sens dans lequel l'acier est lapine au cours de sa: fabrication; ces caractéristiques sont meilleures dans ce sens que dans les autres et sont supérieures aux propriétés ma- gnétiques des qualités-commerciales d'açier au silicium utili- sées précédemment. Un tel acier magnétique amélioré se caracté- rise par de faibles pertes en watts et'par'une perméabilité éle- vée dans la di-rection de l'orientation du grain de l'acier, c'est-à-dire dans la direction suivant laquelle la matière ma- gnétique est laminée pendant sa fabrication.
Afin de tirer parti des propriétés magnétiques meilleures,de ce nouvel acier magnéti-
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que, il est nécessaire d'employer l'acier de telle façon que le flux magnétique le traverse dans le sens du laminage. L'em- ploi d'aciers magnétiques plus efficaces qui permettent au noyau magnétique de travailler avec une induction magnétiaue plus élevée que celle de la pratique antérieure, a fortement réduit la quantité d'acier requise pour la construction du noyau d'un transformateur ayant une puissance nominale donnée.
Pour tirer parti de cette caractéristique des nouveaux aciers magnétiques de haute qualité, on a développé une forme de construction de circuit magnétique comprenant une ou plu- sieurs boucles de noyau faites en ruban d'acier magnétique pour feuilletages, enroulé couche par couche sur une forme de façon- nage, telle qu'un mandrin en acier, ayant les dimensions dési- rées..
Les boucles de noyau formées de la sorte comportent ha- bituellement des fenêtres ou ouvertures pratiquement rectangu- laires Les mandrins sont conçus pour correspondre praticuement en grandeur et er forme à la grandeur et à la forme souhaitées pour la fenêtre dans la boucle de noyau terminée, la fenêtre dans la boucle de noyau étant délimitée par le côté plat du tour intérieur du ruban d'acier constituant la boucle de noyau.
Les boucles de noyau, formées ainsi et restant dans la plupart dés cas sur les mandrins sur lesquels'': elles sont enroulées, sont recuites ensuite afin de supprimer les tensions causées dans le ruban d'acier par l'opération d'enroulement, et afin de développer complètement sa qualité magnétique. Les boucles sont placées par rangs sur champ et sont ensuites chargées par 1-'application de poids afin de conserver la. forme rectangulaire pendant l'opération de recuit.
Puis les boucles de' noyau enrou- lées et recuites sont imprégnées dans le vide d'une matière plastique liante et adhérente qui pénètre dans l'espace entre les tours ou couches successifs du feuilletage d'acier magné- tique ; après quoi, les boucles de noyau sont cuites de façon que la matière liante adhère aux couches du feuilletage d'acier,- @
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en 'constituant une structure solide. La matière liante peut être une matière thermo-plastique'telle qu'une résine vinylite- alvar faiblement additionnée de résines du type phénolique ou du type vinylique hydrolysé.
Ces boucles de noyau sont ensuite coupées en.deux pour constituer deux parties en forme de U qui se prêtent au montage autour des enroulements conducteurs du circuit. Les fa- ces coupées dunoyau peuvent être meulées pour obtenir des sur- faces de joint lisses et être traitées par' un décapant pour enlever toute bavure pouvait donner un court-circuit et prove- nant du découpage ou du méulage.
L'emploi de ce type de noyau dans des transformateurs et notamment dans ceux de grandes dimensions soulève un problè- me. On sait qu'un assemblage bout à bout dans un circuit ma- gnétique excité par un courant alternatif à 60 c/s causera une forte vibration à 120 c/s; ce dont il résultera un niveau des bruits élevé si les. deux' parties du noyau comprenant les joints ne sont pas étroitement serrées l'une contre 3.'autre. Dans le cas simple, il est nécessaire d'appliquer simplement au joint une pression suffisante pour vaincre la force magnétique d'at- traction entre les parties'du noyau,, afin d'avoir toujours une force positive'maintenant ensemble les deux parties au joint.
,
Ceci est vrai à condition que les branches du.noyau qui sont réunies au joint soient suffisamment rigides pour empêcher.tout mouvement transversal où le gauchissement de la branche du noyau. par suite du déplacement des .lamelles du feuilletage. ' '.
L'expérience a prouvé que.,- pour l'imprégnation de. la construction du noyau en boucle, l'emploid'un liant thermo- plastique tel que les résines vinylite-alvar, susmentionnées avec de faibles additions de résines -du. type phénolique pu'du type'vinylique hydrolysé telles qu'elles sont employées avec ce type de matière liante, est très satisfant pour les noyaux de petites dimensions. Toutefois, ce type'de matière liante n'est /'1
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pas suffisamment rigide aux températures'de travail, dans les noyaux de grandes dimensions, pour résister aux pressions re- quises pour serrer les joints.
Le but prihcipal de l'invention est donc de fournir un navau ayant les caractéristiques générales décrites plus haut, dans lequel le bruit est supprimé ou tout au moins réduit fort-ment, jusqu'à une valeur insignifiante.
Un autre but de l'invention est de créer un noyau du type indiqué ci-dessus qui demeure stable dans l'huile de trans- formateur dont la température s'élève jusqu'à 100 C; c'est-à- dire dans lequel les branches du noyau de transformateur qui sont réunies aux joints ne se déplaceront pas et-laisseront en parfait contact les surfaces aboutées aux joints.
L'invention consiste principalement en un appareil élec- trique, notamment un transformateur, qui comporte un@ noyau' magnétique enroulé en boucle comprenant deux parties en U joi.n- tes bout à bout, et où au moins deux côtés opposés du noyau en boucle sont légèrement cintrés vers l'extérieur.
L'invention ressortira clairement de la description ci- dessous d'une de ses réalisations préférées, montrée à titre d'exemple dans le dessin annexé.
La fig.l est une vue en élévation d'un assemblage clas- sique de noyau et d'enroulement; la fig.2 est une vue en plan de l'assemblage montré sur .la fig.l. la fig.3 est une vue en perspective de la matière ma- gnétique dans un noyau en boucle du type montre sur les fig.l et 2; la fig. 4 est une vue en élévation d'un tel noyau en boucle, modifiée pour faire apparaître un genre de déformation à laquelle la boucle est sujette; la fig. 5 est une vue en élévation d'un tel noyau en boucle, modifiée pour faire apparaître un autre genre de défor- mation à laquelle le noyau en boucle est sujet;
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la fig. 6 est une vue en élévation d'un noyau en boucle construit suivant l'invention;
la fig.7 est une vue en élévation du noyau en boucle classique' montré sur la. fig.3, illustrant schzmatiquement l'effet de certaines forces; et la fig.8 est une vue en élévation d'une construction de noyau pour trois phases, à laquelle sont appliqués les principes de l'invention.
Dans les figs.1 et 2, un assemblage classique de noyau et d'enroulement d'un transformateur est représenté-comme com- prenant une construction d'enroulement 1,,qui peut comporter plusieurs enroulements primaires et secondaires disposés d'une manière bien connue dans l'espace d'enroulement délimité sur le plan; a.utour des enroulements sont placés deux noyaux en bou- cle ou circuits magnétiques 2 et 3, chaque boucle comprenant une section supérieure 4 et une section inférieure 5.
Les noyaux en boucle sont constitués en enroulant une bande .continue d'un ruban de feuilletage magnétique en acier, puis en recuisant cette matière, en l'imprégnant sous vide d'une matière liante et en la coupant suivant les lignes figurées par'6 et 7 pour constituer les sections supérieure et inférieure 4 et 5 du noyau, en forme de U, qui peuvent être assemblées convenable- ment autour de l'enroulement. Après que les faces des sections supérieure et inférieure 4 et 5 du noyau ont été dressées'et décapées, on applique une résine appropriée aux faces ,qui se rencontrent pour former les joints' bout à bout en-6 et 7, lorsque les sections sont'assemblées autour de la'construction d'enroulement.
On applique à chacune des boucles du noyau une bride de serrage 8 qui l'entoure et qui¯est tendue au-moyen d'un outil qui'tire les extrémités opposées de la¯,bride à tra- vers une bague d'accouplement 9. Pendant que la bride 8 est maintenue sous une tens.ion prédéterminée, la bague d'accouple- ment 9 est sertie pour contraindre des parties'des.bords exté- rieurs de la bague 9 à constituer'une liaison solide avec les
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parties correspondantes des bords extérieurs des extraites de 'la bride de serrage 8.
On place ensuite le tout dans un four pour le sécher et, en s'échauffant, la résine appliquée entre les surfaces du joint bout à bout sort en quantité limitée, di- minuant légèrement car conséquent la pression entre les faces du joint La bride 8 est tendue suffisamment à sa mise en place et possède une élasticité suffisante pour maintenir-la pression souhaitée sur les joints 6 et 7,même si la matière résineuse coule durant l'opération de cuisson. Des tensions de l'ordre de 25.000 livres par pouce carré (1750 kg/cm2) sont développées dans la bride de liaison 8.
On a constaté que des tensions de cet ordre dans la bride de liaison affrontent de façon satisfai- sante le changemeni produit par l'écoulement de la matière ré- sineuse dans les joints 6 et 7 et maintiennent encore une pres- sior convenable. Or. a 'constaté que sous une épaisseur de l'or- dre le 0,00025 pouce (0,006 mm) la pellicule de matière rési- neusedonne un isolement satisfaisant et protège les bords usi- nés des sections 4 et 5 du noyau contre tout acide ou humidité se trouvant dans le liquide diélectrique au sein duquel l'assem- blage noyau - enroulement fonctionne dans son boîtier.
La fig.3 est une vue en perspective d'une boucle du type décres, comprenant les sections supérieure et inférieure 4 et 5 du nayau. Pour maintenir en contact total les faces,d'about des sect lons 4 et 5 du noyau aux joints 6 et 7, 'lorsqu'on leur applique la pression, il est nécessaire que les branches 11 et
1é du noyau soient suffisamment rigides pour empêcher tout mou- vement latéral de leur part ou tout flambage.
Il est indispensable que le noyau soit absolument stalle dans toutes les conditions de fonctionnement dans l'huile du transformateur jusqu'à une température de 100 C. Si un dé- placement quelconque des branches se produit, il modifiera le contact total au jcint d'about, et l'expérience a démontré que le royau présentera un niveau de bruits regrettablement élevé.
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La fig.4 illustre un genre de fléchissement qui peut se présenter .avec ces types' de liants thermosplastiques. Ici, on .a quelque peu exagéré le degré de fléchissement afin qu'on puis- se l'observer plus aisément. Ce genre de fléchissement est ca- ractérisé en ce que la déforma/lion force les bords intérieurs des parties du noyau en boucle,adjacentes à la fenêtre, comme c' est montré en 14 et 15, à être en contact, tandis que les surfaces formant les joints en 6 et 7 sont séparées de sorte qu'elles sont écartées en 16 et 17, laissant une légère béance entre les surfaces de contact qui devraient être en contact pour que les faces d'about aux côtés opposés des joints soient en contact total sur toute leur surface.
On a récemment fabriqué de nouveaux types de matière, liante qui présentent des caractéristiques thermodurcissables.
Leur utilisation donne une construction du noyau convenant mieux qu'une construction employant la matière thermoplastique, en ce sens qu'elle ne fléchira pas .dans un noyau de la manière, décrite dans la fig.4, dans des conditions de fonctionnement atteignant -jusqu'à 100 C dans l'huile. La matière liante thermodurcissable peut être une résine phénol-formaldéhyde ou une résine mélamine- formaldéhyde. Mais l'emploi de cette matière en soi le problème, parce que le noyau peut être peu stable même avec la matière liante thermodurcissable.
On a constaté que la succession suivante de faits se .produit lorsque le noyau est soumis à un cycle de températures allant de 25 C à 100 C, tel qu'on peut le rencontrer lors du fonctionnement habituel du transformateur., Les surfaces du noyau qui se rencontrent au .joint sont meulées avec soin et le noyau sera silencieux après assemblage. Il demeurera silencieux quand il est chauffé à 100 C mais deviendra bruyant lors du refroidissement qui suit et le niveau des bruits sera assez élevé pour être critiquable au point de vue commercial. L'analyse montre que les' parties du noyau prennent une forme-comme celle représentée sur la fig.5, par suite de l'échauffement ,et du refroidissement subséquent.
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Come le montre* la fig.5, les bords supérieurs du noyau en bou- clo- se rencontrent en 18 et 19 et les surfaces des parties 4 et , 5 du noyau voisines des assemblages à plat sont écartées ou di-
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vergent vers l'ouverture de la fenêtre en cl et 2-,, de telle domte que les surfaces des côtés opposés du joint bout à bout ne se rencontrent pas de manière plane pour constituer un joint efficace et que les extrémités des lamelles sont par conséquent
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r0,:stivement libres de vibrer sous l'influence du flux mpgnéti- qu'-' inverse et de créer un brhit accentué qui n3apparaîtrait pas si le joint était parfait.
,On suppose que les branches 24 et 25 du noyau sont ri- gison lorsqu'on fait usage de la matière liante thermodurcissable
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q<-1 est plus dure, mais que, pendant la succession de 1'Fchauf- fe ent et du refroidissement, la matière liante et l'acier se contractent différemment aux angles de la culasse, c'est-à-dire
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deî,s les régions désignées .par les chiffres 26, 27, 28 et 29.
Ces force les branches 24 et 25 de l'enroulement à pousser vers 1"iJ:térievr en rétrécissant un peu la fenêtre dans lq zone >dja- ce'te aux joints bout à bout, obligeant donc les faces opposées de,; joints à diverger légèrement. Cette divergence empêche les diese faces de se rencontrer sous une pression uniforme et il en résulte donc naturellement un noyau bruyant. La tendance ge dérale de ce type de noyau est d'être silencieux lorsqu'il es chaud et de devenir bruyant lors du refroidissement.
L'in
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t(, "va1le entre les surfaces en 22 et en 23 peut atteindre peut- éi..<= seulement 0,0005 pouce à 0,001 pouce (0;01 à 0,02 mm) mais ce-,-3 suffit pour porter le niveau des bruits de 34 décibels à 60 70 décibels peur un noyau pesant quelque 60 livres (27 kg) .
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Ct '; état est périodique et 'se reproduit lors d' pchauffe"1lents successifs. Le noyau n'est donc pas stable et n'est par cons' quont pas satisfaisant.
La fig.6 illustre un noyau en boucle construit suivant
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1invention; il diffère du noyau en boucle classique, montr dans lE.3 figs,.l, 2 et 5y en ce que la fenêtre centrale 31 comporte un
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renflement central, c"est-à-dire que les 'surfaces intérieures 32 et de même les surfaces extérieures 33 des branches de l'enrou- lement du noyau sont écartées. l'une de l'autre, de telle sorte que les parties de branche 34 ont une forme cintrée.
'Par consé- quent, quand les deux parties- de branche -34 réunies par une par- tie de culasse 38 sont aboutées- aux joints 41 et 42 et quand les deux parties en forme d'U constituant le noyau en boucle- sont serrées ensemble.par une bride en acier 43 et 'par une bague d'accouplement 44 de manière semblable à la'''bride 8 et à la bague d'accouplement 9 des fig.l à 5, les forces appliquées aux joints n'auront pas des directions opposées l'une par rapport à -.. l'autre. '
Lors de l'opération d'enroulement, le noyau en boucle est constitué de faon à posséder un léger rayon comme indiqué par les surfacés.intérieure et extérieure 32 et 33, respective- ment. Ce renflement dans=la partie centrale de la fenêtre est indiqué par le décentrement X.
Avec un liant thermodurcissable, ce noyau conviendra dans toutes les conditions de fonctionne- ment lorsqu'il est serré, tandis que le noyau classique présen- tant des branches rectilignes ne sera pas stable pour-les-motifs qui ont été partiellement expliqués plus .haut et qui sont par- tiellement donnés en comparant les figs. 6 et 7.
La fig.7 représente schématiquement la direction des forces appliquées aux joints montrés dans les figs. l à 5. Quand la bride 8 est serrée, ce serrage produit des forces F et F' égales et diamétralement opposées qui sont appliquées aux côtés opposés des surfaces qui se-rencontrent auxjoints bout à bout 6 et 7. Si le déplacement, tel que décrit plus haut, se produit aux angles) ou dans des parties de culasse du noyau pendant le cycle d'échauffement, on obtient en quelque sorte une genouillè- re qui est instable et peut.se déplacer dans les deux diréctions, comme c'est représenté par la double flèche "M" En pratique, cela provoque un baillement du joint, comme. représenté par les lignes pointillées dans une branche.
Etant donne que les forces
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sont dans le prolongement de la direction de la branche de 1-'enroulement, aucune zone de contact du joint ne résiste à ce déplecement. Le résultat est un noyau bruyant.
Cet état instable discuté au sujet de la fig.7 est éli- miné en arquant les branches de l'enroulement vers l'extérieur, comme le représente la fig.6, puisque les forces E et E' qui s'oppc,sent le long des parties de branches des sections 36 et 37 ne sont pas diamétralement opposées et qu'il existe une peti- te force résultante "E". Cette force résultante agit vers l'ex- térieur et s'oppose à toute force qui tendrait à obliger les branches à se déplacer vers l'intérieur, empêchant donc tout mouvement vers l'intérieur des branches aux joints 41 et 42. Le mouvement extérieur des branches est empêché par la bride d'acier 43 qui entoure les deux sections du noyau 36 et 37.
Le résultat final est un noyau stable dans des conditions périodioues d'é- chaufement, parce qu'il n'existe pas d'effet de joint instable.
Les surfaces du joint du noyau restent en contact convenable par coûte leur surface sous toutes les conditions de fonctionne- ment et le noyau est silencieux. Pour avoir les meilleurs ré- sult ts, les joints bout à bout devraient être aù milieu des branches, à mi-chemin entre les parties de culasse 38. On constaté aucune dimension pratique du renflement X est à peu près 2% de la longueur d'une branche ou côté arquez-
La fig.8 illustre un noyau pour trois phases, oui com- por'e les particularités de l'invention décrites plus haut. Dans le noyau représenté sur la fige 8, sont installées trois boucles distinctes de noyau 51, 52 et 5", les deux boucles plus petites étant placées à l'intérieur de la boucle plus grande 53.
Les deux boucles intérieures 51 et 52 sont constituées comme les boucles représentées dans la fig.6 illustrant l'invention, et la boucle extérieure 53 épouse la courbure extérieure des bou- cles 51 et 5é. Une bride en acier 54, est tendue autour des troisboucles; ses deux extrémités sont tenues ensemble par la bague d'accouplement 55, afin de maintenir une pression pra- '. '
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tiquement constante sur les surfaces contiguës comprenant les joints bout à bout 56. Ls forces opposées, qui sont appliquées par la bride d'acier 54 aux surfaces contiguës constituant les joints bout à bout 56, ont des directions correspondant aux flèches E et E';
de la fig.6, de sorte qu'il y a, aux joints bout à bout, une composante horizontale de force suivant des directions s'éloignant de la fenêtre 31. Il en résulte donc une construction de noyau stable.
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R E V N D I C A T I' 0 N S
1) Appareil électrique, notamment un transformateur, comportant un noyau magnétique enroulé en boucle formé de deux parties en U aboutées, caractérisé en ce qu'au moins deux côtés opposés du noyau en boucle sont légèrement';arqués vers l'exté- rieur.