<Desc/Clms Page number 1>
Noyaux à liant résineux.
L'invention concerne les noyaux magnétiques, tels que ceux pour les transformateurs, comprenant plusieurs sections liées au moyen de résine.
On a proposé jusqu'ici de fabriquer des noyaux magné- tiques au moyen de plusieurs sections distinctes, en matière magnétique composées chacune de tôles liées ensemble par une résine ou un autre adhésif, les différentes sections étant ré- unies et maintenues au moyen de frettages. On a suggéré aussi d'usiner les faces jointives des différentes parties du noyau et de les recouvrir d'une couche de résine protectrice afin de réduire l'effet de corrosion des acides, de l'oxygène,de l'eau, etc. sur les faces usinées.
Il n'a pas été considéré comme possi-
<Desc/Clms Page number 2>
ble jusqu'ici, cependant, de réunir les sections de noyau au moyen d'un liant résineux de façon à obtenir un noyau complet maintenu de façon permanente en service et capable de résister aux vibrations, à la chaleur et à d'autres effets, comme il s'en présente en service.
Les noyaux magnétiques composés de plusieurs sections réunies au moyen de pinces, frettes, etc. sont souvent très bruyants en service par suite des vibrations qui se produisent au point de rencontre des sections de noyau se trouvant directement en contact. Les frettes ou pinces peuvent exercer des pressions allant jusqu'à 500 psi (35 kg/cm2) au joint des surfaces de noyau usinées, sans détruire un noyau bâti avec un liant satisfaisant.
La pression que l'on peut appliquer sans dommage dépend du type de résine employé pour lier les tôles entre elles et de la per- fection de l'imprégnation de l'ensemble des tôles. Cette pression dépend aussi jusqu'à un certain point de la température de ser- vice du noyau et du point de fusion ou de ramollissement du liant qui doit être suffisamment élevé pour empêcher l'effondrement des sections du noyau à la température de service maximum du noyau. La température maximum habituelle est considérée comne étant approximativement 105 C. Au delà de cette température, il faut que les tôles soient maintenues soit par une matière thermo- plastique à point de ramollissement élevé ou, ce qui est préfé- rable, une résine thermodurcissable.
Lorsque le noyau est excité par un courant alternatif pendant une demi-période de la tension de réseau, les sections du noyau sont comprimées les unes contre les autres magnétique- ment avec une force d'environ 125 à 150 psi (8 à 10 kg/cm2). Lors- que le courant passe par zéro, les sections du noyau ont tendance à se repousser avec une force approximativement égale à celle exercée par l'attraction magnétique. Si un mouvement quelconque est possible au joint entre les sections, il se traduit en vibra- tions d'une fréquence double de celle du réseau causant le bruit.
<Desc/Clms Page number 3>
Ceci est un bruit purement mécanique et ne peut pas être considéré comme un bruit propre provenant des propriétés de magnétostriction de l'acier. En supposant que les surfaces des joints soient par- faitement planes et que la forme des sections de noyau n'ait pas changé, ce changement pouvant permettre aux surfaces de se dis- joindre pendant le cycle de température du noyau, la force exercée par une frette de serrage devrait empêcher tout bruit. Cependant, on constate en pratique que ces sections de noyau se déforment jusqu'à un certain point, permettant à l'entrefer de s'ouvrir et permettant un mouvement au joint malgré l'application de forces allant jusqu'à 500 psi (35 kg/cm2) sur les faces du noyau.
Un noyau sans frette de serrage de 25 KVA, par exemple, aura, comme on peut le mesurer au moyen d'un appareil de mesure de bruit standard, des niveaux de bruit de l'ordre de 60 à 90 DB (décibels), le niveau dépendant en grande partie de la planéité des faces du noyau. Avec des frettes de serrage donnant des pressions de l'ordre de 200 à 500 psi (14 à 35 kg/cm2), ces va- leurs peuvent être réduites à un niveau de 35 à 60 DB, par exem- ple, dépendant encore une fois de la planéité des faces du noyau, la majorité des transformateurs donnant des bruits de l'ordrede 50 à 60 DB. Les valeurs supérieures dépassent les limites accep- tées pour les transformateurs de cette dimension.
Des niveaux de bruits de transformateurs aussi élevés sont d'ordinaire gênants en des endroits de réunion ou dans des localités urbaines. Le bruit peut aussi être particulièrement gê- nant pour certaines applications industrielles.
L'invention a principalement pour but de réunir les sections de noyau en un noyau prêt au service au moyen d'un liant ayant des propriétés telles que lorsque le noyau est excité au moyen de champs électriques alternatifs, son niveau de bruit soit très bas.
<Desc/Clms Page number 4>
Conformément à l'invention les faces usinées des sec- tions de noyau qui doivent venir en contact l'une avec l'autre lorsque les sections de noyau sont réunies en un noyau prêt au service, sont enduites d'un liant, qui consiste en un polyéther polymère thermodurcissable dérivé de phénols polyhydriques produit en faisant réagir du diphénol avec un excès en moles d'épichlor- hydrine en milieu alcalin.
Un liant de ce genre a des propriétés de résistance et d'adhérence si transcendants que les sections ne se sépareront ni ne se déplaceront pas assez pour faire un bruit exagéré en service, quand elles sont soumises à n'importe quelles conditions de travail normales.
Des formes d'exécution préférées de l'invention seront décrites ci-après avec référence au dessin annexé.
La Fig. 1 est une vue en perspective de deux sections de noyau immédiatement avant qu'elles soient réunies, et
La Fig. 2 est une vue en perspective d'un transforma- teur complètement assemblé.
La figure 1 représente deux sections de noyau 10 et 12 en forme de U qui peuvent être formées en enroulant une bande continue de matière magnétique 14 autour d'un mandrin approprié de façon à obtenir un circuit magnétique fermé et en découpant l'enroulement ainsi formé en deux sections en forme de U. Les faces 15 des sections de noyau sont usinées pour obtenir un joint parfait sans entrefer. En pratique, avec une meule abrasive à découper on obtient une face bien unie qui une fois attaquée à l'acide se présentera sans bavures prête à recevoir le liant.
Dans d'autres cas on découpe l'enroulement au moyen d'une fra.i- seuse ou d'une scie, on meule les faces jusqu'à les rendre unies et on enlève les bavures à l'acide. Les bavures doivent être évitées parce qu'elles mettent les tôles en court-circuit et aug-
<Desc/Clms Page number 5>
mentent les pertes. Les tôles 14 de chaque section peuvent être réunies ou liées en interposant une colle ou une résine ou, dans certains cas, en rivant ou soudant les tôles ensemble de manière à ne pas diminuer sérieusement les propriétés magnétiques. Les sections 10 et 12 ainsi formées peuvent être usinées comme un tout et soumises aux traitements et opérations d'assemblage décrits ci-après.
Dans le but de réunir les sections de noyau de manière à former un noyau définitif, dont les faces 15 ne se déplaceront ni se sépareront suffisamment pour faire un bruit exagéré par trépidation ou vibration, on garnit une ou les deux faces comme indiqué, d'une couche 16, 18 d'un polyéther polymère thermo- durcissable dérivé de phénol polyhydrique.
En réunissant les sec- tions de noyau sous leur forme définitive et en les soumettant à la chaleur et à la pression, le polyéther polymère dérivé de phénols polyhydriques, s'il est pourvu d'un catalyseur convenable, se polymérisera en une résine thermodurcie et formera un liant extrêmement tenace et dur qui maintiendra les sections réunies si fermement dans toutes les conditions d'essai normales, que l'on disposera d'un noyau homogène formant un tout indéformable dans tous les cas pratiques d'application.
Un liant parfaitement approprié comprenant de tels polymères est constitué par le produit de la réaction de diphénol avec au moins un équivalent ou un léger excès en moles d'épichlor- hydrine en milieu alcalin. Le diphénol peut être un des dihydroxy- isomères du diphényl ou un mélange de ceux-ci. Comme exemples, il y a le 4,4'-dihydroxy diphényl et le 4,3'-dihydroxy diphényl.
L'exemple suivant se rapporte à une composition déterminée ayant donné des résultats particulièrement satisfaisants.
EXEMPLE.-
4 moles de diphénol et 5 moles d'épichlorhydrine sont ajoutées à une solution aqueuse de soude caustique contenant @
<Desc/Clms Page number 6>
6,43 moles de soude caustique. Le mélange est chauffé lentement de 40 C à 100 C en 80 minutes. La réaction est poursuivie pendant une heure à une température de 100 C à 104 C. Le mélange est alors mis au repos jusqu'à ce qu'il se sépare en deux couches. La couche aqueuse supérieure est décantée et rejetée. La couche inférieure contenant la réaction résineuse est d'abord lavée à l'eau plusieurs fois et l'eau est jetée pour enlever la soude caustique en excès.
On mélange ensuite de l'acide acétique dilué pour neutraliser la soude caustique libre. Ensuite on procède à de nouveaux lavages jusqu'à ce que l'eau soit neutre au tournesol. On enlève l'eau par décantation et on chauffe ensuite à 150 C pour enlever toute trace d'eau. Le produit résineux ainsi obtenu a un point de ramollisse- ment de 100 C.
Ce produit résineux est dissous dans un solvant organi- que volatil tel que l'acétone ou d'autres cétones, ou de l'acétate de méthyle solvant de cellulose, de façon à former une solution ayant de 50 à 80% de matières solides. Immédiatement avant l'em- ploi, on ajoute aux solutions résineuses quelques % d'un hydro- xyde ou phénoxyde de métal alcalin ou d'une amine organique comme catalyseur. 1% à 5% en poids de catalyseur suffit. 1% de diéthylène triamine ou 1% d'hydroxyde de potassium ou d'hydroxyde de sodium est un catalyseur qui permet à la résine de polymériser dans un temps raisonnable.
On se rendra compte que la réaction peut être amenée à un degré de condensation plus ou moins avancé que dans l'Exemple donné. L'emploi de plus de soude caustique ou un temps de réaction plus long avancera la concentration. Cependant, la réaction ne peut être poussée au point où la résine n'est plus soluble dans un solvant organique, tel qu'une cétone.
Sur la figure 1, les couches 16 et 18 recouvrant les faces 15 sont composées du liant résineux et du catalyseur. En solution on peut les appliquer à la brosse, au pistolet ou par @ .,-.
<Desc/Clms Page number 7>
trempage. Les couches 16 et 18 sont partiellement séchées pour éliminer le solvant. Les sections de noyau traitées sont alors assemblées autour d'une bobine, comme indiqué à la figure 2 du dessin. Deux noyaux enroulés fermés 20 et 22 se composent chacun de.deux sections, telles que celles représentées à la fig. l, qui sont réunies de façon que les faces usinées et recouvertes de résine se superposent, formant ainsi une couche de liant 24. Les noyaux sont assemblés autour d'un ou plusieurs enroulements élec- triques 26.
Après l'assemblage indiqué à la figure 2, l'ensemble est soumis à une pression de 200 à 500 psi (14 à 35 kg/cm2) appli- quée aux couches 24. Ceci peut être réalisé par un dispositif de serrage tel qu'une frette 28 posée au moyen d'un outil de fret- tage, ou en appliquant une charge d'une manière convenable quel- conque sur chacun des noyaux 20 et 22. L'ensemble est ensuite placé dans un four et porté à une température entre 110 C et 140 C pendant une durée variant de 2 à 16 heures suivant les dimensions du noyau. La résine durcit en 15 minutes à 125 C. Comme les noyaux de grandes dimensions prennent un temps très long pour atteindre la température du four, la durée réelle du traitement thermique dans un four peut être prolongée jusqu'à 18 et 24 heures.
Pour des noyaux de 10 livres (4,5 kgs) 4 heures dans un four à 135 C suf- fisent. La résine de la couche 24 elle-même prendra 2 heures pour polymériser à 135 C. Cependant, le long traitement au four est avantageux en ce que la bobine et le noyau sont en même temps 33- chés et portés à l'état dans lequel ils sont prêts à être placés dans un boîtier de transformateur et immergés dans un liquide diélectrique de façon à être prêts au travail. Après polymérisation, on constatera que les sections sont extrêmement bien attachées à l'endroit des entrefers ou joints 24 recouverts de liant.
Le liant de la couche 24 a des caractéristiques que nul autre liant résineux connu ne possède, quand il est appliqué à des noyaux métalliques. La trépidation et la vibration en service
<Desc/Clms Page number 8>
sont nettement diminuées. Les sections de noyau réunies au moyen de ce liant résistent à des forces de traction allant jusqu'à 800 psi (56 kg/cm2). Une fois réunies au moyen de la composition résineuse, les sections de noyaux sont pratiquement inséparables sans les endommager. Des forces de rupture de minimum 10. 000 à 15. 000 livres (4.500 à 6.$00 kg) sont atteintes pour des noyaux enroulés de transformateurs de 11/2 KVA.
Ces forces d'adhérence se maintiennent même dans des conditions de température extrêmes rencontrées dans l'utilisation des transformateurs. Le liant s'est avéré résistant à des températures aussi basses que -40 C et sa- tisfaisant au point de vue force d'adhérence à des températures aussi élevées que 105 C. La couche 24 a d'ordinaire une épaisseur de un à deux dix-millièmes de pouce (0,0025 à 0,005 mm). Cepen- dant, dans certains cas l'épaisseur de la couche peut atteindre un millième de pouce (0,025 mm) ou plus, tout en donnant de bons résultats.
Les données suivantes sont suggestives quant à l'amé- lioration des transformateurs. Les transformateurs du commerce de 25 KVA construits comme à la figure 2 du dessin donnent un niveau de bruit moyen de 50 à 70 DB.
Quelques transformateurs sont en-dessous de ce niveau et un même nombre au-dessus. L'emploi de très fortes pressions ap- pliquées par les frettes 28 ou d'autres moyens de serrage pour maintenir l'espacement entre sections de noyaux au minimum, n'a pas produit de notables réductions de bruit. Tous ces noyaux ont leurs faces recouvertes d'une résine vinylique pour empêcher la corrosion par acidité. On a constaté cependant que les résines vinyliques ont une force d'adhérence faible par rapport à celledes présentes compositions et n'empêchent pas le mouvement et la sépa- ration des sections de noyaux pendant qu'elles sont soumises à des champs électriques alternatifs tels que ceux établis par les enroulements 26.
Lorsque les sections sont traitées au moyen de
<Desc/Clms Page number 9>
la composition de l'exemple donné polymérisée sous une pression de 150 psi ((10,5 kg/cm) à une température de 125 C pendant 8 heures, les niveaux de bruit moyens pour les transformateursde 25 KVA sont de l'ordre de 35 à 45 DB. Cette diminution marquée du niveau de bruit n'a pu être réalisée que grâce à la composition résineuse particulière décrite ici. Les résines phénoliaues, alkides, et vinyliques telles que l'acétate de polyvinyle, le méthacrylate de méthyle et le styrène ont été essayées sans amé- lioration sensible du niveau de bruit.
Dans de nombreux cas ces dernières résines n'eurent aucun effet d'adhérence ou le lien fut rapidement rompu pendant le fonctionnement des noyaux, à cause des variations de température et des vibrations.
De très nombreux noyaux ont été fabriqués conformément à la. présente invention, dans lesquels le liant dur et tenace com- prenant le polyéther polymère dérivé du phénol polyhydrique a donné de bons résultats dans tous les cas. L'avantage marqué consiste dans la. réduction marquée du bruit. Il en est résulté que l'on a pu utiliser certains transformateurs à noyau enroulé en maints endroits où ils n'auraient pas été acceptés à cause du niveau de bruit élevé.
L'invention peut être appliquée à un type quelconque de structure de noyau composé de sections de noyau magnétique de forme et de contour quelconques. Ainsi, les noyaux peuvent être constitués de plusieurs blocs parallélipipédiqes formant un noyau enroulé rectangulaire ayant une ou plusieurs fenêtres carrées ou rectangulaires pour les enroulements électriques. L'invention a été appliquée avec plein succès à la fabrication de noyaux enroulés à niveau de bruit faible avec deux sections en forme de U ayant des paires de faces usinées complémentaires.
Quand les faces des noyaux sont proprement jointes au moyen d'un liant comme décrit ci-dessus, les niveaux de bruit ,
<Desc/Clms Page number 10>
sont considérablement abaissés et un transformateur de 25 KVA aura. un niveau de bruit de l'ordre de 35 à 45 DB sans aucun bruit de joint. Le bruit mesuré dépendra entièrement de la matière du noyau et de l'absence de contraintes. On a constaté qu'en moyenne, lorsque les faces de noyau sont réunies avec cette matière, l'écart entre les bruits les plus et les moins élevés est fortement réduit et que, si l'on vérifie un grand nombre de noyaux, on ne trouvera que peu de différence entre les niveaux de bruit. En pratique, la pression appliquée aux faces de noyau par les frettes usuelles est d'environ 200 psi (14 kg/cm2).
La matière décrite ici et appliquée sur les faces de noyau qui forment le joint entre moitiés de noyaux est capable de donner au joint une résistance à la traction de l'ordre de 500 à 800 psi (35 à 56 kg/cm2). Cette matière résiste aussi à l'huile et à d'autres diélectriques, de sorte qu'en service normal le joint ne se ramollit pas. Les types courants de liants organiques ne donnent d'ordinaire pas satisfaction et donnent des résistances de l'ordre de 50 à 200 psi (3,5 à 14 kg/cm3). A cause des diffé- rences normales, cependant; tous les noyaux ne peuvent pas être produits avec une valeur déterminée quelconque pour la résistance du liant.
On notera que la force causant du bruit est de l'ordre de 150 psi (10,5 kg/cm2) et que le liant décrit ici est capable de donner aux surfaces de joints des résistances d'environ 500 à 800 psi (35 à 56 kg/cm2), lorsqu'il est bien polymérisé et conve- nablement appliqué. On a constaté qu'une fois que les joints de noy- au sont garnis du liant de la présente invention, les frettes, mises au début pour exercer une force aux surfaces de joiht, peu- vent être enlevées sans augmenter le bruit dans le joint, montrant ainsi que le composé appliqué au joint est parfaitement capable de résister aux forces qui tendent à rendre le noyau bruyant.