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Noyaux magnétiques et procédé pour leur fabrication.
Cette invention concerne des appareils d'induction électrique tels que des transformateurs, et particulièrement la construction de leurs noyaux ou circuits magnétiques.
Il existe des noyaux magnétiques dont le circuit magnétique est formé d'un ruban de tôle d'acier magnétique dont les grains sont orientés dans la direction du ruban d'acier; les lignes de flux magnétique passent dans la tôle dans cette direction, ce qui donne un noyau ayant une haute perméabilité et une faible perte d'énergie. Le ruban de tôle magnétique est bobiné sur un mandrin ou un gabarit d'une forme telle qu'on obtienne un noyau ayant une ouverture en forme de fenêtre et une épaisseur de matériau magnétique prédéterminée. Les sections de noyau magnétique ainsi formées sont ensuite recuites pour faire
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disparaître les tensions créées dans le matériau pendant le bobi- nage. Le noyau peut ensuite être traité et les sections peuvent être montées dans des bobinages de cuivre conducteurs du circuit électrique.
Le traitement peut consister à imprégner le noyau d'un matériau liant et adhésif et à procéder à une cuisson pour lier entre elles étroitement les spires de tôle superposées, à couper le noyau en deux sections, à traiter les surfaces d'about des sections coupées par meulage ou usinage, et à traiter les surfaces de manière à enlever les bavures qui pourraient court- circuiter le joint.
La réalisation de ce type de noyau a donné lieu à des difficultés en ce qui concerne le maintien d'un rapproche- mont suffisant des couches du ruban de tôle bobiné. Si la tôle d'acier constituant le matériau magnétique du noyau bobiné est trop serrée, il devient difficlle d'imprégner convenablement le noyau avec le matériau liant; il en résulte que certaines couches ad- jacentes du noyau n'adhèrent point suffisamment entre elles, de telle sorte qu'après l'achèvement du noyau, un vide peut se créer entre ces couches.
Dans la pratique courante du bobinage de ces noyaux, on commande la tension de l'enroulement au moyen de galets tendeurs qui sont maintenus à une pression désirée sur le,ruban de tôle magnétique, pendant que celui-ci est bobiné sur le mandrin, tout en maintenant une certaine tension sur le ruban pendant son enroulement. Cependant, le ruban de tôle magnétique qui est enroulé pour former le noyau a une rigidité propre qui dépend de son calibre ou épaisseur, et une pression minimum doit y être exercée par les galets tendeurs, afin de donner au noyau la forme désirée, cette pression minimum augmentant avec la vi- tesse du bobinage.
La pression minimum nécessaire pour confor- mer le ruban d'acier au mandrin, à une vitesse économique de bobinage est si élevée que le noyau achevé a un facteur d'en-
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combrement extrêmement élevé, c'est-à-dire que les spires adja- centes du ruban de tôle d'acier sont très serrées l'une contre l'autre, laissant peu d'espace entre elles. Les spires intérieures sont soumises à des forces de compression qu'il est impossible de faire disparaître par un recuit économique, il en résulte qu'a- près le recuit, le noyau est exposé à s'affaisser lorsqu'on en- lève le mandrin qui le maintenait. De plus, la partie du noyau qui ne s'affaisse pas est tellement serrée qu'il se peut que l'es- pace laissé pour l'imprégnation à l'aide d'un composé liant, ne soit pas suffisant.
Il en résulte que de nombreux noyaux sont défectueux par suite de vides entre des spires ou lamelles ad- jacentes. Ceux qui ne sont pas rejetéspour cette raison, peu- vent donner des ennuis par suite de la difficulté de maintenir de bonnes surfaces d'about, parce que les tensions résiduelles dans l'acier font glisser les lamelles du noyau, les unes par rapport aux autres, dans une certaine mesure, de telle sorte que les bouts coupés des lamelles ne forment pas une surface unifor- mément lisse augmentant ainsi la reluctance des joints d'aboute- ment. Le bobinage serré, et par conséquent la forte pression exer- cée par une spire sur la spire adjacente, diminue aussi la résis- tance interlamellaire et il en résulte un accroissement inaccep- table des pertes par courants de Foucault dans le noyau.
Suivant la présente invention on surmonte ces diffi- cultés en espaçant convenablement les spires consécutives du noyau bobiné. A cet effet, le ruban de tôle d'acier magnétique qui forme le noyau est bobiné en même temps qu'une étroite bande inter- calaire d'un composé organique qui se gazéifie pendant le recuit, cette bande intercalaire étant placée loin des bords du ruban d'acier magnétique formant le noyau, par exemple au milieu du ruban. Le composé organique peut être soit une matière suscepti- ble de se décomposer à la température du recuit en ne laissant pratiquement pas de résidu soit un composé volatil qui se vola- tilise et disparaît au cours du recuit. Dans les deux cas la bande intercalaire disparaît pendant le recuit, à part un petit
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résidu.
Des composés organiques tels que du fil de coton, du lin, de la soie, des bandes de superpolyamide, du tissu "card" de soie artificielle, de la ficelle de chlorure de vinylidène ou d'autres composés fibreux capables de se décomposer, en réagissant avec l'hydrogène pour former des produits gazeux ou de se volatiliser à la température du recuit, peuvent être employés. D'autres substan- ces comme le magnésium qui est un métal extrêmement volatil et réactif réagissent avec l'hydrogène l'azote ou la vapeur d'eau pour former des résidus isolants.
Parmi les composés organiques précités, des matières cellulosiques comme le fil de coton, ont donné satisfaction. Un seul brin de fil de coton peut être utilisé. Un fil ayant un diamètre entre 0,0015 et 0,003 pouces (0,0375 et 0,075 mm) a été trouvé satisfaisant. Ce diamètre se réduit sous la pression des galets tendeurs pendant le bobinage. Ordinairement les noyaux sont formés avec une fenêtre rectangulaire ayant des côtés droits, et lors du recuit, après le bobinage, un poids statique est appli- qué, afin de comprimer les branches du noyau et les maintenir pla- tes ou parallèles. La température du recuit se situe de préfé- rence entre 700 C et 10000C dans une atmosphère réductrice conte- nant de préférence de l'hydrogène.
Pendant ce traitement de re- cuit, le carbone gazeux est décomposé en gaz qui sont évacués du four par la circulation d'une atmosphère réductrice, de telle sorte qu'aucune carburation de l'acier ne puisse se produire.
Cette atmosphère réductrice peut consister principalement en de l'hydrogène et de l'azote. L'élimination de l'eau et des pro- duits de carbone gazeux, réduit le fil à une fine raie de graphi- te d'un beaucoup plus faible volume que le fil primitif. Le volu- me du fil est substantiellement réduit ou disparaît. Cette réduc- tion de volume est suffisante pour produire un relâchement, per- mettant un allègement complet des forces de compression à l'in- térieur du noyau., pendant le recuit; néanmoins le facteur d'encom-
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brement n'est pas réduit au-delà d'une limite raisonnable. Le résidu provenant ou fil de co'-on est très petit et ne gêne pas l'imprégnation, par introduction d'un composé liant, entre les couches adjacentes de la bende d'acier.
On a essayé d'autres matériaux comme une très mince couche de papier disposée sur toute la largeur du ruban de matière magnétique, ou une sorte de peinture qui disparaît pendant le recuit, mais les résultats n'ont pas été satisfaisants car le résidu de carbone sur toute la surface du ruban empêche la bonne imprégnation du noyau.
Il est nécessaire que la matière intercalaire utilisée pour l'espacement des couches successives du noyau soit étroite en comparaison de la largeur du ruban d'acia', et soit placée loin des bords du ruban de matière magnétique formant le noyau, et de préférence près du milieu du ruban, de manière à permettre de réaliser l'imprégnation désirée entre les couches successives, depuis les deux côtés du noyau bobiné. Si l'on utilise du papier ce doit être une bande très étroite, ou un fil torsadé, de telle sorte, que son effet soit semblable à celui d'un fil de coton.
Le composé utilisé devra généralement être de nature gazéifiable, de telle sorte que pendant le recuit, il disparaisse, sauf peut-être pour un petit résidu, et ce ré- sidu devra se trouver bien à l'écart des bords du ruban d'acier, de façon à ne pas gêner la bonne imprégnation du noyau.
Les dimensions de la bande ou du fil utilisés varieront suivant les noyaux dépendant de la dimension du noyau et de l'épaisseur de l'acier utilisé, afin de donner l'intervalle voulu entre des couches successives. Plus la matière o.u ruban d'acier utilisé sera épaisse, plus le fil destiné à déterminer l'espace- ment correct sera gros. De même, plus le ruban d'acier sera large utilisées et le nombre de couches/sera grand, plus le fil destiné à dé- terminer l'espacement corr'ect entre des couches successives sera fort.
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Un objet de l'invention est de réaliser une construc- tion de noyau bobiné ayant les caractéristiques ci-dessus, dans lequel l'espacement requis est réalisé entre les spires succes- sives du noyau magnétique, afin de faire disparaître les ten- sions excessives dans le matériau causées par un bobinage trop serré, et d'assurer ainsi l'espacement requis entre les tours, de façon à permettre une bonne imprégnation du noyau avec le composé liante après le bobinage, et empêcher des couches ad- jacentes du noyau d'adhérer ensemble à la suite du traitement de recuit.
L'invention a aussi pour but de réaliser un noyau bobi- né, dans lequel un ruban de tôle d'acier et un brin de matière décomposable sont bobinés simultanément, couche sur couche, pour maintenir un espace entre les différentes couches de la tôle bobinée, le noyau étant ensuite recuit afin de faire dis- paraître les tensions causées dans l'acier par le bobinage et de décomposer le brin de matière entre les couches d'acier de manière à le réduire à une quantité de matière négligeable con- . sistant en une fine raie de graphite, après quoi le noyau d'a- cier bobiné est imprégné avec un matériau liant et est ensuite cuit afin d'avoir une bonne adhésion entre les spires ou lamelles. Le noyau magnétique ainsi réalisé peut être ensuite divisé en sections pouvant facilement recevoir les bobines, enrou- lées sur forme, d'appareils électriques.
Les surfaces section- nées peuvent être ensuite travaillées par meulage ou traitées d'une autre façon afin de faire disparaître les bavures pouvant donner lieu à des courts-circuits. Les composés combustibles peuvent être du fil de coton, lin, soie ou matière similaire, ou bien d'étroites bandes de papier.
L'invention sera bien comprise en se référant à la description qui suit ainsi qu'aux dessins annexés, dans les- quels :
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Figure 1 est une vue en élévation de côté d'un noyau bobiné de la manière usuelle ;
Figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1;
Figure,3 est une vue en coupe agrandie d'une partie du noyau bobiné conformément à l'invention; et
Figure 4 est une vue en élévation de côté d'une partie de la machine utilisée pour le bobinage au noyau.
La figure 1 montre un noyau bobiné 1 établi de la ma- nière ordinaire, en bobinant une bande 2 de tôle d'acier magnéti- que sur un mandrin, et en formant une fenêtre 3 sensiblement rec- tangulaire. Après que le matériau composant la bande a été bo- biné, lié et passé au recuit de la manière usuelle, on le coupe suivant les lignes 4-4, de manière à former deux sections 5 et 6 en forme de U. Ces sections 5 et 6 en forme de U peuvent être séparées et réassemblées sur des bobines porteuses de courant, formées préalablement de manière connue.
La figure 2 est une vue en coupe, quelque peu agrandie, afin de montrer les couches de composé liant et isolant 7, qui se situent entre les couches de ruban de tôle d'acier 2, ce composé isolant étant le liant mentionne précédemment, dont le noyau est imprégné en appliquant le liant sous pression, ;;prés le bobinage et le recuit. Une ferme adhésion entre les couches de tôle d'acier formant une structure de noyau résulte de l'emploi du liant.
Sur la figure 3 plusieurs couches au ruban de tôle d'acier 2 sont bobinées avec des couches successives de fils 11, interposées comme décrit précédemment, le fil étant placé à peu près à égale distance des bords du ruban d'acier 2. Quoique les fils 11 sont montrés sur la. figure 3 comme étant pratiquement ronds, on comprendra!que sous la pression d'enroulement, ils se- ront considérablement aplatis, le diamètre devenant à peu près le
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tiers de celui qu'ils ont lorsqu'ils sont suspendus librement sans subir aucune pression. Quoique l'on ait représenté le fil essentiellement dans une position médiane vis-à-vis des bords du ruban, cette position peut être déplacée alternativement de part et d'autre de cette ligne médiane pendant le bobinage.
Il en'résulte un étagement plus égal des couches et une élimination de toute "crête" qui serait due au fait que chaque couche de fil est essentiellement au-dessus de la couche inférieure.
La figure 4 représente une machine 12 qui est utilisée pour bobiner le noyau, et montre un mandrin 13 arrangé pour bobiner la bande 2 simultanément avec le fil 11 pour obtenir des couches de fils entre les couches d'acier successives. La machine 12 peut être en substance celle décrite dans le brevet américain ? 2.264.800, du 2 décembre 1941.
Le mandrin 13 est maintenu en position pour le bobi- nage, en partie par la partie du cadre 14 et en partie par un arbre (non représenté ) supporté par le bâ.ti 15 de la machine qui porte la tête de bobinage 16, sur laquelle le mandrin est directement 'monté. Les galets tendeurs 17 et 18 sont montés sur des axes 19 et 20 dans un support 21, qui à son tour est fixé sur un pivot 22 au chariot 23 qui peut glisser à l'intérieur d'un support 24. Des moyens (non représentés) sont prévus polir abaisser le chariot 23, de manière à appliquer une pression sur le ruban 2 par l'intermédiaire des galets tendeurs 17 et 18, pen- dant que le ruban est bobiné sur le mandrin 13.
Deux équipages de galets freinés 32, 33 sont aménagés sur un bâti ad hoc 34, en partie pour aplatir et enlever toute bavure pouvant exister sur les bords extérieursde la tôle d'acier, et en partie pour ap- pliquer une pression de freinage afin de maintenir le ruban de tôle d'acier 2 à la tension désirée pendant qu'il est tiré par le mandrin rotatif pour être bobiné couche sur couche. Un dévi- doir 35 débite le fil 11; il est pourvu d'un frein à friction 36
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qui s'oppose à sa rotation, de manière à maintenir une légère ten- sion sur le fil 11.
Une roue-guide 37, ayant une gorge profonde 38, est fixée de façon à guider le fil 11, de manière qu'il soit bobiné près de la ligne de centre du ruban d'-acier comme le mon- tre la figure 3, ou alternativement de part et d'autre de cette ligne. Tout autre moyen convenant pour guider le fil de cette manière ou le placer convenablement peut être utilisé.
Il va de soi que des modifications peuvent être ap- portées aux détails de la construction décrite et illustrée ci-dessus, et au mode de construction du noyau, sans s'écarter de l'invention, et que celle-ci n'est pas limitée aux exemples donnés.
REVENDICATIONS.
----------------------------- l.- Procédé de fabrication d'un noyau magnétique, ca- ractérisé en ce qu'on enroule simultanément un ruban de tôle magnétique, couche par couche, autour d'une forme pour façonner un noyau à circuit magnétique fermée et une étroite bande ou fil d'une matière intercalaire dispersible ou décomposable par la chaleur, placée vers l'intérieur par rapport aux bords du ruban pour espacer les couches successives de l'enroulement, et on re- cuit le noyau enroulé afin de faire disparaître les tensions dans le matériau magnétique qui résultent de l'opération d'enroule- ment et de disperser ou décomposer la bande ou fil de matière d'espacement.