Organe électriquement semi-conducteur destiné à maintenir en position des organes électriques à haute tension et procédé pour sa fabrication. La présente invention se rapporte à un organe électriquement semi-conducteur des tiné à maintenir en position des organes élec triques à haute tension et à un procédé pour la fabrication de cet organe.
La tension admissible dans les appareils électriques est limitée par la formation d'ef fluves qui out la tendance de détruire l'isole ment organique de parties à haute tension exposées à l'air ou un autre fluide. gazeux. Les effluves se produisent dans les appareils électriques lorsque la surface de leur isole ment électrique exposée à l'air ou à un autre gaz est soumise à un gradient de tension électrostatique tel que les moléculA;s d'oxy gène ou d'un autre gaz sont rendues haute ment actives, chimiquement et électriquement.
L'air par exemple, soumis à ces gradients de tension, forme de l'ozone, des oxydes d'azote et d'autres puissants agents chimiques qui agissent de manière hautement destructive lorsqu'ils entrent en contact avec l'isolement organique. Puisque l'isolement organique constitue la majeure partie de l'isolement dans la plupart des appareils électriques actuels, la formation d'effluves constitue un facteur limitatif de la tension admissible utilisable dans les conducteurs électriques.
L'emploi de voltage au-dessus des valeurs de seuil auxquelles les effluves prennent nais sance, peut provoquer une action destructive de l'isolement organique des conducteurs telle que, dans certains cas, l'isolement orga nique sera après quelques mois seulement dé truit ou détérioré à un degré tel qu'il pro duit des -courts-circuits et manque à son but. Dans les cas où l'isolement consiste en ma tières inorganiques, telles que par exemple du mica combiné avec un liant organique, l'action des effluves sur les parties organi ques nécessitera une réparation à de fréquents intervalles.
Il est connu de protéger ces isolements par des peintures contenant des substances conductrices telles que du graphite, charbon de bois, etc., en vue de produire un revête ment semi-conducteur destiné à mettre à terre les voltages de surface présents sur l'isole ment électrique, pour éviter la formation d'effluves. La demanderesse a elle-même pro posé une composition de ce genre contenant de l'anthracite finement divisé, composition permettant de réaliser la protection d'isole ments d'organes soumis à de hautes tensions.
Cependant, les appareils électriques de puissance élevée et à haute tension compor tent un grand nombre de conducteurs qui doi vent être maintenus dans une position déter minée à l'aide de liens, organes d'espacement, pièces de blocage, etc. On a trouvé qu'il est avantageux, pour que des potentiels électro statiques susceptibles de provoquer la forma tion d'effluves ne puissent apparaître entre les conducteurs, que ces organes de maintien soient eux-mêmes semi-conducteurs et coopè rent ainsi avec les revêtements semi conducteurs.
L'organe semi-conducteur selon l'inven tion comprend une matière fibreuse, dont une partie au moins des fibres sont recouvertes d'une matière organique susceptible de for mer un film et contenant en dispersion de l'anthracite finement pulvérisé renfermant moins de<B>10%</B> de matières volatiles, ce der nier étant en proportion telle que la résis tance électrique de l'organe soit de l'ordre de 0,0e02'54 à 25,4 mégohms par cm'.
Le procédé suivant l'invention pour la fabrication d'organes semi-conducteurs est ca ractérisé en ce qu'on moud l'anthracite à une finesse sensiblement colloïdale en présence de la matière organique susceptible de former un film, dissoute dans un solvant, pendant un espace de temps suffisant pour obtenir une distribution uniforme de l'anthracite, qu'on réunit un vernis contenant le produit ainsi obtenu avec la matière fibreuse et qu'on forme l'organe.
On a trouvé que l'anthracite présente des avantages inattendus en comparaison du gra phite et d'autres matières à base de carbone employées antérieurement pour la fabrication de peintures semi-conductrices. Par exemple, le graphite a un pouvoir conducteur électri que relativement élevé, et pour assurer une résistance de 6,45 mégohms ou davantage par cm' de surface d'un film d'une épaisseur de 0,075 @à 0,1 mm, il faut employer des quan tités de graphite tellement faibles que des petites erreurs dans la quantité de graphite ajoutée entraînent des variations énormes de la résistance électrique.
Le charbon de bois présente l'inconvénient de produire une ré sistance qui augmente considérablement avec le temps et rend ainsi son emploi peu avan tageux. La résistance de l'anthracite varie cepen dant avec la provenance. La table suivante indique la résistance électrique de six échan tillons d'anthracite de Pensylvanie, résistance mesurée sur le charbon pulvérisé et séché, dans une cellule à conductivité, et montre la corrélation entre la résistance et le pourcen tage de matières volatiles. Par matières vola tiles, on entend l'humidité, les hydro carbures ainsi que d'autres matières qui sont chassées en chauffant le charbon à une haute température.
EMI0002.0014
<I>Table <SEP> I:</I>
<tb> Echantillon <SEP> /o <SEP> de <SEP> matière <SEP> Résistance <SEP> électrique
<tb> N <SEP> volatile <SEP> en <SEP> mégohms
<tb> 1 <SEP> <B>2,9%</B> <SEP> 0,009
<tb> 2 <SEP> <B>3,1%</B> <SEP> 0;009
<tb> 3 <SEP> 4,9% <SEP> 0,28
<tb> 4 <SEP> 6,4% <SEP> 0,38
<tb> 5 <SEP> <B>6.7%</B> <SEP> 1,4
<tb> 6 <SEP> <B>7,7%</B> <SEP> 7,6 La résistance électrique des différents anthracites pulvérisés de la. table 1 n'est. pas la même que la résistance que l'on obtient lorsque l'anthracite est traité de manière appropriée et incorporé dans des matières or ganiques aptes à former un film.
Toutefois, la résistance du revêtement ou film final varie pour ainsi dire directement avec celle indiquée dans la table, mais les valeurs sont d'un ordre entièrement différent.
La stabilité des résistances obtenues en utilisant de l'anthracite est démontrée par les essais suivants, réalisés en appliquant sur des rubans une peinture contenant de l'an thracite finement divisé, dispersé dans une solution d'une matière organique. Les rubans, après séchage, ont été soumis à un vieillisse ment accéléré.
La table suivante indique des résultats typiques obtenus:
EMI0003.0001
<I>Table <SEP> II:</I>
<tb> <I>Essais <SEP> de <SEP> rubans.</I>
<tb> <I>No <SEP> Pigment: <SEP> Résine:</I>
<tb> 5 <SEP> Charbon <SEP> de <SEP> bois <SEP> de <SEP> hêtre <SEP> Phtalate <SEP> de <SEP> glycérol <SEP> modifié <SEP> à <SEP> l'huile
<tb> 7 <SEP> Anthracite <SEP> Résine <SEP> de <SEP> Coumarone
<tb> 24 <SEP> "/,o <SEP> d'anthracite <SEP> avec <SEP> charbon <SEP> de <SEP> bois <SEP> Résine <SEP> de <SEP> Coumarone
<tb> de <SEP> hêtre
<tb> 26 <SEP> Anthracite <SEP> Résine <SEP> de <SEP> Coumarone
<tb> 31 <SEP> Charbon <SEP> (1-1/2 <SEP> partie) <SEP> Asphalte <SEP> (1 <SEP> partie)
EMI0003.0002
A <SEP> = <SEP> Nombre <SEP> de <SEP> jours <SEP> de <SEP> vieillissement <SEP> à <SEP> une <SEP> température <SEP> de <SEP> 200 <SEP> centigrades.
<tb> B <SEP> - <SEP> Résistance <SEP> en <SEP> mégohms <SEP> par <SEP> cm@ <SEP> de <SEP> surface <SEP> d'un <SEP> ruban <SEP> de <SEP> 0,25 <SEP> mm.
<tb> A <SEP> 5 <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 9 <SEP> 12 <SEP> 16 <SEP> 19 <SEP> 25 <SEP> 50
<tb> B <SEP> No <SEP> 5 <SEP> 775 <SEP> 870 <SEP> 1000 <SEP> 1350 <SEP> 1750 <SEP> 2840 <SEP> 4520 <SEP> 11250 <SEP> 103000
<tb> B <SEP> No <SEP> 7 <SEP> 116 <SEP> - <SEP> 73,5 <SEP> - <SEP> 97 <SEP> 97 <SEP> 110 <SEP> - <SEP> 142
<tb> B <SEP> No <SEP> 24 <SEP> 60 <SEP> - <SEP> 54 <SEP> - <SEP> 68 <SEP> 75,5 <SEP> 110 <SEP> - <SEP> 277
<tb> B <SEP> No <SEP> 26 <SEP> 9,0 <SEP> -- <SEP> 7,1 <SEP> - <SEP> 7,1 <SEP> 6,45 <SEP> 7,1 <SEP> - <SEP> 10,
3
<tb> B <SEP> No31 <SEP> 103 <SEP> - <SEP> 90 <SEP> - <SEP> 97 <SEP> 90 <SEP> 110 <SEP> - <SEP> 135 En examinant la table, on remarquera qu'un ruban peint au charbon de bois de hêtre, essai Nc 5, eut après 5 jours une ré- -sistance initiale de 775 mégohms par -cm' et qu'après 50 jours, la résistance avait augmenté jusqu'à 103 00'0 mégohms.
Cette dernière va leur est beaucoup trop élevée pour prévenir les effluves par une réduction des potentiels de surface, parce que la limite utile supé rieure est d'environ 6,4510 .mégohms. En com paraison, les essais Nos 7, 26 -et 31 de la table montrent une augmentation insignifiante de la résistance à la fin de la même durée de vieillissement.
L'anthracite confère même certains avantages de stabilisation aux com positions contenant du charbon de bois de hétre, comme il ressort de l'essai No 24 de la table, où la résistance d'un revêtement d'un mélange de 50 % de charbon de bois de hêtre et de 50 % d'anthracite n'augmenta que d'une valeur modérée pendant la durée de vieillis sement. Cet essai de 50 jours à 200 centi grades semble être équivalent à presque 10 ans à 1:00 centigrades. Plusieurs exemples d'exécution de l'or gane suivant l'invention sont représentés, à titre d'exemples, au dessin annexé.
La fig. 1 montre une vue en fragment; partie en coupe, de l'enroulement frontal d'une machine dynamoélectrique.
La fig. 2 montre à une plus grande échelle un fragment d'une coupe transversale d'un ruban suivant l'invention.
La fig. 3 montre à une échelle agrandie un fragment en coupe transversale d'un or gane semi-conducteur moulé.
La fig. 4 montre. une vue en perspective d'un bloc d'espacement à rainure.
La fig. 5 montre, à échelle agrandie, une coupe d'un organe semi-conducteur moulé à froid, et la fig. 6 montre une vue en perspective d'une pièce d'espacement de bobines enlevée à l'emporte-pièce d'une feuille de matière correspondant à celle représentée à la fig. 5.
A la fig. 1 du dessin on a représenté un fragment d'une coupe transversale d'une gé nératrice 10 montrant une partie des bobines 18 placées dans les rainures et leurs têtes d'enroulement 20. Les bobines 18 sont pla cées dans des rainures 16 de la matière feuil-, letée du noyau magnétique 12, dont les feuilles sont maintenues en place par des plaques d'extrémité 14. Les têtes d'enroule ment 20 sont bloquées ou espacées par des pièces d'espacement 22 appliquées en des po sitions d'effort maximum. Des liens ou liga tures 24 sont appliqués en des endroits adja cents au bloc 22.
Au point où les bobines 18 émergent des rainures 16, elles sont bloquées au moyen de blocs à rainure 26 et assujetties au moyen de ligatures 28, tandis que des ligatures transversales additionnelles 30 sont employées en un point juste au delà des blocs à rainure 26. Les bobines de conducteur et les, têtes d'enroulement 18 et 20-sont revêtues d'une peinture semi-conductrice qui forme un revêtement semi-conducteur 32 qui est de préférence appliqué avant le montage des bo bines dans la génératrice 10. La partie à fente 18 est revêtue d'une peinture au gra phite à faible résistance.
Tandis que le potentiel à la surface de chaque tête d'enroulement 20 peut être égalisé par le revêtement semi-conducteur 32, les potentiels électrostatiques dans l'air, entre les différentes têtes d'enroulement. ne peu vent pas atteindre une valeur suffisante pour provoquer des effluves, par suite de la, pré sence des blocs entiers 22 et 26 semi-conduc teurs ainsi que des ligatures 24, 28 et 30 semi-conductrices également, mis à la terre. Le revêtement de graphite à faible résistance sur 18 aura pour effet de réduire le potentiel presque jusqu'à la valeur de mise @à. terre.
On peut employer comme ligatures en 24, 28 et 30, des rubans ou liens flexibles de na ture semi-conductrice, préparés au préalable, et ensuite enroulés sur les têtes d'enroule ment de façon à obtenir un contact semi conducteur satisfaisant sans nécessité d'ap pliquer une peinture après le montage.
La fig. 2 montre un ruban 40 ayant des propriétés semi-conductrices. Ce ruban 40 comporte un corps 42, par exemple en tissu de verre. d'amiante ou de coton ou en un mélange de ceux-ci. Le ruban de tissu 42 peut être traité avec une peinture semi-con ductrice par immersion, au pinceau, par aspersion ou suivant toute autre méthode appropriée et ensuite séchée. Il va de soi que de la. corde ou ficelle de matière fibreuse similaire peut être traitée de la même ma nière pour produire un matériel de ligature similaire.
Une peinture semi-conductrice pour l'ob tention d'un tel ruban peut être préparée en partant d'un anthracite moulu ou d'un mé lange d'anthracites et en incorporant la quantité nécessaire d'anthracite dans une so lution d'une matière organique susceptible de former un film, telle qu'un vernis isolant. Cette peinture contiendra de préférence 15 à <B>go/,','</B> d'anthracite par rapport au poids total de l'anthracite et de ladite matière organique. On peut employer par exemple une partie de charbon et deux parties d'une résine glycéro phtalique modifiée à l'huile de lin, dissoute dans deux parties d'éther de pétrole ou d'un autre solvant approprié. Un autre mélange comprend quatre parties de charbon et une partie de gomme arabique.
Un grand nom bre de résines et de substances organiques aptes à former un film peuvent être utilisées comme moyen dispersif. L'anthracite et un solvant pour la résine, ou un vernis de résine préparé sont moulus, de préférence dans un broyeur à, boulets, un broyeur à tubes ou analogue, pendant un laps de temps de deux à, vingt-quatre heures, de façon que la plus grande partie du charbon ait acquis une finesse colloïdale. On peut aussi moudre le charbon en présence du sol vant de la résine seulement,
puis ajouter celle-ci et poursuivre le broyage pendant au moins une demi-heure, de façon à obtenir une masse homogène propre à assurer l'unifor mité de la résistance électrique.
Des blocs semi-conducteurs peuvent être obtenus par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, en procédant comme suit: Une solution d'une résine thermostatique, par exemple une résine de formaldéhyde- phénol dans la phase "A", dissoute dans un solvant approprié, est mélangée avec de l'an thracite pulvérisé. De bons résultats sont obtenus avec un mélange de 0,5 à 2 parties d'anthracite pour 1 partie de résine solide. On emploie généralement des proportions égales de résine et d'anthracite.
La résine et l'anthracite sont moulus au broyeur à boulets pendant une durée de 2 à 24 heures, afin de produire un mélange extrêmement uniforme et d'une distribution intime. Une méthode pratique pour déterminer si le broyage a été effectué pendant une durée suffisante est de prélever un échantillon du mélange dans le broyeur et de le diluer avec un solvant approprié, tel que par exemple l'acétone, jusqu'à une concentration de 0,035 % de pigment d'anthracite dans la dis persion.
La dispersion est mise dans. le tube d'essai d'un colorimètre photoélectrique, et une transmission de lumière de 5 % indique alors que la grandeur moyenne des particules est de 1 micron. On obtient ainsi la preuve due le broyage a été effectué 'à un degré suf fisant. Des valeurs de 1/4 à<B>10%</B> de transmis sion de lumière indiquent un degré de pulvé risation suffisant du charbon. Le charbon aura alors une finesse sensiblement colloïdale.
Le mélange contenant l'anthracite conve nablement broyé est ensuite dilué pour l'im prégnation en 6 secondes à la viscosité No 1 de Demmler, à 20 centigrades, en utilisant un mélange à parties égales d'alcool et d'acétone.
On effectue avec ce produit l'imprégna tion de draps ou autres matières fibreuses en feuilles de préférence jusqu'à augmentation du poids du tissu de 60 à<B>100%.</B> Le tissu ainsi traité peut alors être coupé en pièces et un certain nombre de ces pièces superposées dans une presse chauffée et soumises à une pression de l'ordre de 70 à 352 kg par cmû à une température de 160 centigrades, pen dant 15 à 40 minutes et refroidies. Il va de soi que d'autres températures et pressions peuvent être employées pour mouler le tissu. Le moulage résultant est représenté dans une coupe transversale largement agrandie à la fig. 3 du dessin.
Ainsi, les différentes feuil- les de tissu 52 revêtues de résine phénolique et l'anthracite finement divisé sont liées de façon @à former un objet solide et durable qui aura une résistance électrique de l'ordre de O,O02M4 à 25,4 mégchms par,cm3: L'exem ple suivant montre quelques résultats obtenus. Du drap d'amiante fut imprégné avec une solution préparée en broyant au broyeur à boulets 29,7 parties d'anthracite pulvérisé, en présence de 37,4 parties de résine de for- maldéhyde-crésol et 32,9 parties d'acétone.
Après avoir passé par les tours de séchage, le drap d'amiante avait augmenté de<B>70%</B> de son poids original. Le matériel moulé fut préparé en plusieurs épaisseurs comme suit:
EMI0005.0024
<I>Table <SEP> III:</I>
<tb> Dpaisseur <SEP> 1,6 <SEP> mm <SEP> 3,2 <SEP> mm <SEP> 9,7 <SEP> mm
<tb> Résistance <SEP> en
<tb> mégolims/cm2 <SEP> <B>0,387</B> <SEP> 0,77 <SEP> 1,42
<tb> No <SEP> de <SEP> feuilletage <SEP> 2 <SEP> 4 <SEP> 12 Des blocs tels que 26 de la fig. 1 peuvent être préparés comme l'organe 50 et usinés à la forme représentée à la fig. 4. Le bloc 54 fut usiné en vue d'obtenir une rainure 58.
Les blocs ont une épaisseur appropriée pour ,être forcés entre les bobines 18 et 20, comme représenté à la fig. 1. D'autres formes peu vent être reproduites par usinage suivant les exigences individuelles des installations. Des blocs de section transversale rectangulaire pour l'application en 22 peuvent être obtenus par découpage dans une grande feuille au moyen d'une scie ou d'une fraise.
On peut aussi réaliser des organes moulés semi-conducteurs par le procédé suivant: Des fibres de coton, de la sciure, de la pulpe de papier ou du bois en poudre ou une autre ma tière de remplissage fibreuse sont mélangés dans un mélangeur Banbury avec 0,5 à 1,5 parties d'anthracite pulvérisé. Après avoir soigneusement mélangé ces substances, de la résine de formaldëhyde-phénol en solution ou une autre résine thermoplastique, est in troduite lentement dans le mélangeur, et le broyage poursuivi jusqu% ce qu'un mélange intime de l'anthracite, de la résine et de la matière de remplissage soit effectué.
La pâte obtenue est séchée dans des cuvettes peu pro fondes après avoir été extraite du mélangeur. Le produit sec est mis dans un broyeur à boulets et soumis au broyage pendant une durée d'une demi-heure, suffisante pour une fine pulvérisation du mélange sans provo quer un commencement d'une fusion qui pourrait produire des transformations des substances en présence. La poudre obtenue par le broyage est placée dans des moules chauds, au besoin additionnée d'une substance plastifiante, telle que par exemple le phtalate diamylique, et pressée à 70 à 352 kg/cm2, à une température de<B>130</B> à l80 centigrades. On obtient un matériel en feuilles dans le genre du carton.
La feuille moulée peut faci lement être usinée ou découpée à l'emporte- pièce en la chauffant au préalable à environ 80 à 120 centigrades. A l'état froid, les pièces moulées peuvent être coupées à la scie ou analogue ou tournées sur le tour.
A la fig. 5 du dessin on a représenté une coupe transversale largement agrandie d'une feuille moulée 70 obtenue à l'aide de ce pro cédé. Les fibres de coton 72 dans la feuille moulée sont intimement distribuées et liées par la résine phénolique contenant la distri bution d'anthracite. Une pièce découpée typique, prise dans la feuille 70, est la pièce d'espacement 74 représentée à la fig. 6. Cette pièce d'espacement 74 contient de petites per forations 76 ayant approximativement une largeur de 3 mm sur une longueur de 13 mm et des saillies arrondies 78 aux angles de la pièce.
Il est évident que la résistance et la solidité des pièces moulées représentées aux fig. 5 et 6 varient avec le genre de la ma tière de remplissage, le pourcentage d'anthra cite et le pourcentage de résine. Des moulages préparés avec 30 à<B>50%</B> d'anthracite, 30 à 50 % de résine et 10 à 50 % de matière de remplissage seront satisfaisants pour les buts de l'invention, toutefois, ces proportions peu vent encore être modifiées pour préparer des pièces pour des buts spéciaux.
On peut facile ment obtenir des résistances variant entre 0,254 mégohms par cmâ et 25,4 mégohms par <B>cm</B> 3, en variant les proportions d'un mélange de moulage dans les limites indiquées.
On peut utiliser au lieu d'anthracite seul un mélange d'anthracite et de charbon de bois ou d'une autre matière carbonée. Un moulage contenant comme matière conduc trice<B>50%</B> de charbon de bois et 50 % d'an thracite n'aura pas la résistance constante d'un moulage ne contenant que de l'anthra. cite, mais pour certains buts, il sera encore suffisant.
Les avantages des organes semi-conduc;- teurs suivant les fig. 4 et 6 résident dans le fait que leurs propriétés semi-conductrices sont permanentes et ne dépendent pas de l'état plus ou moins bon d'un revêtement peint. Le rétrécissement d'organes solides de ce genre est infime et les têtes d'enroulement ne peuvent se déplacer au cours de l'emploi de la machine. Les organes semi-conducteur,", peuvent facilement être mis en place en les, chassant avec la force nécessaire à assurer un ajustage exact. En outre, il n'est pas néces saire de traiter les différentes connexions avec une peinture semi-conductrice après le montage de l'appareil lorsqu'on emploie ces, organes semi-conducteurs préparés au préala ble.
Il est à remarquer que pour des raisons pratiques il est avantageux que les revête ments et organes semi-conducteurs appliqués aux têtes d'enroulement aient une résistance , électrique uniforme avec une variation infé rieure à 20 à 40,%' sur toutes les surfaces. Un grand nombre d'organes semi-conducteurs feuilletés et d'organes électriques moulés ont subi un vieillissement pendant un temps pro- s longé sans montrer de changements impor tants de leur résistance. Même après un vieil lissement de quelques mois à une température de 100 centigrades, le changement de résis tance reste toujours dans les limites des erreurs d'essai. Les organes moulés sont donc, très stables.
Après l'assemblage des enroulements 18, pièces d'espacement 22, 26 et ligatures 24, 28, 30 représentés à la fig. 1, tout l'appareil peut être revêtu d'un émail anticorrosif ou d'un vernis protecteur. Le contact électrique entre la peinture semi-conductrice sur les en roulements, les blocs d'espacement semi- conducteurs et les ligatures semi-conductrices ne sera pas affecté par ce revêtement.
Dans certains cas, les rainures 16 peuvent être, de plus, recouvertes d'une suspension de graphite à faible résistance pour empê cher la formation d'effluves dans les feuilles de fer ou sur celles-ci. Ce revêtement à faible résistance contribuera à égaliser le potentiel le long des enroulements 20.