TITRE DE L’INVENTION : PROCÉDÉ D’IMPRÉGNATION D’UNE

STRUCTURE BOBINÉE DE FILS ÉMAILLÉS

Domaine technique de l’invention

L’invention concerne un procédé d’imprégnation d’une structure bobinée de fils émaillés, telle qu’une machine tournante, un transformateur électrique, une bobine électrique, etc.

Arrière-plan technologique

L’imprégnation d’une structure bobinée de fils émaillés est une opération qui consiste à enrober les fils émaillés de la structure bobinée d’une résine ou d’un vernis dans le but de créer une barrière isolante autour des fils émaillés de la structure bobinée. L’imprégnation permet ainsi de conférer à la structure bobinée une meilleure conductivité thermique, une isolation électrique et une bonne tenue mécanique.

Les structures bobinées sont aujourd’hui soumises à deux types d’isolation à savoir d’une part l’isolation des fils de la structure bobinée obtenue par un émail de quelques dizaines de microns d’épaisseur qui recouvre les fils pour former des fils émaillés, et d’autre part l’imprégnation de la structure bobinée de fils émaillés obtenue par l’ajout d’une résine isolante entre les fils émaillés.

La présente invention concerne le deuxième type d’isolation, à savoir l’imprégnation de la structure bobinée de fils émaillés par une résine isolante, c’est- à-dire l’imprégnation des enroulements de fils préalablement isolés par un revêtement d’émail.

Dans tout le texte, on désigne par structure bobinée, un équipement électrique comprenant au moins une bobine de fils électriques émaillés destinée à être alimentée par un courant électrique. Une telle structure bobinée de fils émaillés peut ainsi former une machine tournante électrique, telle qu’un moteur électrique - en particulier un moteur électrique basse tension (300V- lkV) connu sous la dénomination de moteur de type 1 selon la norme IEC 60034-18-41, une génératrice, un transformateur, une bobine de fils émaillés en tant que telle, etc. Dans tout le texte, on désigne par « fil émaillé », un fil qui présente une isolation propre. Un tel fil émaillé est par exemple un fil de cuivre revêtu d’une couche d’émail. Cela étant, rien n’empêche d’utiliser un autre matériau que le cuivre et un autre isolant que l’émail pour réaliser un « fil émaillé » au sens de l’invention qui permet de former une structure bobinée destinée à être traitée par un procédé selon l’invention.

Ces structures bobinées sont aujourd’hui utilisées dans la plupart des domaines techniques, et particulièrement pour des applications aéronautiques, ferroviaires, automobiles ou industrielles. Ces structures bobinées sont soumises à des tensions toujours plus importantes de sorte que les moyens d’isolation électriques de ces structures ne permettent plus de répondre de manière satisfaisante aux conditions de fiabilité requises.

En particulier, il est aujourd’hui connu que l’un des problèmes de fiabilité rencontrés par les structures bobinées soumises à des tensions fortes réside dans l’apparition de décharges partielles, qui sont des décharges électriques localisées qui court-circuitent partiellement le système d’isolation électrique qui sépare deux conducteurs. La répétition de ces décharges partielles provoque à terme une détérioration accélérée de l’équipement qui embarque la structure bobinée.

Ce phénomène est d’autant plus problématique lorsque des onduleurs pilotés par modulation à largeur d’impulsion (plus connu sous l’acronyme français MLI ou l’acronyme anglais PWM pour Puise Width Modulation ) sont utilisées au sein du système intégrant la structure bobinée. En effet, la présence de tension de type MLI entraîne de nouvelles contraintes électriques favorisant l’apparition de décharges partielles.

Il existe aujourd’hui différentes méthodes d’imprégnation de structures bobinées de fils émaillés dont les plus connues sont l’imprégnation par capillarité, l’imprégnation par trempage et l’imprégnation sous vide.

L’imprégnation par capillarité consiste à déposer de la résine sur les bobinages, l’imprégnation complète se faisant ensuite par capillarité.

L’imprégnation par trempage consiste à plonger la structure bobinée dans une cuve alimentée par la résine et à l’extraire de la cuve après un temps prédéterminé.

L’imprégnation sous vide sous pression, plus connue sous l’acronyme anglais VPI pour Vacuum Pressure Imprégnation , consiste à placer la structure bobinée dans une cuve sous faible pression de manière à aspirer l’air présent entre les fils de la structure bobinée et à introduire ensuite le vernis dans la cuve pour qu’il vienne se loger entre les fils de la structure bobinée.

Les méthodes d’imprégnation par capillarité et par trempage ne permettent pas à l’heure actuelle de contrer de manière satisfaisante l’apparition des décharges partielles lorsque les structures bobinées sont soumises à des tensions élevées. En particulier, les inventeurs ont réalisé que ces méthodes présentent l’inconvénient de piéger des vacuoles d’air dans le bobinage, ce qui peut favoriser l’apparition des décharges partielles.

La méthode d’imprégnation sous vide sous pression permet de contrer de façon satisfaisante l’apparition des décharges partielles, mais cette méthode est difficile et coûteuse à mettre en œuvre de sorte qu’elle n’est pas adaptée à la plupart des applications, et notamment aux applications aéronautiques, ferroviaires, automobiles ou industrielles.

Les inventeurs ont donc cherché à développer une nouvelle méthode d’imprégnation des structures bobinées qui permet notamment d’augmenter le seuil d’apparition des décharges partielles.

Objectifs de l’invention

L’invention vise à fournir un procédé d’imprégnation d’une structure bobinée qui pallie au moins certains des inconvénients des procédés d’imprégnation connus.

L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un procédé d’imprégnation d’une structure bobinée qui améliore la qualité de l’imprégnation par rapport aux procédés connus.

L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un procédé d’imprégnation adapté aux moteurs électriques, et notamment aux moteurs électriques de type 1.

L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un procédé d’imprégnation qui présente un faible coût de mise en œuvre de manière à pouvoir être utilisé dans la plupart des industries, et notamment pour des applications aéronautiques, ferroviaires, et automobiles.

L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un procédé d’imprégnation qui peut être mis en œuvre sans difficultés particulières avec des moyens existants.

Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention concerne un procédé d’imprégnation d’une structure bobinée de fils émaillés caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistant à :

- déposer une couche de résine polymérisable sur ladite structure bobinée de fils émaillés,

- appliquer une tension aux bornes de la structure bobinée pendant une durée prédéterminée, dite durée de mise sous tension,

- polymériser ladite résine déposée sur lesdits fils émaillés de ladite structure bobinée.

Le procédé selon l’invention permet donc d’isoler une structure bobinée, telle qu’un moteur électrique, un transformateur, une bobine, et de manière générale tout équipement comprenant au moins une bobine de fils émaillés, en associant une étape de dépôt d’une couche de résine sur la structure bobinée et une étape d’application d’une tension électrique aux bornes de la structure bobinée.

En effet, les inventeurs ont réalisé qu’ils pouvaient utiliser les phénomènes électrofluidodynamiques de la résine polymérisante (plus connus sous l’acronyme anglais EHD pour « electrohydrodynamic ») pour améliorer l’imprégnation d’une structure bobinée. Ces phénomènes électrofluidodynamiques de la résine se traduisent par la mise en mouvement de la résine sous l’action d’un champ électrique.

Ainsi, l’application d’une tension aux bornes de la structure bobinée revêtue d’une couche de résine polymérisable entraîne le déplacement de la résine vers les zones non résinées présentes dans la structure bobinée. En d’autres termes, la résine est mise en mouvement sous l’effet de la tension électrique appliquée aux bornes de la structure bobinée pour combler les zones d’air présentes entre les fils de la structure bobinée. La tension appliquée aux bornes de la structure bobinée permet d’amener les fils de la structure bobinée à des potentiels différents afin d’induire un champ électrique permettant la mise en mouvement de la résine polymérisable. Par conséquent, l’application d’une tension aux bornes de la structure bobinée n’implique pas la circulation d’un courant, dans le sens où les phénomènes sont seulement induits par la présence d’un champ électrique.

Il n’est donc plus nécessaire de placer la structure bobinée sous vide pour évacuer l’air, ce qui simplifie notablement l’équipement et le protocole nécessaires pour assurer l’imprégnation de la structure bobinée.

L’invention est particulièrement avantageuse dans la mesure où elle est dépendante du stress électrique de sorte que c’est dans les zones qui présentent les plus gros risques d’apparition de décharges partielles que le procédé selon l’invention est le plus efficace.

En d’autres termes, les inventeurs ont mis au point un procédé « auto cicatrisant » qui traite spontanément, sous l’action d’un champ électrique, les zones les plus susceptibles d’être le siège de décharges partielles.

Un procédé selon l’invention est simple à mettre en œuvre et peut aisément enrichir une chaîne d’assemblage d’un équipement électrique qui prévoit déjà, par exemple, une étape d’imprégnation par trempage de l’équipement électrique. En particulier, il est possible d’adapter un procédé d’imprégnation par trempage en y ajoutant une étape de liaison de la structure bobinée à une source de tension et une étape d’application d’une tension aux bornes de la structure bobinée, une fois la structure dans son bain de trempage, pour améliorer sensiblement les performances d’isolation de la structure bobinée. La mise à niveau d’une chaîne d’assemblage d’un équipement électrique comprenant déjà une étape de trempage peut donc être obtenue simplement par un procédé selon l’invention.

Avantageusement et selon l’invention, ladite étape de dépôt d’une couche de résine polymérisable sur ladite structure bobinée comprend une étape d’immersion de ladite structure bobinée dans un bain de résine et une étape de retrait de ladite structure bobinée dudit bain de résine après un laps de temps prédéterminé.

Un procédé selon cette variante permet de déposer la résine sur la structure bobinée par un trempage de la structure dans un bain de résine. Cela facilite le dépôt de la couche de résine polymérisable sur les fils émaillés de la structure bobinée. Bien entendu, rien n’empêche selon d’autres variantes de déposer la résine sur la structure bobinée par d’autres moyens, comme par exemple un dépôt goûte à goûte de la résine sur la structure bobinée, ou un dépôt par capillarité ou tout moyen équivalent.

Avantageusement et selon l’invention, ladite durée de mise sous tension de ladite structure bobinée est supérieure ou égale au temps de gel de ladite résine polymérisable.

Selon cette variante avantageuse, la durée de mise sous tension de la structure bobinée est supérieure ou égale au temps de gel de la résine polymérisable utilisée, qui définit un brusque changement des propriétés viscoélastiques de la résine et correspond à la formation d’un réseau macromoléculaire au sein de la résine.

Avantageusement et selon l’invention, ladite étape d’application d’une tension aux bornes de la structure bobinée comprend une étape de liaison électrique de ladite structure bobinée à une source de tension et une étape d’actionnement de la source de tension pour délivrer une tension configurable aux bornes de ladite structure bobinée, ladite étape de liaison électrique étant préalable à ladite étape de dépôt d’une couche de résine polymérisable.

Selon cette variante avantageuse, la structure bobinée est reliée à une source de tension avant de déposer la couche de résine, obtenu par exemple par immersion de la structure bobinée dans une cuve de résine. En fonction du type de structure bobinée, la tension est appliquée directement aux connecteurs déjà présents le cas échéant, ou directement sur les fils de la structure bobinée. La source de tension peut être de tout type. Il peut par exemple s’agir d’un générateur basse fréquence qui commande un amplificateur haute tension permettant d’appliquer des signaux de tension continue ou alternative à différentes fréquences.

Dans le cas où le dépôt de la couche de résine est obtenu par une immersion dans une cuve de résine, ladite étape d’actionnement de la source de tension est, avantageusement et selon cette variante, préalable à ladite étape de retrait de la structure bobinée dudit bain de résine.

Selon cette variante avantageuse, la tension est appliquée aux bornes de la structure bobinée tout en maintenant la structure bobinée dans la cuve de résine polymérisable. Cette chronologie des étapes du procédé permet d’obtenir de meilleurs résultats que si la tension est appliquée aux bornes de la structure après son extraction de la cuve de résine.

Cela étant, selon d’autres variantes, il est possible de plonger la structure bobinée dans le bain de résine (ou cuve de résine), d’extraire la structure de la cuve et d’appliquer ensuite uniquement la tension aux bornes de la structure bobinée, sous réserve bien sûr que la résine soit encore dans un état rhéologique permettant le déplacement de la résine sous l’effet du champ électrique. Cet état est maintenu tant que le temps de gel de la résine n’a pas été atteint.

Avantageusement et selon l’invention, ladite tension délivrée par ladite source de tension présente un niveau de tension qui augmente pendant ladite durée de mise sous tension.

Selon cette variante avantageuse, le niveau de tension appliquée aux bornes de la structure bobinée augmente au cours du temps, ce qui permet d’augmenter progressivement le stress électrique et donc de traiter les différentes zones susceptibles de présenter des décharges partielles par niveaux de risque croissant d’apparition.

Avantageusement et selon l’invention, ladite tension délivrée par ladite source de tension présente une forme d’onde choisie parmi une forme d’onde alternative, une forme d’onde sinusoïdale, une forme d’onde MLI ou une forme d’onde continue.

Bien entendu, rien n’empêche d’utiliser d’autres formes d’ondes au cours de l’étape d’application de la tension aux bornes de la structure bobinée.

Avantageusement et selon l’invention, ladite étape de polymérisation comprend une étape de mise au four de ladite structure bobinée.

Un procédé selon cette variante permet d’accélérer l’étape de polymérisation. Cela étant, il est également possible de faire polymériser la résine de la structure bobinée à l’air ambiant ou par d’autres moyens équivalents.

En particulier, la résine peut être une résine mono composant ou bi- composants, polymérisable par UV ou par réaction chimique suite à un mélange avec un autre composant, ou par apport de chaleur.

Avantageusement et selon l’invention, ladite résine polymérisable est une résine choisie dans le groupe comprenant une résine époxy, une résine silicone, une résine polyester, une résine polyuréthane, une résine polyétherimide, et une résine alkyde.

La résine époxy, par exemple, présente l’avantage d’être déjà utilisée industriellement pour des procédés d’imprégnation. En outre, elle n’émet pas d’émanation de solvants et présente l’avantage d’être facile à utiliser. Bien entendu, rien n’empêche d’utiliser d’autres types de résine polymérisable pour assurer l’isolation de la structure bobinée.

Avantageusement et selon l’invention, le procédé comprend en outre une étape préalable de mesure du seuil d’apparition de décharges partielles au sein de ladite structure bobinée non imprégnée et ladite tension appliquée aux bornes de la structure bobinée est déterminée en fonction dudit seuil ainsi mesuré.

Cette variante avantageuse permet de mesurer le seuil d’apparition des décharges partielles et d’adapter le niveau de tension à cette mesure.

Le seuil d’apparition des décharges partielles peut par exemple être mesuré par un coupleur capacitif défini par la norme IEC 60270 associé à un oscilloscope.

Avantageusement et selon l’invention, ladite tension appliquée aux bornes de ladite structure bobinée est simultanément appliquée aux bornes d’un dispositif de mesure du seuil d’apparition des décharges partielles au sein de ladite structure bobinée.

Cette variante permet de générer un champ électrique qui entraîne le déplacement de la résine vers les zones non résinées et de mesurer simultanément le seuil d’apparition des décharges partielles au sein de ladite structure bobinée.

L’invention concerne également une structure bobinée de fils émaillés comprenant au moins une bobine de fils émaillés, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une imprégnation de cette bobine obtenue par un procédé d’imprégnation selon l’invention.

Les avantages d’un procédé d’imprégnation selon l’invention s’appliquent donc mutatis mutandis à une structure bobinée selon l’invention.

L’invention concerne également un procédé d’imprégnation d’une structure bobinée et une structure bobinée, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.

Liste des figures

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :

[Fig. 1] est une vue schématique d’un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.

[Fig. 2] est une vue schématique des fils d’une bobine non imprégnée.

[Fig. 3] est une vue schématique des fils d’une bobine imprégnée par un procédé selon l’invention.

[Fig. 4] est une vue schématique des fils d’une bobine imprégnée par un procédé selon l’invention.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.

En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.

La figure 1 illustre de manière schématique un procédé selon un mode de réalisation de l’invention.

Dans une première étape El, une structure bobinée 10 est immergée dans un bain de résine 15 polymérisable. Cette étape d’immersion qui forme au moins en partie l’étape de dépôt d’une couche de résine polymérisable sur les fils émaillés de la structure peut être remplacée, selon d’autres modes de réalisation de l’invention, par une étape de dépôt goûte à goûte de la résine ou par une étape de dépôt de la résine par capillarité ou par tout moyen équivalent. Cette structure bobinée 10 peut être de tout type. Dans le mode de réalisation décrit et représenté sur les figures, la structure 10 est une bobine formée à partir de deux fils de cuivre d’une longueur de cinq mètres chacun. Les fils sont des fils émaillés de 0,71 mm de diamètres de grade 3. Bien entendu, toute autre structure bobinée de fils émaillés peut être imprégnée par le procédé selon l’invention.

La résine 15 utilisée est par exemple une résine commercialisée sous la marque SICOMIN® sous la référence SR 5550 associée à un durcisseur commercialisé sous la référence SD5505. La viscosité de cette résine est comprise entre 1750 et 830 mPa.s à 25°C.

Bien entendu, tout autre type de résine peut être utilisé pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.

Le bain de résine 15 peut par exemple être formé par une cuve 11 présentant une forme et des dimensions conjuguées à la structure bobinée à imprégner.

Cette cuve 11 peut être faite en tout type de matériau, par exemple en un matériau du type polytétrafluoroéthylène (PTFE).

De préférence, la structure bobinée 10 est reliée, avant l’immersion de la structure bobinée dans la cuve 11 de résine, à une source 12 de tension.

Pour ce faire, si la structure bobinée 10 comprend déjà des fiches 13 de connexion électrique, la liaison à la source 12 de tension est faite par l’intermédiaire de ces fiches 13 de connexion. Si la structure bobinée ne dispose pas de fiches de connexion, la liaison à la source de connexion est faite directement sur la structure bobinée. Pour ce faire, il peut être nécessaire de dénuder l’extrémité des fils pour pouvoir assurer cette liaison électrique.

La source 12 de tension peut être de tout type. Par exemple, cette source de tension est une source de tension alternative formée d’un générateur de basses fréquences (GBF) aussi désigné par les termes de générateur de fonction AC qui permet de délivrer un signal présentant une fréquence prédéterminée sous une forme prédéterminée (sinusoïde, créneau, triangle, etc.), et d’un amplificateur haute tension permettant d’amplifier le signal fourni par le générateur de basses fréquences.

La source 12 de tension est par exemple paramétrée pour délivrer une tension sinusoïdale dont la fréquence et l’amplitude sont modifiées et un amplificateur présentant un facteur d’amplification de 1000 est utilisé pour appliquer la tension aux bornes de la structure bobinée.

Bien entendu, la source de tension peut être de tout type et dépend de la structure bobinée à imprégner par un procédé selon l’invention.

Dans une deuxième étape E2, une tension est appliquée aux bornes de la structure bobinée 10 pendant une durée prédéterminée, dite durée de mise sous tension, par la source 12 de tension.

Comme indiqué précédemment, cette tension peut être de tout type et dépend de la structure bobinée à imprégner.

Dans un mode de réalisation préférentiel, le seuil d’apparition des décharges partielles est mesuré préalablement à l’étape El d’immersion de la structure bobinée dans la cuve de résine. Dans ce cas, la tension peut être ajustée à 1,5 fois la tension mesurée d’apparition des décharges partielles. Bien entendu, d’autres niveaux de tension peuvent être utilisés sans que cela ne remette en cause l’effet de l’invention.

Dans une troisième étape E3, la structure bobinée 10 est retirée de la cuve 11. Cette étape de retrait peut être réalisée par tout type de moyen, par exemple par des moyens robotisés configurés pour saisir la structure bobinée et la déplacer à l’extérieur de la cuve 11. Selon un autre mode de réalisation, cette étape de retrait est manuelle et est réalisée par un opérateur.

Dans une quatrième étape E4, la structure bobinée 10 est polymérisée, par exemple en insérant la structure bobinée dans un four de polymérisation.

Cette étape de polymérisation peut être faite à température ambiante ou au sein d’un four 17 de polymérisation, par exemple à 70°C pendant une durée d’environ 30 minutes dans une enceinte régulée.

Les inventeurs ont réalisé de nombreux tests qui permettent de déterminer que la méthode d’imprégnation selon l’invention permet d’augmenter de plus de 50% le seuil d’apparition des décharges partielles.

Les figures 2, 3 et 4 permettent d’illustrer l’effet de l’invention en ne considérant que deux conducteurs électriques 20, 21 d’une structure bobinée. La figure 2 est une vue schématique de deux conducteurs électriques d’une structure bobinée 10 non imprégnée. Chaque conducteur 20, 21 comprend un noyau revêtu d’un isolant 20a, 20b du type émail.

La figure 3 est une vue schématique du résultat de l’imprégnation par une méthode traditionnelle d’imprégnation, du type imprégnation par trempage ou imprégnation par capillarité.

On constate que la résine 15 entoure les conducteurs 20, 21, en laissant une poche d’air 16 entre les deux conducteurs.

La figure 4 est une vue schématique du résultat de l’imprégnation par la méthode selon l’invention.

On constate que la résine 15 a entièrement comblé la poche d’air 16 de la méthode traditionnelle de sorte que le seuil d’apparition des décharges partielles est sensiblement plus élevé dans le cas de la figure 4 que dans le cas de la figure 3.

L’invention a été décrite en lien avec une structure bobinée simple, en l’occurrence une bobine de deux fils de cinq mètres chacun. Cela étant, l’invention s’applique à tous types d’équipements, et notamment à des moteurs électriques dédiés à l’aéronautique, à l’automobile, au ferroviaire ou tout autre activité industrielle. Les étapes du procédé sont identiques à celles décrites précédemment à la différence près que la cuve de réception de la structure bobinée est conformée à la pièce à imprégner et que la source de tension est adaptée aux niveaux de tension de la structure bobinée à imprégner.

L’invention permet simplement et à moindre coût d’augmenter le niveau d’apparition des décharges partielles de tout type d’équipement électrique. L’invention devrait donc à terme s’ajouter à la plupart des procédés d’imprégnation connus du fait de sa simplicité de mise en œuvre et de ses performances ou à former une alternative aux procédés d’imprégnation existants.