Brevet FR2114983A1 — publié le 19720707

La présente invention a pour objet une bobine magnétique conçue peur permettre la création de champs forts, en régime puisé eu permanent. On connaî4: des bobines, dites de Bitter, constituées 5 chacune par un empilement de tôles conductrices en cuivre alternant avec des feuilles isolantes. Celles-ci, de faible épaisseur (50 microns par exemple), sont découpées de telle façon qu'elles permettent un contact local entre les tôles de cuivre et par suite, la réalisation d'une bobine dont 10 les spires sont formées par ces tôles, par serrage des berds de l'empilement au moyen de mâchoires. L'ensemble est refroidi par de l'eau désionisë circulant à travers la bobine par des canaux percés perpendiculairement à l'empilement. 15 L'invention vise à la conception d'une bobine convenant notamment, dans un exemple très particulier, à la réalisation d'une installation fonctionnant par impulsions dans laquelle l'intensité de l'induction le long d'une circonférence de 2m de diamètre atteindra 6T et l'énergie 20 magnétique stockée atteindra 40 MJ, l'énergie thermique dissipée dans un ensemble de 24 bobines au cours d'une impulsion sera de 150 MJ et la cadence de fonctionnement sera de une impulsion toutes les quatre minutes; comme la durée de l'impulsion est très courte, 1"êchauffement sera donc adiabatique. Le 25 champ magnétique intense nécessaire devra être créé par un solënoïde torique de 24 bobines. Ces bobines peuvent aussi être utilisées pour créer un champ rectiligne d'une intensité qui peut atteindre 6 et même plus. De telles bobines semblent particulièrement adaptées 30 pour résister aux contraintes mécaniques élevées. Il a été cependant, constaté que ces bobines, telles qu'elles sont constituées, ne pouvaient convenir à la solution du problême posé pour de multiples raisons, notamment: - la surface d'échange thermique cuivre-eau est 35 insuffisante, car elle est réduite à la section des feuilles de cuivre. Ceci impose la réalisation d'un très grand nombre de canauK de refroidissement d'usinage délicat et d'un prix très élevé. B 3808-3 AT 7041383 2 2114983 - les lignes de fuite entre spires sont trop courtes, l'épaisseur de l'isolant étant de l'ordre de 50 à 1.00 microns et. la moindre impureté dans l'eau de refroidissement provoque des claquages. 5 La présente invention se propose de modifier la constitution des bobines de Bitter afin d'éliminer les inconvénients précédents et permettre en particulier l'utilisation de ces bobines pour l'installation précitée. Elle a pour objet une bobine du type Bitter cons-10 tituée par un empilement de tôles conductrices et de feuilles isolantes, avec serrage de l'empilement et circuit de refroidissement, lesdites tôles présentant des contacts locaux tels qu'elles forment une spirale conductrice, caractérisée en ce que lesdites tôles comportent des découpes locales 15 décalées d'une tôle à la suivante de façon que le fluide soit en contact avec les faces latérales desdites tôles et limitant le circuit de refroidissement. Le refroidissement est ainsi beaucoup plus efficace, car de l'eau par exemple, circulant dans le circuit 20 de refroidissement, peut lécher la surface des tôles au niveau des découpes décalées, et non plus seulement leur tranche. L'empilement peut alors avantageusement être serré au moyen de goujons traversant les tôles et les feuilles isolantes. 25 Selon une autre caractéristique de l'invention, les tôles conductrices sont séparées deux à deux par l'épaisseur de deux feuilles isolantes, ces feuilles étant disposées à chevauchement de manière à augmenter chaque ligne de fuite de la longueur de recouvrement. 30 Suivant une autre particularité de l'invention, concernant plus particulièrement le fonctionnement par impulsions, les bords de chaque tôle conductrice sont découpés en créneaux pour former des ailettes de refroidissement, les créneaux étant disposés en quinconce entre les différentes 35 tôles et un fluide de refroidissement circule dans le canal constitué par ces ailettes autour de l'empilement sur toute la hauteur de celui-ci. Suivant, une autre particularité de l'invention, concernant plus particulièrement le fonctionnement en régime B 3808-3 AT 7041383 3 2114983 permanent, les tcles comportent des ouvertures de passage du fluide de refroidissement dans la masse de l'empilement, de forme ronde ou cblongue, qui se chevauchent d'une tôle à la suivante, a^-ec dépassement des tôles par l'isolant dans 5 chaque ouverture. Suivant encore une autre particularité de l'invention, chaque bobine psuc être constituée soit pour le fonctionnement en régime puisé, soit pour le fonctionnement en régime permanent, soit pour les deux régimes. 10 On supposera dans ce qui suit que chaque bobine est de forme quadrangulaire avec une ouverture centrale de section circulaire, mais il est évident qu'une telle forme de la bobine avec son ouverture centrale n'a rien d'exclusif et que l'inventio>n s'applique à toute autre forme. 15 Une telle bobine selon l'invention va être décrite ci-après dans tous ses détails, description qui fera apparaître d'autre particularités propres à l'invention en se référant axi dessin ei-annexé montrant un exemple d'exécution non limitatif de cette bobine. 20 Sur ce dessin: - la figure 1 est une vue par en dessus de la bobine supposée peur fonctionnement en régime puisé, , - la figure 2 est une vue d'une tôle en cuivre de 1'empilement, 25 - la figure 3 est une vue en coupe suivant le plan III-III de la figure 1, - la figure 4 est une vue en coupe suivant le plan IV-IV de la figure 1, - '.a figure 5 est une vue agrandie en coupe d'une 30 portier de spires de la bobine suivant le plan V-V de la figure 1, - la figure 6 est une vue en coupe d'une portion de l'empilement au niveau des canaux de refroidissement dans une variante prévue pour un fonctionnement en régime permanent. 35 - la figure 1 illustre une variante de réalisation de la figure 6, - lus figures 8 et 9 raontrsnt schématiquement deux autres modes de réalisation de 15empilement, en variante de la figure 5. B 3808-3 AT r- — ^BAD ORIGINE— 7041383 4 2114983 Avant d'aborder la description proprement dite de la structure de la bobine, quelques remarques préliminaires doivent être faites sur la conception de telles bobines dans le cas d'une installation à champ magnétique intense fonc- 5 tionnant en régime puisé, telle que celle signalée au début du présent mémoire. Ces bobines doivent résister à d'importantes contraintes : - d'ordre mécanique dues à la pression magnétique; 10 il s'agit d'une part de contraintes statiques dues à l'intensité du champ, et d'autre part de contraintes de fatigue dues à la répétition continue des efforts, - et d'ordre thermique qui son caractérisées par des cycles d'échauffement rapides suivis de refroidissements 15 lents. Ces exigences ont conduit la demanderesse à choisir de préférence comme matériau conducteur du cuivre faiblement allié de zirconium et de phosphore ou de cuivre allié d'argent qui, outre une excellente conductivité électrique, présente 20 des propriétés mécaniques remarquables, notamment une haute 2 limite élastique au moins égale à 38 kg/mm , jusqu'à des températures élevées; quant aux feuilles isolantes, elles sont constituées de feuilles de matériau connu sous le nom de » Kapton. 25 II va de soi cependant que l'invention n'est nullement limitée par le choix de ces matériaux et que la bobine telle que décrite ci-après peut être réalisée avec d'autres matériaux sans sortir du cadre du brevet. Par ailleurs, dans le cas d'un fonctionnement 30 en régime puisé, la période de repos entre deux impulsions consécutives laisse à la chaleur le temps de se diffuser à travers le métal, en sorte qu'il est intéressant de se contenter d'éliminer la chaleur par refroidissement périphérique des bobines; mais étant donné que l'épaisseur de 35 chacune des tôles conductrices est de l'ordre de 0,7 mm, il ne peut être question de souder, comme dans des systèmes classiques, un tuyau fluide de refroidissement à la périphérie des tôles conductrices. 7041383 5 2114983 Les dispositions préconisées par le demandeur en vue de parvenir au même résultat sont originales, efficientes et non évidentes, ainsi que cela va ressortir au cours de la description ci-après de la bobine. 5 Comme représenté par les figures 1, 3, 4, 5, 1'empilement des tôles conductrices et des feuilles isolantes de la bobine est serré entre des armatures quadrangulaires; chaque armature est formée de deux secteurs, l'un 10 de 270 degrés et l'autre 11 de 90 degrés 10 Sur chacune des faces supérieure et inférieure de_la bobine, le secteur 11 recouvre une des électrodes 12 de la bobine avec patte de connexion 13. Des goujons 14 (ou des vis à tête fraisée ), coopérant avec écrous 16 et rondelles de blocage 17, assurent un serrage énergique entre les deux 15 armatures de l'empilement et avec les électrodes. Les têtes des goujons et des vis et les écrous sont logés, dans des évidements 18 ménagés dans les armatures, avec interposition d'une couche ou rondelle isolante 19 sous les têtes. La tige de chaque goujon ou vis est gainée sur toute sa 20 hauteur d'un tube isolant 20. La figure 2 représente une des tôles conductrices 21 ' de l'empilage. Chaque tôle est fendue en 22, alternativement dans l'empilement suivant l'axe AA^ ou l'axe . On aperçoit sur la figure les différents perçages pour le passage des 25 goujons ou des vis de serrage. Chaque côté de la tôle est crénelé de manière à présenter des saillies formant des ailettes 23 alternant avec des creux 24, et l'empilement est fait de manière que les saillies et les creux d'une- tôle soient respectivement en regard des creux et des saillies d'une tôle 30 adjacente, selon une disposition en quinconce; il y a lieu de noter qu'en fait toutes ces tôles sont identiques car, comme le montre la figure, chaque tôle est d'une symétrie partielle, par rapport à l'axe médian B^, telle qu'il suffit de la faire tourner de 180 degrés autour de cet axe pour obtenir 35 la tôle suivante de l'empilement. Quant aux feuilles isolantes, elles sont régulièrement carrées, mais leur dimensionnement est tel par rapport à celui des tôles conductrices qu'elles dépassent uniformément, de 1 mm environ, d'une part les 7041383 6 2114983 creux marginaux des tôles et d'autre part la bordure circulaire interne 25 de ces tôles, ce qui améliore la qualité de l'isolement par rapport aux bobines classiques de Bitter; sur les figures, ce dépassement a été exagéré pour bien apparaître. Ainsi qu'on l'a vu précédemment, il existe deux feuilles isolantes 26 pour séparer deux tôles conductrices adjacentes, et fendues pour permettre leur mise en place, comme il sera décrit plus loin. Il convient de rappeler ici que les fentes des tôles conductrices se superposent alternativement sur deux lignes seulement. Pour permettre néanmoins la réalisation d'une spirale conductrice, elles sont deux à deux en contact, sans feuilles isolantes intercalaires. Pour deux couples de tôles, séparés l'un de l'autre par des feuilles isolantes sur 270 degrés d'une fente à l'autre, le contact se fait sur 90 degrés entre les deux fentes par une tôle seulement de chaque couple, les feuilles isolantes passant dans les fentes pour se décaler d'une épaisseur de tôle à la première fente et d'une seconde épaisseur à la deuxième (voir figure 5). En vue de constituer des chemins périphériques' de circulation pour de l'eau assurant le refroidissement des bords crénelés des tôles conductrices, notamment pour le régime puisé, les quatre faces latérales de la bobine sont fermées chacune par une première plaque isolante 27 venant porter contre les saillies des bords crénelés des tôles conductrices, et rendue étanche sur les bords par un joint 28 à base d'élastomère se polymérisant à froid. Sur cette première plaque vient s'appliquer une seconde plaque isolante 29, fixée par des vis 30 sur les bords latéraux des armatures 10 et 11. Sur la figure 1, on voit en 31 les tubes d'alimentation en eau de refroidissement et en 32 les tubes d'évacuation de cette eau. Etant donné l'arrangement décrit plus haut des bords des tôles conductrices, l'eau de refroidissement arrivant par les tubes 31 va balayer toutes les faces latérales de la bobine, intérieurement aux plaques 27, 7041383 7 2114983 en suivant des chemins en gradins le long des ailettes 23 de refroidissement et en passant d'une spire à une autre par le jeu des creux 24, plus larges que les aillettes. Vu la grande surface de contact entre l'eau et les ailettes, 5 le refroidissement se produira de façon rapide et efficace avec des moyens peu onéreux. Le dédoublement des feuilles isolantes 26 intercalaires entre les tôles conductrices 21 permet d'allonger par le chevauchement de ces feuilles isolantes 10 la ligne de fuite entre les deux tôles en cuivre, comme le montre la figure 5. En effet, chaque feuille présente de manière connue une fente permettant de la mettre en place dans l'empilement en la faisant passer dans la fente d'une tôle conductrice et en la faisant glisser 15 sous cette tôle. Comme le montre la figure, les fentes des deux feuilles isolantes adjacentes sont décalées, de sorte que le trajet des lignes de fuite entre les deux tôles conductrices qu'elles séparent se trouvent allongées de la longueur du chevauchement. 20 Si l'on met à profit le fait que les tôles conductrices aussi bien que les feuilles isolantes sont dédoublées, il est possible de réaliser un montage particulièrement simple en faisant coïncider les fentes des feuilles isolantes avec celles des tôles conductrices 25 conformément à la variante de la figure 8, chaque feuille n'est alors décalée qu'une fois d'une épaisseur de tôle et elle se trouve accouplée avec une feuille adjacente sur 270 degrés et avec l'autre feuille adjacente sur 90 degrés. Selon encore une autre variante, illustrée par la 30 figure 9, la bobine est réalisée par simple empilement d'éléments formés chacun de deux tôles conductrices et de deux feuilles isolantes déformées pour passer les unes par dessus les autres sur 90 degrés comme l'indique la figure. Dans le cas où la bobine doit fonctionner en régime 35 permanent, il est préférable d'utiliser uns variante de l'invention où des canaux de refroidissement sont prévus dans toute la masse de l'empilement et d'une face S l'autre de la bobine. Une disposition augmentant la surface de refroidissement par tôle, comme pour le refroidissement périphérique, 40 est alors utilisée. L'essentiel de cette disposition est 7041383 8 2114983 représenté en coupe sur les figures 6 et 7 pour deux variantes de réalisation. Elle consiste à prévoir pour chaque canal de refroidissement, une succession d'ouvertures 33 circulaires, ou mieux de forme oblongue, se chevauchant les unes les autres 5 d'une tôle à la suivante dans le cas de la figure 6. Les feuilles isolantes comportent des ouvertures correspondantes, mais plus longues dans la variante 6a, pour permettre la communication entre les ouvertures décalées de deux tôles successives. Elles dépassent toutefois, de 1 mm par exemple, les 10 bords de ces ouvertures. Le trajet de refroidissement en gradins, schématisé par un trait discontinu, suit essentiellement les surfaces horizontales de chevauchement des tôles, en sorte que les dépassements d'isolants ne réduisent pas sensiblement la surface de contact de refroidissement; de même l'influence du 15 degré de serrage sur ce mode de refroidissement devient insignifiant. La circulation de l'eau s'effectuant ainsi en biais dans l'empilement, elle peut se faire à partir des bords latéraux de l'empilement, ce qui laisse les faces inférieure et supérieure disponibles pour la mise en plan des goujons 20 de serrage de l'empilement. Dans le cas de la figure 7, les ouvertures sont décalées entre deux tôles conductrices jointives et la circulation a lieu sensiblement parallèlement aux plaques. En résumé on voit que grâce à l'invention, 25 - on a considérablement augmenté la surface des échanges thermiques cuivre-eau, - on peut faire déborder les isolants entre spires, ce qui améliore la qualité de l'isolement, - on peut serrer l'empilement par des goujons ce 30 qui renforce les contacts électriques et améliore la résistance aux efforts électrodynamiques, On peut réaliser séparément des bobines convenant plus particulièrement, les unes au fonctionnement en impulsions, les autres au fonctionnement en régime permanent. 35 II n'est évidemment pas exclu de réaliser aussi des bobines réunissant les caractéristiques de ces deux variantes, pour être utilisées à volonté et avec les mêmes avantages pour l'un ou l'autre de ces régimes. Les deux circuits de refroidissement correspondant permettent d'ailleurs d'agir dans 7041383 9 2114983 l'un ou l'autre régime sur la vitesse d'élimination des calories. A titre indicatif, on donne ci-après quelques caractéristiques chiffrées sur la structure d'une bobine selon 1'invention: Nombre de spires : 71 Epaisseur d'une tôle cuivre : 0,7 mm Epaisseur de l'isolant : 0,075 x 2 = 0,15 mm Epaisseur d'une spire : 1,4 mm + 0,15 mm= 1,55 mm Diamètre de l'alésage intérieur : 600 mm 7041383 2114983 REVENDICATIONS 1°/ Bobine du type Bitter constituée par un empilement de tôles conductrices et de feuilles isolantes, lesdites tôles présentant des contacts locaux tels qu'elles forment une spirale conductrice, caractérisée en ce que lesdites tôles comportent des découpes locales décalées d'une tôle à la suivante de façon que le fluide sont en contact avec les faces latérales desdites tôles et limitant un circuit pour un fluide de refroidissement. 2°/ Bobine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que chaque tôle conductrice présente des bords découpés en créneaux pour former des ailettes de refroidissement au contact dudit fluide, les créneaux étant disposés en quinconce d'une tôle à l'autre. 3°/ Bobine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdites tôles comportent des ouvertures de passage du fluide de refroidissement dans la masse de l'empilement, ces ouvertures, notamment de forme oblongue, chevauchant d'une tôle à la suivante. 4°/ Bobine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le circuit de fluide de refroidissement est alimenté sur les bords de l'empilement et en ce que cet empilement est maintenu serré par des moyens mécaniques traversant les tôles conductrices et les feuilles isolantes. 5°/ Bobine selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisée en ce que les feuilles isolantes sont dimensionnëes de manière à dépasser sur tous leurs bords l'une au moins des tôles conductrices directement adjacentes. 6°/ Bobine du type Bitter, constituée par un empilement de tôles conductrices et de feuilles isolantes, lesdites tôles présentant des contact locaux tels qu'elles forment une spirale conductrice, caractérisée en ce que deux tôles conductrices successives sont séparées par deux feuilles isolantes adjacentes présentant des fentes décalées. 7°/ Bobine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les tôles conductrices 7041383 ii 2114983 présentent des fentes situées alternativement selon deux plans radiaux de l'empilement et en ce qu'elles sont en contact deux à deux, chacune alternativement avec la tôle précédente et avec la tôle suivante. 5 8°/ Bobine selon la revendication 7, caractéri sée en ce que les couples successifs de tôles conductrices sont séparés par deux feuilles isolantes adjacentes qui passent successivement par les fentes de deux tôles consécutives et présentent, au-delà desdites fentes des tôles conduc-10 trices, des fentes décalées l'une par rapport à l'autre.