Brevet FR2160580A1 — publié le 19730629

La présente invention se rapporte d'une manière générale à l'isolation des systèmes électriques et plus particulièrement à un procédé pour appliquer un isolant sur une bobine électrique. L'isolation des bobines dans une machine dynamoélectrique a une influence critique sur les prix de production, la conception et les performances d'une machine. Les exigences d'uniformité de dimensions, de compacité et de précision imposent de plus en plus des processus manuels fatigants et longs. Outre les procédés de fabrication, on doit modifier la conception technique des machines lorsqu'on a à faire face à de nouvelles exigences de performances. Des rubans de mica, ainsi que d'autres rubans isolants, ont constitué des matériaux d'isolation très efficaces des bobines1 car ils possèdent de très bonnes propriétés diélectriques et sont suffisamment souples pour permettre un enrubannage s'adaptant à la forme de la bobine. Toutefois, l'utilisation de rubans de mica crée des difficultés particulières en ce qui concerne la liaison de plusieurs couches de ruban autour de la bobine pour former une structure dense, très compacte, qui soit exempte de vides et qui ait des dimensions uniformes. Une structure sans vides est nécessaire pour obtenir des caractéristiques déelectriques uniformes, mais est encore beaucoup plus importante pour augmenter les propriétés de transfert de chaleur de l'isolant afin de permettre la dissipation de la chaleur créée dans la bobine, et par conséquent, de maintenir un plus haut rendement de la machine. Un procédé bien connu et largement utilisé pour résoudre ce problème consiste en une imprégnation sous videz et pression de manière à éliminer d'abord les substances volatiles de l'isolant, puis à assurer l'impregnation du ruban isolant sous pression. Pour cela, on place la bobine entourée du ruban isolant sous vide pour éliminer les substances volatiles. On introduit ensuite le fluide d'imprégnation sous pression pour qu'il se répartisse dans les intervalles entre les couches de ruban isolant. On fait ensuite durcir le fluide pour former une isolation compacte. Dans des procédés antérieurs on utilisait de l'asphalte comme fluide d'imprégnation. La grande viscosité de l'asphalte permettait d'effectuer le durcissement par refroidissement, gans que le fluide s'échappe notablement des intervalles. Cependant cette forte viscosité avait tendance à retarder l'imprégnation complète. Des améliorations ultérieures ont conduit à l'utilisation de résines thermodurcissables moins visqueuses à la place de l'asphalte afin de réaliser plus rapidement une imprégnation complète, d'éviter les limitations de température et le ramollissement pendant l'utilisation, et afin de lier le ruban isolant autour des enroulements de la bobine pour obtenir une structure compacte. On réalise le durcissement de la résine par chauffage et, pendant ce traitement, la faible viscosité qui permet l'imprégnation complète, permet aussi au liquide de s'échapper de l'isolant en laissant par conséquent dans celuici des vides néfastes. Dans un autre procédé connu, on a utilisé comme isolant un ruban composite de mica et de verre, ou analogues. Le ruban de verre absorbe une partie de la résine liquide, mais la majeure partie de celle-ci se maintient entre les couches de ruban isolant et a tendance à s'écouler vers l'extérieur lors du durcissement. Il est particuNièrement important d'avoir une isolation à proximité immédiate des enroulements de la bobine, c'est-è-dire où il est difficile d'obtenir une liaison homogène. C'*st dans cette région que des vides apparaissent le plus souvent en produisant une diminution sérieuse du transfert de chaleur à partir de la surface de la bobine et en créant des caractéristiques diélectriques non uniformes. Un procédé pour obtenir une liaison satisfaisante consiste à mouler la bobine. On entoure la bobine d'un ruban isolant qu'on imprègne d'une résine durcissable à l'état non durci. On enferme l'ensemble dans un moule mécanique ou moule contractable sous pression et on effectue le durcissement pendant l'application de la pression. Toutefois, ce procédé est long et coûteux et n'est pas par conséquent utilisable pour de nombreuses applications. Pour des faibles tensions, on peut utiliser un isolant sans film diélectrique comme décrit dans le brevet américain 3.436.815. On entoure la bobine d'un ruban poreux qu'on imprègne sous vide d'une résine qu'on fait ensuite durcir pour envelopper la bobine. Le ruban perméable tend à retenir la résine jusqu' à son durcissement complet, et permet par conséquent d'obtenir une isolation exempte de bulles ou vides et bonne conductrice de la chaleur. Malheureusement, cette isolation ne présente pas des propriétés diélectriques suffisantes pour supporter de fortes tensions. L'invention a pour but de fournir une isolation améliorée des bobines de machines dynamoélectriques. L'invention a aussi pour but de fournir une isolation de bobine présentant des propriétés de transfert de chaleur et des caractéristiques diélectriques améliorées. L'invention a en outre pour but de fournir une isolation de bobine ayant des propriétés de résistance à l'humidité améliorées. L'invention a pour autre but d'assurer un remplissage des espaces vides entre les couches diélectriques de l'isolant d'une bobine avec un agent homogène et conducteur de la chaleur. L'invention a aussi pour but d'assurer le maintien de la résine liquide entre les couches de diélectriques pendant le durcissement de la résine. L'invention a pour but d'assurer la liaison de l'isolant Ûvec les surfaces des enroulements d'une bobine pour éviter la formation de vides entre l'isolant et ces surfaces. L'invention a encore pour but d'augmenter le rendement d'une machine dynamoélectrique au moyen d'un procédé perfectionné pour appliquer un isolant sur des bobines. L'invention a enfin pour but de fournir un procédé pour isoler des bobines électriques qui soit simple, économique et tres efficace. L'invention se rapporte à un procédé pour appliquer un isolant sur des bobines de machines dynamoélectriques afin d'obtenir une enveloppe diélectrique uniforme, sans vides et permettant d'évacuer facilement la chaleur créée dans la bobine. Ce procédé consiste à entourer les enroulements d'une bobine par des couches en hélice alternativement constituées par un ruban absorbant et par un ruban diélectrique, à chauffer les bandages ainsi obtenus pour éliminer les substances volatiles, à imprégner ces bandages sous vide et sous pression d'un liquide résineux pour en imprégner le ruban absorbant, et à faire durcir le liquide résineux par chauffage. Les couches imbriquées de ruban absorbant tendent à absorber et à retenir la résine liquide jusqu son durcissement, et par conséquent, éliminent la formation de bulles d'air entre les couches de ruban diélectrique tout en fournissant un milieu homogène pour le transfert de la chaleur. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent Fig. i une vue en perspective d'une réalisation préférée suivant l'invention montrant les couches successives de la structure isolante, Fig. 2 un diagramme indiquant les différentes étapes du procédé suivant l'invention; Fig. 3 une vue en coupe transversoele d'un ruban pour bandages dans une variante de réalisation suivant l'invention, Fig. 4 une vue en coupe de la bobine et du bandage avant imprégnation. Sur la Fig. 1 on a représenté une bobine isolée 10 comportant un milieu conducteur constitué par plusieurs enroulements il et des fils 12 et 13 disponibles pour être branchés convenablement, une fois la bobine installée dans la machine dynamoélectrique. La bobine peut être soit du type "de forme" (comme représenté sur la Fig. 1) ou bien du type "massé". On peut utiliser la présente invention pour des bobines de moteurs, de générateurs, de galvanomètres ou de tout autre machine. nécessitant l'isolation d'une bobine éIëctrique. On emploie ce procédé afin de réduire les cavités dues à une mauvaise adhérence de l'isolant sur la surface de la bobine. On enroule un ruban absorbant 14, de préférence en hélice et de manière continue, autour de la bobine de manière à enrubanner totalement la bobine excepté les fils 12 et 13. Il peut être souhaitable d'effectuer un bandage à deux couches en ce point pour réaliser une liaison suffisante avec la bobine lorsqu'on injecte la résine comme décrit ci-dessous. Le ruban absorbent peut être formé de l'une quelconque des nombreuses substances ayant une grande porosité mais il doit de préférence être formé d'une substance résistant a de hautes températures. Une substance fibreuse non tissée particulièrement appropriée pour le procédé de l'invention est la substance du commerce connue sous le nom de "Webrill" et fabriquée à partir de fibres "Nomex". On applique de manière contigüe au ruban absorbant une couche d'un film isolant, tel qu'un ruban diélectrique 16 enroulé en hélice pour envelopper complètement le ruban absorbant. On notera qu'on utilise le mot ruban dans son sens général et qu'il désigne dans la présente description une bande souple et fine pouvant avoir différentes largeurs. L'intérêt de l'enroulement en hélice est d'enfermer complètement la structure interne et de permettre l'injection d'un liquide résineux à travers les bandages. Le film isolant peut être formé de n'importe quelle substance diélectrique souple telle que du mica ou analogue Comme précédemment, cette substance doit de préférence être résistante aux hautes températures, et sa rigidité diélectrique dépendra de la machine particulière pour laquelle on l'utilise. Une substance particulièrement appropriée est le film isolant synthétique portant le nom commercial de "Eapton". On dispose une seconde couche 17 de ruban absorbant sur la couche diélectrique 16, puis de nouveau une seconde couche diélectrique 18. On peut utiliser un nombre quelconque de couches alternées selon la place disponible et la rigidité diélectrique souhaitée pour l'isolation. On peut appliquer une couche finale de ruban de verre 19 servant d'enveloppe extérieure et assurant une protection mécanique de l'isolant au cours des manutentions. Cette dernière couche n'est pas essentielle du point de vue de l'invention. Le bandage1 dont on a représenté le résultat sur la Fig. 1, peut être réalisé soit à l'aide d'une machine, soit à la main. La Fig. 2 représente les étapes successives du procédé A - on entoure la bobine de plusieurs couches de ruban absorbant et de ruban diélectrique,alternées et disposées en hélice. B - on chauffe l'ensemble pour éliminer l'humidité, C - on imprègne sous vide l'ensemble d'une résine, D - on fait durcir la résine par chauffage. On peut traiter séparément les bobines enrubannées ou les placer dans leur composant respectif, ce composant étant soumis aux conditions appropriées pour achever le traitement. Par exemple, dans le cas de bobines d'induit de moteur, on peut placer les bobines dans le stator et faire subir au stator et à ses bobines les phases restantes du procédé. Les étapes qui suivent l'enrubannage sont essentiellement celles d'un procédé bien connu décrit dans le brevet américain 2.656.290. On chauffe la bobine enrubannée pour éliminer toute humidité ou substances volatiles qui pourraient s'y trouver. On peut ensuite la refroidir, mais ce n'est pas obligatoire, avant de la placer dans un réservoir d'imprégnation sous vide, dans lequel on fait le vide pour éliminer les gaz des bandages. On imprégne ensuite la bobine d'une résine liquide, on comprime pour augmenter l'imprégnation et on fait durcir la résine par chauffage. On peut utiliser comme résine d'imprégnation dans le procédé de l'invention toute composition liquide qui, par chauffage à une température prédéterminée, polymérise pour former un corps résineux relativement dur. On choisit de préférence une résine telle qu'un vernis, ou analogue , et en particulier un vernis essentiellement sans solvants ou considéré comme réactif à 100%. Une caractéristique particulière du procédé suivant l'invention est que, pendant la phase d'imprégnation, le ruban absorbant très perméable absorbe par capillarité la résine liquide, ce qui provoque un gonflement du ruban afin de mieux remplir les vides existant entre les couches diélectriques et entre les enroulements conducteurs de la bobine et l'isolation qui les entoure. Le ruban absorbant a tendance à retenir la résine liquide après imprégnation et à empêcher son écoulement pendant la phase de durcissement qui suit. La composition résultante est une structure isolante. sans vides, solide, constituée de couches alternées d'un diélectrique et d'un matériau composite résine et fibres.Ce matériau composite homogène, en plus de sa propriété d'excellent conducteur de la chaleur, afin d'évacuer la chaleur créée dans la bobine, agit aussi comme un diélectrique afin d'augmenter le pouvoir isolant du film isolant intercalé. En outre, ce matériau composite établit une excellente liaison isolation-conducteur dans la zone entourant immédiatement la bobine, sans qu'til soit nécessaire d'utiliser le procédé de moulage de forme. Une variante du procédé décrit ci-dessus conduit à la même structure isolante que précédemment, mais permet un gain de temps et d'argent. Comme précédemment, on applique en alternance des couches de rubans absorbant et diélectrique sur la bobine. On utilise un ruban composite 21 représenté sur la Fig. 3. Ce ruban composite comporte alternativement des couches de substance absorbante 22 et d'un film diélectrique 23 réunies par un adhésif 24. La Fig. 3 représente un ruban composite comportant une couche de chaque constituant. Cependant, il est évident qu'on peut fabriquer un ruban composite comportant un nombre quelconque et raisonnable de couches alternées. On enroule ensuite en hélice ce ruban composite sur la bobine. Sur la Fig. 4 on a représenté une bobine entourée de deux couches de ruban composite. Les espaces dans lesquels des vides ont tendance à apparaitre lors du durcissement suivant l'imprégnation sont indiqués en 26, l'épaisseur de ces espaces ayant été exagérée dans un but d'illustration. Lors de l'imprégnation, les couches de ruban absorbant 22 sont traverses et se gonflent pour venir occuper les espaces 26 où elles retiennent la résine liquide pendant la phase de durcissement qui suit. La couche de ruban de verre 19 est relativement non absorbante, mais permet la pénétration de la résine liquide dans la structure isolante. Revendications 1.- Procédé pour appliquer sur des bobines électriques une isolation présentant d'excellentes propriétés de transfert de chaleur, procédé caractérisé en ce qu'on entoure une bobine de plusieurs couches d'un ruban absorbant et d'un ruban diélec trique,slternées et disposées en hélice, en ce qu'on chauffe l'ensemble obtenu pour en éliminer l'humidité, en ce qu'on imprégne sous vide et pression ledit ensemble d'un liquide résineux de manière à faire traverser les couches de ruban par le liquide pour qu'il pénètre dans le ruban absorbant et le fasse gonfler, et en ce qu'on fait durcir le liquide résineux jusqu'à l'état solide afin de former un milieu solide et homogène entre les couches de ruban diélectriquè pour améliorer les propriétés de transfert de chaleur de l'isolation. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ledit liquide résineux ne contient essentiellement pas de solvant, ce qui empêche par conséquent une évaporation pendant son durcissement, afin d'obtenir une isolation essentiellement sans vides, et en ce que ledit liquide résineux, une fois durci, augmente la rigidité diélectrique de l'isolaion. 3.- Procédé suivant la revendication 1,caractérisé en ce que ledit ruban absorbant est constitué d'une substance fibreuse non tissée et résistant aux hautes températures. 4.- Procédé suivant la revendication 1,caractérisé en ce que ledit ruban diélectrique est constitué par un film résistant aux hautes températures. 5.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on entoure les couches alternées de rubans absorbant et diélectrique d'une bande de verre disposée en hélice avant d'effectuer le chauffage desdites couches, afin de protéger mécaniquement l'isolation entourée par ledite bande de verre. 6.- Procédé pour appliquer sur une bobine électrique une isolation ayant d'excellentes propriétés de transfert de chaleur, caractérisé en ce qu'on fabrique un ruban isolant stratifié comprenant au moins deux couches en assemblant des couches alternées d'une substance absorbante et d'un diélectrique, en ce qu'on entoure la bobine du ruban isolant stratifié disposé en hélice, en ce qu in chauffe l'ensemble obtenu pour éliminer l'humidité, en ce qu'on imprégne l'ensemble sous vide et pression d'un liquide résineux de manière à faire traverser les couches de ruban par le liquide pour qu'il pénètre dans la substance absorbante et la fasse gonfler, et en ce qu'on effectue le durcissement du liquide résineux jusqu'à l'état solide afin de former un milieu solide et homogène entre des couches voisines de diélectrique pour améliorer les propriétés de transfert de chaleur de l'isolation. 7.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le liquide résineux ne contient essentiellement pass de solvant, ce qui, par conséquent, empêche une évaporation pendant son durcissement, afin d'obtenir une isolation essentiellement sans vides, et en ce que ledit liquide résineux une fois durci augmente la rigidité diélectrique de l'isolation. 8.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit ruban poreux est constitué d'une substance fibreuse non tissé et résistant aux hautes températures. 9.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le ruban diélectrique est constitué d'un film résistant aux hautes températures. 10.- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'on entoure les couches alternées de ruban d'une bande de verre disposée en hélice, avant le chauffage desdites couches afin de protéger mécaniquement l'isolation. 11.- Isolation de bobine ayant d'excellentes propriétés de transfert de chaleur caractérisée en ce qu'elle comprend des couches alternées de ruban absorbant et de ruban diélectrique entourant totalement la bobine et une résine solide imprégnant complètement le ruban absorbant afin de former un milieu solide homogène entre des couches voisines de ruban diélectrique pour permettre l'évacuation de la chaleur de la bobine. 12.- Isolation suivant la revendication 11, caractérisée en ce que ladite résine solide est formée à partir d'un vernis liquide essentiellement sans solvant. 13.- Isolation suivant la revendication 12, caractérisée en ce que ledit ruban absorbant est constitué d'une substance fibreuse non tissée et résistant aux hautes températures. 14.- Isolation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que ledit ruban diélectrique est constitué d'un film résistant aux hautes températures.