Brevet FR2479543A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne un fil magnétique ayant des propriétés améliorées d'enroulement et d'insertion qui, en outre, peut se souder à températures élevées, comprenant l'intervalle de 1850C à 2000C, et qui comporte un revêtement supérieur autour et sur toute la longueur d'un revêtement de base prévu sur un conducteur, dans lequel le revêtement supérieur est un polyamide choisi dans le groupe comprenant le polyundécanamide, le polydodécanamide et leurs mélanges. On appelle fil magnétique un fil de cuivre ou d'aluminium isolé, utilisé dans les bobines de différents types de machines électromacnétiques, comme les bobinages de moteurs, de solénoldes et de transformateurs. Les types d'isolation les plus utilisés pour les fils magnétiques comprennent l'émail, les fibres naturelles et synthétiques, le verre et le papier. Selon le type d'isolant, le fil magnétique peut être classé à des indices de température de 1050C à 2200C. L'isolation prévue sur un fil magnétique comprend généralement un double système qui comprend un revêtement de base et un revêtement supérieur. Le matériau du revêtement de base est généralement choisi pour son aptitude à avoir certaines fonctions, comme une aptitude à la chaleur, une soudabilité et une résistance aux solvants. Les matériaux courants pour les revêtements de base sont les polyesters et les polyuréthanes, bien que l'on puisse également utiliser comme revêtements de base des revêtements époxy, polyacryliques, polyamides et amide- imide. L'expression "revêtement de base" telle qu'utilisée ici comprend également des combinaisons des matériaux précédents. Certains Nylons, le Nylon 6,6(poly-hexamethylène- adipamide) et le Nylon 6(polycaprolactame) ont en particulier été utilisés comme revêtement supérieur pour des fils macnétiques. En raison du faible coefficient de frottement qui est de 0,17 (valeur dynamique, pellicule sur pellicule) pour les pellicules de Nylon 6 et 6,6, un tel fil isolé présente une aptitude à l'enroulement accrue par rapport aux autres revêtements supérieurs classiques. L'utilisation d'un fil magnétique revêtu de Nylon 6 ou 6,6 peut cependant poser plusieurs problèmes à l'utilisateur final. Premièrement, les fabricants de moteurs et d'objets similaires effectuent souvent une liaison du fil enroulé sur place. Le procédé le plus courant pour lier des bobines de fil macnétique ayant un revêtement supérieur de Nylon 6 ou 6,6 consiste à plonger la bobine entière dans un bain de vernis et à cuire le vernis sur la bobine. De telles opérations de trempe et de cuisson sont non seulement longues et coûteuses mais provoquent également des émissions indésirables de solvant et des fumées qui ne doivent pas être libérées dans l'atmosphère. Le revêtement supérieur idéal serait du type autoliant, comme un fil magnétique revêtu de polyvinylbutyral. En chauffant du polyvinylbutyral au-dessus d'environ 1000C, le revêtement s'amollit, s'écoule et lie les enroulements sur place. Un fil magnétique ayant un revêtement supérieur de polyvinylbutyral voit son utilisation limitée dans les systèmes à basse température en raison de sa faible température de ramollissement. Les applications pour fil magnétique nécessitant un indice de classement thermique d'au moins 1300C empêchent l'utilisation du polyvinylbutyral autoliant. I1 ne serait pas pratique de lier par chauffage du Nylon 6 ou 6,6. Le chauffage du Nylon 6,6, par exemple à sa température de fusion d'environ 2500C, dépasserait la résistance thermique du revêtement de base et des autres composants du système, comme les garnitures d'encoches. En outre, le Nylon 6,6 se dégrade rapidement dans l'air à cette température. Un second inconvénient des revêtements supérieurs ou des pellicules de Nylon 6 ou 6,6 est le fait que ce matériau absorbe l'eau. L'absorption d'eau diminue les caractéristiques électriques des fils mais améliore la souplesse des pellicules. Cependant, le Nylon 6 et particulièrement le Nylon 6,6 deviennent cassants quand ils perdent de I'humidité, ce qui entraîne une diminution de l'aptitude à l'enroulement et des problèmes accrus de craquelures dans l'isolant. Troisièmement, bien qu'un revêtement supérieur de Nylon 6 ou 6,6 améliore typiquement les propriétés d'enroulement et d'insertion du fil magnétique par rapport à d'autres matériaux isolants de fil magnétique, on rencontre encore des problèmes d'enroulement et d'insertion. Le coefficient de frottement (dynamique, pellicule sur pellicule) du Nylon 6,G est dc 0,17. Un matériau de revêtement supérieur présentant un coefficient de frottement plus faible même seulement de 0,01, augmenterait de façon importante les propriétés d'enroulement et d'insertion du fil magnétique.La technique antérieure, comme le brevet des E.U.A. NO 3.632.440, reconnait cet avantage et indique que l'utilisation d'une résine de polysiloxane filmogène dans le revêtement supérieur améliorera l'isolation par le Nylon en ce que le coefficient de frottement de ce fil magnétique est de 0,14. Cependant, dans la plupart des systèmes électriques, la présence de silicone est intolérable. En conséquence, on désire trouver un fil magnétique amélioré qui soit autoliant à une température qui ne nuise pas au revêtement de base et aux autres composants du système, qui soit résistant à l'humidité et qui présente des aptitudes améliorées à l'enroulement et à l'insertion. De telles améliorations ne doivent-pas modifier de façon significative la souplesse, la résistance à l'abrasion ou la résistance aux chocs thermiques du fil magnétique. Selon la présente invention, il est fourni un fil magnétique comprenant un conducteur consistant en cuivre, aluminium ou alliage d'aluminium ; un revêtement de base thermodurcissable organique complet proche du conducteur, comprenant au moins une couche d'un matériau isolant autour et sur toute la longueur du conducteur ; et un revêtement supérieur autoliable adjacent au revêtement de base et autour et sur toute la longueur de ce revêtement de base, où le revêtement supérieur est un polyamide consistant en polyindécanamide, polydodécanamide ou leurs mélanges, et où le revêtement supérieur représente de 5 à 95 % de l'épaisseur totale du revêtement. On a trouvé que l'on pouvait fabriquer un fil magnétique autoliant en prévoyant un revêtement supérieur de Nylon ll (polyundécanamide), de Nylon 12 (polydodécanamide) ou de leurs mélanges. A l'heure actuelle, le Nylon il, un dérivé de l'huile de ricin, est utilisé en Europe comme garniture pour des réservoirs à essence, etc., en raison de sa résistance aux solvants. La nouvelle utilisation du Nylon Il et 12 comme revêtement supérieur pour un fil magnétique améliore les aptitudes à l'enroulement et à l'insertion par rapport à celles d'un fil magnétique ayant un revêtement supérieur de Nylon 6 ou 6,6. Le coefficient de frottement (dynamique, pellicule sur pellicule) du Nylon ll et 12, qui est de 0,14 à 0,16, est inférieur à celui du Nylon 6,6 Dans certaines applications pour fils magnétiques, comme les stators de moteur et les bobines de dérivation de télévision en couleur, une réduction du coefficient de frottement même simplement de 0,01, entraîne une augmentation significative de la précision dimensionnelle des bobines enroulées dans les enrouleurs à grande vitesse et de la facilité de l'insertion du fil.En général, le coefficient de frottement des Nylons diminue lorsque la pression augmente, comme dans le cas de l'insertion. Cependant, cette diminution du coefficient de frottement est plus grande pour le Nylon ll et 12 que pour le Nylon 6 ou 6,6, sous la même pression. L'aptitude à l'insertion améliorée permet à la même quantité de fil d'etre inséréedans une encoche avec moins de pression, ou bien permet d'insérer davantage de fil dans la même taille d'encoche avec la mêmepresçion. Les possibilités améliorées d'insertion donnent des avantages supplémentaires. Premièrement, une bobine enroulée avec précision peut être insérée dans un stator de moteur ou un article similaire avec pratiquement pas de déformation des fils. Il s'ensuit que la résistance électrique des bobines enroulées selon la présente invention présente une moins grande aptitude à la variation. Ceci donne un moteur qui tourne plus régulièrement et beaucoup plus efficacement. En outre, les moteurs peuvent être construits avec des tolérances plus étroites quand les fils magnétiques sont caractérisés par une aptitude améliorée à l'insertion. Avec un fil magnétique ayant un revêtement supérieur de Nylon 11 et 12, davantage de tours par bobines peuvent être insérés quand cela est nécessaire sans qu'il soit besoin de refaire la conception des moteurs. En outre, une augmentation du nombre de bobinages insérés simultanément devient possible, ce qui réduit les coûts de fabrication. Un autre avantage des Nylons 11 et 12 est leur résistance à I'humidité. Le Tableau 1 compare l'absorption de l'eau par les Nylons. TABLEAU 1 Absorption de l'eau par le Nylon Type de 24 h Equilibre à Equilibre à Nylon ASTM D 570 une humidité une humidité relative de relative de 50 % 100 % 6 1,60 % 2,7 % 9,5 6,6 1,50 2,5 8,0 il 0,25 0,8 1,9-2,9 12 0,25 0,7 1,4-2,5 (estimé) La tendance inférieure du Nylon il ou 12 à absorber l'eau fournit un avantage particulier par rapport au Nylon 6 ou 6,6, quand on les utilise pour faire des fils magnétiques. Le Nylon 11 conserve ses propriétés électriques mieux que le Nylon 6 ou 6,6 dans un environnement humide (voir le Tableau 2). TABLEAU 2 Résistivité volumique des Nylons en fonction de 1 'humidité -relative Type de Nylon Humidité relative Résistivité volumique ASTM D 257 (ohm . cm) 6 sec 1015 50 % 1013 100 % 108 6,6 sec 1015 .50 % 1013 100 % 109 11 sec 1015 50 % 1014 100 % 1013 Le classement thermique d'un fil magnétique de polyester à revêtement supérieur à 20 % de Nylon 11 ou 12, est la catégorie 1800C. Cependant, dans certaines applications, il faut considérer que cette température est dans l'intervalle de ramollissement. Quand on détermine la résistance de la liaison des bobines liées, comme selon NEMA Standards Publication NO MW 1000-1977, Part 3, 57, on trouve que les bobines hélicoïdales faites selon l'invention ont des résistances de liaison supérieures à tout autre revêtement lié thermoplastique. En raison de l'intervalle de ramollissement étroit du revêtement supérieur de cette invention, cette résistance de liaison supérieure se maintient à des températures allant jusqu'aux températures de liaison nécessaires -minimales. L'avantage principal de la présente invention est la fourniture d'un nouveau fil magnétique autoliant amélioré qui a un plus faible coefficient de frottement que les autres fils magnétiques, qui est cependant résistant à l'humidité, qui n'est pas cassant quand il est sec, qui est autoliant à une température d'environ 185 à 2000C et, quand il est utilisé sur un revêtement de base approprié, a un indice de classement thermique de 1800C (ASTM D-2307) ce qui permet d'utiliser le fil magnétique dans pratiquement toutes les applications classiques Les avantages précédents de l'invention seront mieux compris et appréciés en se référant à la description détaillée suivante et aux dessins annexés. Sur les dessins annexés La Figure 1 est une vue en coupe d'un fil magnétique ayant des revêtements selon la présente invention. La Figure 2 est un graphique illustrant la résistance de liaison d'une bobine de fil magnétique de la présente invention à diverses températures. La Figure 1 représente un mode de réalisation préféré d'un fil magnétique selon la présente invention. Le fil magnétique 1 comprend un conducteur central 2, généralement à un seul brin, dont la section est en général circulaire. Bien que le conducteur dans un fil magnétique ait habituellement une section circulaire, il peut également être étiré selon des formes carrées, rectangulaires, de ruban ou toute autre forme. Un revêtement de base isolant 3 est prévu autour et sur toute la longueur du conducteur 2, comme représenté sur la Figure 1. Le revêtement de base selon la présente invention consiste de préférence en un polyester modifié pour applications à température élevée. Cependant, d'autres matériaux de revêtement de base sont envisagés pour la présente invention, comme le polyvinylformal, les polyuréthanes et les résines poxy. D'autres matériaux de base comprennent les acryliques, les polyimides, les amides-imides, le polyester à groupement imide, les polyesters amide-imide.Les polyesters préférés comprennent le polyester classique d'indice thermique de 1550C à base d'acide ou d'éther térephtalique, d'éthylèneglycol et de glycérol, et le polyester de classe thermique 1800C typiquement à base d'acide térephtalique, de THEIC (isocyanurate de (tris-hydroxyethyle) et de glycérol. Bien que cela né soit pas représenté, le revêtement de base 3 peut également consister en-un système multiple. Par exemple, le revêtement de base peut comprendre un amide-imide comportant un revêtement supérieur de polyester modifié par THEIC de classe thermique 1800C, ou du Nylon 6,6 comportant un revêtement supérieur de polyester à groupement imide, ou un térephtalate de polyéthylène à revêtement supérieur de polyester. Le revêtement supérieur 4 de la présente invention, prévu autour et sur toute la longueur du revêtement de base, est un polyamide, notamment le Nylon 11, le Nylon 12 ou leurs mélanges. Le Nylon 11 est le polyundécanamide de formule chimique HtHN (CH2) loCO]NOH Le Nylon 21 est préparé à partir de l'acide Il-ainino-undécanoique. Le Nylon 2 est le polydodécanamide de formule chimique H[HN(CH2)1,COINOH Comme le Nylon 21 et le Nylon 12 sont miscibles, on peut en utiliser un mélange comme revêtement supérieur du fil magnétique de la présente invention. Le tableau suivant, Tableau 3, illustre certaines propriétés du Nylon 12 et du Nylon 12. TABLEAU 3 Propriétés du Nylon 21 et du Nylon 12 Propriété Nylon 11 Nylon 12 Température de fusion OC 185 175-180 Coefficient de frottement (Dynamique) 0,14-0,15 0,16 La quantité de revêtement supérieur de Nylon 11 et/ou 12 peut varier de 5 à 95 % de la pellicule totale déposée sur le conducteur et peut être appliquée sur un fil magnétique de quelconque dimension ou forme. De préférence, le revêtement supérieur de Nylon 11 et/ou 12 représente d'environ 10 à 20 z de la pellicule totale déposée. La quantité de revêtement supérieur peut dépendre de l'utilisation finale du fil magnétique. Par exemple, on a trouvé que le Nylon 11 améliore les propriétés d'enroulement et d'insertion du fil magnétique. Donc, si le but essentiel est le bobinage et l'insertion, un revêtement supérieur relativement fin (10 % de la pellicule totale) peut alors être indiqué dans un but d'économie. Si le but principal est l'aptitude à la liaison du fil magnétique, un revêtement supérieur plus épais (20 % ou plus de la pellicule totale) peut alors être indiqué pour augmenter la résistance de liaison finale. Bien que des revêtements supérieurs fins de Nylon 11 et/ou Nylon 12 soient thermiquement'liables, on a trouvé que la resistance de la liaison augmente avec l'épaisseur du revêtement supérieur. Le fil magnétique de la présente invention peut être fabriqué par un quelconque mode opératoire. L'exemple suivant est donné uniquement à titre illustratif. Un fil de cuivre nu rond ayant un diamètre nominal de 1,02 mm, est utilisé comme conducteur. Le fil de cuivre nu est muni d'un revêtement de base de polyester térephtalique modifié par THEIC, appliqué à raison d'environ 35 % de matières solides, dans quatre opérations de revêtement. Chaque revêtement subit un durcissement classique en four, par exemple par passage dans un four de 5,5 m, maintenu à une température de 300 à 4500C, à une vitesse environ 13,7 mètres par minute.Chaque revêtement successif augmente le diamètre global du fil magnétique quand le fil passe dans les filières de revêtement ayant un diamètre de 1,10 mm, 1,12 mm, 1,14 mm et 1,17 mm respectivement. Après durcissement, le revêtement de base de polyester augmente le diamètre du fil d'un total de 0,05 mm pour donner un diamètre global de 1,07 mm. On applique un revêtement supérieur de Nylon 11 ou de Nylon 12 au fil revêtu en dissolvant d'abord le Nylon à raison d'environ 20 % de matières solides en poids dans de l'acide crésylique, consistant en un mélange de phénol, de crésol et de xylénol, à une température d'environ 100 à 1200C. Ce mélange dissous est dilué par un hydrocarbure aromatique, comme le xylène, à environ 15 % de matières solides. La solution résultante contient environ 3 parties d'acide crésylique pour 1 partie d'hydrocarbure aromatique et a une viscosité d'environ 3 à 7 pascal.secondes à 250C. Cette solution est appliquée sur le fil magnétique portant un revêtement de base, de préférence en deux couches.Chacune des deux couches est appliquée en faisant passer le fil magnétique dans des filières de revêtement ayant chacune un diamètre de 1,195 mm. Le revêtement sur le fil est durci dans le four mentionné précédemment, après quoi le diamètre du fil a auamenté d'un total de 0,02 mm et est donc de 1,09 mm. Un revêtement supérieur de Nylon 11 et/ou 12 représentant 25 à 30 % peut typiquement être appliqué régulièrement sur un fil de 1,02 mm, en deux opérations. La pellicule de revêtement supérieur de Nylon totale déposée sur le fil magnétique de la présente invention représente environ 25 % de l'épaisseur de revêtement globale. Le revêtement de Nylon 11 ou de Nylon 12 peut être appliqué sur le fil magnétique par des procédés classiques. On peut également appliquer le revêtement supérieur par des procédés plus récemment mis au point comme l'extrusion ou le revêtement par poudre, ou bien le revêtement supérieur peut être fondu sur le fil par des méthodes différentes comme l'utilisation de micro-ondes, de chauffage par induction ou de laser, pour fondre le Nylon et le faire s'écouler régulièrement autour du fil. Le fil magnétique de la présente invention est caractérisé par des propriétés améliorées d'enroulement et d'insertion en raison de son faible coefficient de frottement. Comme cela est classique, un lubrifiant sec, comme de la paraffine, peut être appliqué sur le fil magnétique pour aider à encore mieux le lubrifier. Ainsi, le fil magnétique de la présente invention est capable de surmonter les contraintes d'une machine d'enroulement de précision à vitesse élevée, comme celle utilisée pour l'enroulement de bobines de dérivation pour la télévision en couleur. Un tel fil magnétique résiste suffisamment à l'abrasion et aux chocs thermiques dans une telle application. Un avantage supplémentaire important de la présente invention est que le fil magnétique est thermiquement liable, c'est-à-dire qu'il est liable dans un four ou par chauffage par résistance ou par un procédé similaire à une température suffisamment faible pour qu'elle ne soit pas nuisible à l'ensemble, d'environ 180 à 2000C. Le Nylon 11 et/ou le Nylon 12 constitue un excellent adhésif thermique pour le fil magnétique enroulé, par chauffage de la bobine au moins à la température de fusion du matériau de revêtement supérieur, qui est de 1850C pour le-Nylon 11 et de 175"C pour le'Nylon 12. La température à laquelle le revêtement supérieur de Nylon est exposé ne doit pas être suffisamment élevée pour dégrader le fil magnétique. Pour toutes les applications pratiques, le chauffage de la bobine à une température de 190 à 2000C effectuera une liaison efficace des fils magnetiques enroulés de la présente invention. Jusqu'à présent, une bobine de dérivation était liée par trempage de la bobine entière dans un solvant de liaison/ activation. Ou bien, un revêtement de vernis devait être appliqué sur la bobine au cours d'une opération annexe. Lorsque l'on utilise le fil magnétique de la présente invention, il suffit simplement de chauffer la bobine de dérivation pour lier la bobine. La résistance de la liaison est suffisante pour que la bobine conserve la configuration liée lorsqu'on l'utilise à températures élevées, comme celles que l'on rencontre dans le fonctionnement d'un appareil de télévision en couleur. Pour déterminer la résistance de la liaison, selon la norme ASTM D 2519, on enroule selon un bobinage hélicoïdal le fil magnétique décrit précédemment selon la présente invention (hélice de 6,35 mm). Les bobines sont ensuite liées par chauffage par résistance à environ 2000C. Après refroidissement à la température ambiante, on détermine la résistance de liaison des bobines. La résistance de la liaison à la température ambiante pour un fil de 1,02 mm est de 133 à 178 Newtons. La rétention de la résistance de la liaison à températures élevées est représentée sur la Figure 2. Les bobines utilisées pour obtenir les résultats représentés sur la Figure 2 sont construites et testées selon NEMA Standards Publication NO Ml^; 1000-1977, Part 3, 57, et les bobines sont liées à 2000C. I1 est important de noter que le fil magnétique de la présente invention retient plus de 50 % de sa résistance de liaison à la température ambiante, quand on le chauffe à 1500C. PEVENDICATIONS 1. Fil magnétique comprenant un conducteur consistant en cuivre, aluminium ou alliage d'aluminium ; un revêtement de base thermodurcissable organique complet, proche du conducteur, et consistant en au moins une couche de matériau isolant autour et sur toute la longueur du conducteur ; et un revêtement supérieur autoliable, près du revêtement de base, autour et sur toute la longueur de ce revêtement de base, où le revêtement supérieur est un polyamide, caractérisé en ce que le revêtement supérieur consiste en polyundécanamide, polydodécanamide ou leurs mélanges, et le revêtement supérieur représente de 5 à 95 % de l'épaisseur totale de revêtement; 2. Fil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur a une section circulaire. 3. Fil-magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur a une section rectangulaire. 4. Fil magnétique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'un lubrifiant sec est appliqué sur le revêtement supérieur. 5. Fil magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est liable à une température élevée comprise entre environ 190 et 2000C, ledit conducteur comprend un seul brin de fil, ledit revêtement de base est un polyester modifié thermodurcissable, et le revêtement supérieur représente environ 10 à 20 % de l'épaisseur totale de revêtement. 6. Fil magnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il a une durée de vie d'au moins 20.000 heures à 155"C, et en ce que le revêtement supérieur consiste en polyundécanamide. 7. Fil magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est liable à une température d'environ 190 a 2000C, ledit conducteur consiste en un seul brin de fil d'un diamètre de 1,63 à 0,143 mm, ledit revêtement de base est un polyester modifié thermodurcissable ayant une épaisseur relativement uniforme représentant d'environ 60 % à 90 % de l'épaisseur totale de revêtement, et ledit revêtement supérieur a une épaisseur relativement uniforme d'environ 10 % à 40 e de l'épaisseur totale de revêtement. 8. Fil magnétique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il a une résistance de la liaison résultante d'au moins 89 Newtons à une température de 1500C, une durée de vie d'au moins 20.000 heures à 155"C, et un coefficient de frottement dynamique, pellicule sur pellicule, de 0,14 à 0,16, et en ce que le revêtement supérieur consiste en polyundécanamide ayant une épaisseur relativement uniforme d'environ 0,005 à 0,015 mm. 9. Fil magnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit conducteur consiste en un seul brin d'un fil de cuivre de 1,29 à 0,455 mm, et le polyester modifié thermodurcissable a une épaisseur relativement uniforme d'environ 0,02 à 0,03 mm.