Brevet FR2498500A1 — publié le 19820730

On sait que les noyaux pour les transformateurs par exemple peuvent titre faits de matériau ferromagnétique et sont typiquement composés d'un certain nombre de tôles superposées obtenues par découpage dans un feuillard par exemple (le mot "noyau" utilisé ici désigne de manière générale tout organe magnétique ou tout élément de circuit magnétique analogue). Généralement, les tôles d'un tel noyau feuilleté sont isolées magnétiquement les unes des autres, ce qui est obtenu typiquement en appliquant une couche de vernis sur les tOles. Cette constitution empeche la circulation de courants de Foucault entre les tales du noyau assemblé, courants qui provoquent des pertes dans le fer excessives. Il est également connu de fabriquer des noyaux de matériau ferromagnétique sous forme de poudre.La poudre peut dans ce cas etre comprimée et frittée sous forme de lames ayant l'épaisseur désirée, lesquelles sont ensuite assemblées pour former le noyau. Les noyaux formés de lames de poudre ferromagnétique ont des avantages économiques de fabrication comparativement à un noyau composé de tôles superposées obtenues à partir d'un feuillard par exemple. Les noyaux feuilletés faits de poudre ferromagnétique ont toutefois l'inconvénient, pour ce qui concerne la fabrication, que le frittage de lames individuelles donne une exploitation irrationnelle du four à fritter. Si, pour éviter cet inconvénient, les lames sont assemblées avant le frittage, il s'ajoute à l'ensemble de la fabrication, pour réaliser cet assemblage, une opération supplémentaire difficile à exécuter et coûteuse. L'invention vise donc à apporter un procédé pour fabriquer des noyaux de poudre ferromagnétique, qui permette d'obtenir un noyau métallique ayant des caractéristiques supérieures résultant de l'emploi de lames ferromagnétiques (noyau feuilleté) et qui permette en meme temps une fabrication économique et efficace. La façon d'atteindre ce but, et d'autres buts encore de l'invention,ressortiront de la description qui va suivre et de plusieurs exemples de mise en oeuvre de l'invention. Selon l'invention, pour fabriquer un noyau magnétique pour courant alternatif, on superpose plusieurs couches de la poudre ferromagnétique choisie dans un récipient en séparant chaque couche de la ou des couches voisines. Lorsque le nombre désiré de couches, constituant chacune une lame dans le noyau final, ont été mises en place dans le récipient, on agglomère la poudre pour former un noyau de densité intermédiaire. Ensuite, on fritte ce noyau de manière conventionnelle en produisant une densification supplémentaire. La poudre ferromagnétique utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention peut titre une poudre ferromagnétique élémentaire (d'un métal pur), une poudre ferromagnétique préalliée ou un mélange de poudre ferromagnétique avec un ou plusieurs éléments d'alliage. La poudre peut etre fabriquée par des méthodes d'atomisation conventionnelles, par exemple d'acier à bas carbone atomisé, de fer au silicium à bas carbone atomisé, de ferronickel à bas carbone atomisé, ou d'un mélange d'acier à bas carbone atomisé et de poudres de nickel-molybdène ou de cobalt seules ou en combinaison. Comme cela est habituellement le cas pour un noyau feuilleté, un milieu de séparation est prévu entre les couches ou lames d'un noyau fabriqué selon l'invention.Le milieu de séparation peut etre formé par une poudre ou par un solide, par exemple par une feuille de fibre d'alumine conventionnelle. En cas d'utilisation d'un milieu de séparation sous forme d'une poudre, il peut s'agir d'oxyde d'aluminium, d'oxyde de zirconium ou de mélanges de ceux-ci. Dans une variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention, chaque couche de poudre ferromagnétique -est compactée séparément dans le récipient avant que les lames ainsi formées ne soient agglomérées pour former le noyau. Plus précisément, pour fabriquer un noyau (ou un autre organe ou élément de circuit magnétique analogue, tels qu'une culasse, un induit, une pièce polaire), on commence par déterminer le nombre désiré de lames devant former le noyau et on divise le poids total du métal en forme de poudre pour ce noyau en autant de portions essentiellement égales qu'il y a de lames a produire. On place ensuite les portions de poudre séquentiellement dans une empreinte de moule ou dans la chambre à poudre d'une matrice dont la section interne correspond sensiblement à la forme que l'on désire donner au noyau. La matrice comporte typiquement des poinçons supérieur et inférieur mobiles. Entre deux couches voisines de poudre ferromagnétique, formées chacune par l'une desdites portions, on prévoit un milieu isolant, pouvant etre solide ou en forme de poudre, comme décrit dans ce qui précède. Lorsque toutes les couches ferromagnétiques et tous les milieux isolants ont été mis en place dans la matrice, on manoeuvre les poinçons supérieur et inférieur de manière à comprimer la poudre en un noyau feuilleté de densité intermédiaire. Cette densité doit suffire pour permettre la manutention, en particulier en vue d'un frittage conventionnel. Le frittage peut etre effectué dans un four å passage où le noyau est porté à une température de, par exemple, 1260"C. On obtient ainsi un noyau ayant la densité finale désirée. En cas d'application de la variante du procédé, comprenant la compression séparée de chaque couche de poudre ferromagnétique avant la mise en place d'une couche suivante et avant l'agglomération pour former le noyau, on obtient un compactage plus uniforme dans toute l'épaisseur du noyau avant le frittage. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la porté. Exemple A On mélange de la poudre d'acier atomisé de 0,149 mm (ouverture de maille:) ayant la composition conventionnelle désignée par Ancorateel 1000B avec de la poudre de ferro-phosphore d'une grosseur de particule moyenne de 13,5/um. Le mélange de ces poudres, appelé ci-après mélange A2, contient 0,75 % en poids de ferro-phospore. Ce mélange contient également 0,5 7. en poids de stéarate de zinc, que l'on ajoute comme lubrifiant pour faciliter l'éjection du moule ou de la matrice de la pièce de poudre agglomérée par compression. Du mélange A2, on forme trois charges de poudre de 24 g, deux charges de 12 g et trois charges ou portions de 8 g chacune. De la charge de 24 g, on produit une seule lame sous forme d'un anneau par un pressage A double action sous environ 14 bars. L'anneau ainsi obtenu possède un diamètre extérieur nominal après compression de 3,75 cm et un diamètre intérieur de 2,50 cm. On presse lescharges de 12 g et de 8 g de façon analogue pour obtenir des anneaux. On fritte tous les anneaux ainsi produits pendant 60 min à 12600C dans un four à vide. On maintient une pression de 0,1 Torr (13,3 Pa) et une atmosphère d'hydrogène pendant le frittage. On refroidit les anneaux dans le four jusqu'à la température ambiante. Les caractéristiques des échantillons ainsi produits sont résumées dans le tableau I. T A B L E A U I Echantillon Poids diamètre diamètre n g extérieur intérieur épaisseur densité cm cm cm g/cm 1 23,7897 3,726 2,550 0,567 7,24 2 11,8440 3,726 2,550 0 > 285 7,17 3 11,8691 3,724 2,550 0,284 7,22- 4 7,9080 3,726 2,550 0,192 7,17 5 7,8882 3,725 2,550 0,189 7,21 6 7,8991 3,723 2,550 0,190 7,23 On prépare l'anneau formant l'échantillon n 1, produit de la charge de 24 g, et on le soumet à des essais magnétiques. On combine les anneaux formant les échantillons n 2 et 3, produits des deux charges de 12 g, de manière à constituer. un noyau de deux lames séparées par un intervalle d'air ou entrefer. De façon analogue, on combine les trois anneaux produits à partir des trois charges de 8 g et formant les échantillons 4, 5 et 6 en un noyau de trois lames présentant deux intervalles d'air ou entrefers entre les lames. On soumet les noyaux à des essais magnétiques de manière identique et on les place pour cela dans des gaines en fibre. Sur chacun des noyaux , on forme ensuite, de façon uniforme, un enroulement primaire de 100 spires et un enroulement secondaire de 100 spires. On détermine la densité de chaque noyau d'après son poids et ses dimensions géométriques. Selon des pratiques conven tionnelles, on détermine la section pour la tension et le niveau d'induction d'après le poids de noyau, la longueur de parcours magnétique moyenne et la densité. On détermine la force magnétisante maximale par calcul à partir de la tension crete-b-crete relevée aux bornes d'une petite résistance branchée en série.On produit la désaimantation des noyaux par des tensions d'une fréquence de 60 Hz que l'on diminue lentement à partir d'une valeur bien au-delà du coude de la-courbe induction-force magnétisante maximale, jusqu'à zéro. On détermine les valeurs des pertes dans le fer en soumettant les échantillons, à partir des niveaux d'induction les plus bas aux niveaux d'induction les plus hauts, à des essais conventionnels comme recommandé par ASTM à cet effet. Le tableau II indique la force magnétisante maximale 1000 en oersted (A multiplier par A # pour obtenir la valeur en A/m) à 60 Hz et b des inductions allant de 1 A 10 kilogauss (h multiplier par 0,1 pour obtenir la valeur en T). TABLEAU Il Force magnétisante maximale à différentes inductions Echan tillon 1 kG 2 kG 3 kG 4 kG 5 kG 6 kG 7 kG 8 kG 9 kG 10 kG n 1 0,969 1,607 2,563 3,889 5,865 8,441 11,552 15,045 19,635 26,138 2 et 3 0,778 1,150 1,556 2,193 3,047 4,055 5,4D 7,204 9,308 11,935 4, 5, 6 0,663 0,946 1,229 1,543 2,002 3,576 3,366 4,144 5,202 6,566 Le tableau III donne les pertes dans le fer en W par livre (à multiplier par 2,205 pour obtenir les valeurs en W/kg) b 60 Hz et A des inductions allant de 1 A 10 kilogauss. TABLEAU III Pertes dans le fer à différentes inductions Echan tillon 1 kG 2 kG 3 kG 4 kG 5 kG 6 kG 7 kG 8 kG 9 kG 10 kG n 1 0,0820 0,274 0,624 1,34 2,37 3,92 6,75 9,88 14,08 - 2 et 3 0,0603 0,189 0,395 0,713 1,28 2,02 3,05 4,45 6,78 9,27 4, 5, 6 0,0486 0,152 0,304 0,520 0,891 1,33 1,92 2,71 3,74 5,07 Exemple B On utilise le melange A2 de l'exemple A comme poudre ferromagnétique et de la poudre d'aluminé en paillettes contenant plus de 99,5 % en poids de A1203 et ayant une grosseur de particule de - 0,59/+ 0,297 mm (ouverture maille) comme milieu de separation sous forme de poudre pour la mise en oeuvre du procede de l'invention. On prépare deux charges de 12 grammes et trois charges de 8 grammes du mélange A2. En utilisant un moule ayant les dimensions données dans l'exemple A, on produit un noyau en disposant deux. couches de 12 grammes du mélange A2 dans le moule avec comme intercalaire une couche de 2,50 grammes de la poudre d'alumine en paillettes. On comprime ensuite les couches de poudre superposées sous environ 14 bars pour produire un noyau à deux lames. Par une opération semblable, on produit un noyau à trois lames, formé des charges de 8 grammes, chaque fois avec un intercalaire en poudre d'alumine. Le noyau à deux lames est désigné dans le tableau IV comme échantillon n 14 et le noyau à trois lames est désigné comme échantillon n 10. On fritte les deux noyaux sous vide pendant 60 minutes à 1260 C. On trouve une densité de 6,20 g/cm3 pour les deux noyaux. On soumet les noyaux à des essais magnétiques de la même manière que ceux de l'exemple A. Le tableau IV, indiquant la force magnétisante à 60 Hz à différentes inductions, est comparable au tableau II. TABLEAU IV Force magnétisante maximale à différentes inductions Echan tillon 1 kG 2 kG 3 kG 4 kG 5 kG 6 kG 7 kG 8 kG 9 kG 10 kG n0 14 1,071 1,811 2,665 3,570 4,501 5,763 7,204 8,861 10,965 13,005 10 0,859 1,377 1,964 2,563 3,251 3,927 4,794 5,789 6,936 8,313 Le tableau V, indiquant les pertes dans le fer à 60 Hz et à différentes inductions, est comparable au tableau III. TABLEAU V Pertes dans le fer à différentes inductions Echan tillon 1 kG 2 kG 3 kG 4 kG 5 kG 6 kG 7 kG 8 kG 9 kG 10 kG n0 14 0,0885 0,307 0,658 1,22 1,92 2,82 3,96 5,97 7,89 10,31 10 0,0634 0,229 0,485 0,899 1,382,00 2,78 3,73 4,87 6,82 On voit que, aux niveaux d'induction bas, la force magnétisante et les pertes dans le fer des noyaux de l'exemple B, produits selon l'invention, sont relativement élevées ; par contre, à un niveau d'induction d'environ 5 kilogauss et plus, ces caractéristiques approchent les valeurs pour les noyaux à deux et à trois lames de l'exemple A. Exemple C On utilise le mélange A2 pour produire des noyaux à deux lames et des noyaux à trois lames de la meme manière que dans l'exemple B, avec la seule différence que, dans cet exemple, le milieu isolant est une feuille de fibre d'alumine. On produit le frittage des noyaux sous les mêmes conditions que dans l'exemple B. La densité des noyaux est de 7,21 g/cm3. On produit également un noyau formé d'une seule lame, dans les memes conditions mais sans couche isolante. Ce noyau constitue l'échantillon n 2-0; le noyau deux lames est désigné par échantillon n 2-1 et le noyau à trois lames est désigné par échantillon n 2-2-1. On soumet ces trois échantillons de noyau à des essais magnétiques comme décrit dans l'exemple A. Tableau VI, indiquant la force magnétisante, correspond aux tableaux II et IV. TABLEAU VI Force magnétisante maximale à différentes inductions Echan tillon 1 kG 2 kG 3 kG 4 kG 5 zig 6 kG 7 kG 8 kG 9 kG 10 kG n0 2-0 0,983 ,58 2,53 3,93 5,75 8,36 11,43 14,94 19,92 25,80 2-1 0,830 1,28 1,83 2,55 3,47 4,47 6,07 7,79 9,00 12,51 2-2-1 0,686 1,02 1,33 1,72 2,23 2,83 3,55 4,44 5,48 6,90 Le tableau VII indique de nouveau les pertes dans le fer et correspond aux tableaux III et V. TABLEAU VII Pertes dans le fer à différentes inductions Echan tillon 1 kG 2 kG 3 kG 4 kG 5 kG 6 kG 7 kG 8 kG 9 kG 10 kG n0 2-0 0,0657 0,222 0,515 1,31 2,34 3,88 6,50 9,61 13,91 19,35 2-1 0,0674 0,222 0,473 0,890 1,47 2,28 3,40 4,89 7,35 9,96 2-2-1 0,0471 0,155 0,314 0,536 0,986 1,46 2,08 2,90 3,97 | 5,34 On voit des résultats des tableaux VI et VII qu'à la fois la force magnétisante et les pertes dans le fer sont plus faibles, à tous les niveaux d'induction, qu'avec les noyaux de l'exemple B et qu'elles s'approchent des valeurs trouvées pour les noyaux de l'exemple A. REVENDICATIONS 1. Procédé pour fabriquer un noyau métallique ou un élément de circuit magnétique analogue pour courant alternatif à partir d'une poudre ferromagnétique, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer plusieurs couches de la poudre ferromagnétique dans un récipient, en séparant chaque couche de la ou des couches voisines, à agglomérer la poudre en un noyau de densité intermédiaire et à fritter ce noyau en produisant une densification supplémentaire. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un milieu isolant magnétique est prévu chaque fois entre deux couches voisines de matériau ferromagnétique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu isolant magnétique est en forme de poudre. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le milieu isolant magnétique en forme de poudre est une poudre choisie dans le groupe comprenant l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de zirconium et des mélanges de ceux-ci. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu isolant magnétique est une feuille de fibre. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le milieu isolant magnétique est une feuille de fibre d'alumine. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on comprime chaque couche de poudre ferromagnétique séparément dans le récipient avant l'agglomération en vue de la formation du noyau.