Brevet FR2690559A1 — publié le 19931029

PROCEDE D'ISOLATION D'UN CONDUCTEUR ELECTRIQUE ET CONDUCTEUR ELECTRIQUE ISOLE TEL QU'OBTENU PAR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE La présente invention a pour objet un procédé d'isolation d'un conducteur électrique et le conducteur électrique isolé tel qu'obtenu par la mise en oeuvre dudit procédé. De façon plus précise, la présente invention concerne lisolation de conducteurs électriques destinés à réaliser notamment des bobinages d'équipement électrique, par exemple des bobinages de moteur, dans laquelle l'isolation est réalisée initialement sur le conducteur avant son enroulement sur un support de stockage Le conducteur ainsi isolé est ensuite utilisé comme un conducteur isolé par des procédés déjà connus. Les conducteurs électriques destinés à réaliser des bobinages d'équipement électrique sont généralement préalablement isolés par émaillage ou guipage ou encore émaillage suivi de guipage. L'émaillage est en général réalisé par dépôt de polymères synthétiques en solution dans un milieu solvant organique Le dépôt se fait en plusieurs couches calibrées, chaque couche étant séchée et polymérisée avant le dépôt de la couche suivante par passage dans un four à température élevée de l'ordre de 400 à 500 C La rigidité diélectrique de l'isolant ainsi déposé varie de 60 k V par millimètre à 130 k V par millimètre en fonction de la surépaisseur du polymère appelé émail ou vernis. La tenue thermique de cet isolant varie aussi en fonction de la nature du polymère organique utilisé et ne permet pas de répondre à des utilisations dans le cas o le conducteur est soumis à des contraintes très élevées, à la fois thermiques, électriques et mécaniques En effet, les forces électro-dynamiques, les gradients de potentiel ou encore les forces centrifuges dans le cas des bobinages de machines tournantes induisent des contraintes importantes sur les fils de bobinage en contact qui, combinées à l'accroissement de température de fonctionnement du fait de l'échauffement par effet joule et pertes électroma- gnétiques, peuvent provoquer un court-circuit entre les fils du bobinage ainsi réalisé. Dans le cas de sollicitation mécanique importante, ce phénomène est lié à un fluage de lémail sous température et pression qui peuvent être simulées par un test normalisé dit de thermo-plasticité Celui-ci consiste à exercer une pression définie à l'intersection de deux fils sous tension électrique disposés perpendiculairement pendant une durée déterminée et à répéter l'essai à différentes températures pour déterminer à quelle température se produit un court-circuit. Dans ces conditions de test, les émaux les plus performants à ce jour parmi ceux utilisés couramment permettent d'obtenir une thermo- plasticité de l'ordre de 400 C à 500 C, ce qui, dans des applications à fortes sollicitations thermiques et mécaniques, reste insuffisant en raison de l'absence de matières minérales dans le matériau d'isolation. Dans le cas o il existe de plus de fortes sollicitations électriques corres- pondant à la moyenne ou à la haute tension L'émail n'est le plus souvent pas employé seul mais associé à d'autres matériaux isolants. Un des modes de renforcement couramment utilisés pour pallier à ces inconvénients consiste à guiper le fil émaillé, c'est-à-dire à enrouler sous forme de spirale d'une nappe de fibres continues imprégnées par un polymère en milieu organique Parmi les fibres utilisées de façon courante, on peut citer à titre d'exemple les fibres de verre ou les mélanges fibres de verre et fibres de polyester. Le guipage peut également être directement déposé sur un conducteur non émaillé lorsque les conditions de fonctionnement le permettent Il présente alors non seulement l'avantage d'améliorer la liaison avec les vernis d'impré- gnation des bobinages mais, pour des applications spécifiques données, la présence d'un produit minéral augmente sa tenue aux sollicitations thermiques importantes Comparativement au fil de bobinage émaillé seul, le produit minéral permet d'accroître la résistance aux surcharges ponctuelles intenses mais limitées en durée et accroît la marge de sécurité lorsque les températures atteignent ponctuellement 400 à 500 C sous forte contrainte mécanique. Une solution pour améliorer l'isolation électrique consisterait à ajouter des produits minéraux isolants dans les vernis d'émaillage par exemple du mica. Cependant cette adjonction comporterait certaines difficultés de mise en oeuvre: en effet, il est techniquement exclu d'incorporer des produits minéraux à forte concentration dans les vernis d'émaillage car les phénomènes de décantation de la charge, d'une part, et les faibles surépaisseurs de dépôts calibrés à chaque couche, d'autre part, ( 0,01 à 0,02 mm) ne permettraient pas d'obtenir une isolation régulière en composition et en épaisseur selon les différents points de la surface du conducteur à isoler. On a également proposé le dépôt par électrophorèse de l'émail charge avec un matériau minéral tel que du mica Une telle solution est notamment décrite dans les documents US-A-4 058 444, WO-A-89/100765 et FR-A- 2555599 qui visent tous à isoler des connexions électriques au moyen d'une composition constituée d'un liant et de poudre de mica en milieu aqueux et déposé par électrolyse Ce procédé qui est difficile à mettre en oeuvre en continu convient bien pour des pièces de forme ou des bobinages déjà réalisés et difficiles à isoler mais il est d'une mise en oeuvre délicate pour risolation de conducteurs électriques destinés à être bobinés ultérieurement sur un support de stockage. Pour remédier à ces inconvénients, un objet de la présente invention est de fournir un procédé qui permette effectivement la réalisation d'une isolation électrique comportant des matériaux isolants minéraux et qui soit compatible avec un processus d'isolation du conducteur électrique en continu. Pour atteindre ce but, le procédé d'isolation d'un conducteur électrique, selon linvention, se caractérise en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) on dépose sur ledit conducteur une couche de vernis polymère en milieu solvant et/ou diluant; b) puis, on dépose de façon uniforme sur ladite couche de vernis une poudre d'un isolant minéral de telle manière que ladite poudre adhère de façon uniforme au vernis; et c) on soumet le conducteur électrique ainsi revêtu à une opération de séchage et de polymérisation du vernis. On comprend que le procédé selon l'invention permet effectivement lisolation en ligne du conducteur électrique En effet, la réalisation de la couche de vernis est faite selon des moyens classiques en ligne et le dépôt de la poudre d'isolant minéral peut commodément être également réalisée dans une deuxième étape en ligne notamment à laide de buses de pulvérisation ou de techniques de transfert de poudre par champ électrostatique On remarque de plus que, comme le conducteur électrique n'est pas utilisé comme électrode dans le processus d'isolation, le procédé peut être utilisé indifféremment selon que le conducteur électrique est déjà isolé à laide d'un émail ou qu'il est nu. De préférence, les étapes a), b), c) du procédé sont répétées plusieurs fois jusqu'à ce qu'on obtienne la surépaisseur d'isolation souhaitée. Le dépôt de la couche de poudre d'isolant minéral est réalisé en produisant une suspension ou un nuage de cette poudre dans une zone traversée par le fil àisoler Cest le sens qu'il faut donner au terme pulvérisation dans le présent texte par opposition à des techniques de dépôt électrolytiques. Un autre objet de linvention est de fournir un conducteur électrique isolé présentant une isolation du type obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon linvention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes mise en oeuvre de linvention donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un conducteur élec- trique isolé selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention; la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 mais montrant un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon linvention; la figure 3 illustre un premier mode de réalisation du dépôt de la poudre de matériau isolant; et la figure 4 illustre un deuxième mode de dépôt de la poudre de matériau isolant selon linvention. Avant de décrire en détails, différents modes de mise en oeuvre de l'invention, on va en décrire le principe. Selon linvention, lisolation électrique du conducteur électrique est réalisée en trois étapes de base Dans un premier temps, le conducteur électrique est revêtu d'une couche de vernis polymère en milieu solvant organique ou non ettou encore dans un milieu diluant réactif Dans une deuxième étape, on soumet le conducteur électrique ainsi recouvert de vernis à une pulvérisation d'une poudre de matériau minéral isolant Cette poudre adhère au vernis qui vient d'être déposé réalisant ainsi une couche homogène d'isolant minéral puisque le maintien de l'isolant minéral sur le conducteur électrique ne peut se faire qu'au contact direct de la couche de vernis initialement déposée. Dans une troisième étape, on soumet le conducteur électrique ainsi revêtu de la couche initiale de vernis et de la couche d'isolant minéral à un traitement de séchage et de polymérisation du vernis afin de stabiliser lensemble Selon la surépaisseur d'isolation souhaitée et donc les caractéristiques d'isolation recherchées, ces trois opérations sont répétées successivement. En se référant tout d'abord à la figure 1, on va décrire un premier mode de mise en oeuvre de linvention A partir d'un conducteur électrique nu 12, qui peut avoir une section circulaire ou rectangulaire et être réalisé en cuivre,en aluminium, etc, on réalise une première couche de vernis isolant 14 en polymère en milieu solvant organique ou acqueux ou encore en milieu diluant actif Comme vernis, on peut utiliser tous les vernis connus dans le domaine de l'utilisation de lisolation des fils de bobinage Parmi ceux-ci, on peut citer à titre d'exemple les vernis à base de polyestérimide modifié ou non, les polyesters, les epoxy, les polyamide-imides, les polyimides, les polyuréthanes ou les vernis à base d'acétoformal de polyvinyle Ces vernis peuvent être appliqués par les techniques classiques, c'est-à-dire par passage du fil conducteur 12 dans le bain de vernis, puis par calibrage de la couche Dans une deuxième étape, on fait se déplacer le fil conducteur 12 revêtu de sa couche de vernis 14 dans un milieu o une poudre de matériau isolant minéral, de préférence du mica, est présente en suspension Les particules en adhérant à la couche de vernis 14 forme une couche uniforme régulière de particules de mica 16 On comprend que, en effet, seule la première couche de particules de mica peut adhérer à la couche de vernis 14, ce qui permet un dépôt uniforme de lisolant minéral De préférence, le mica se présente sous la forme d'une poudre obtenue par broyage et elle peut être de type muscovite ou phlogopite La taille moyenne des particules peut varier dans le plan de clivage des particules de 0,05 mm à 0,8 mm et plus De préférence, la dimension maximale dans le plan de clivage est de 0,4 mm Cette dimension maximale est une dimension moyenne correspondant à la dispersion statistique des particules effectivement obtenues lors de lopération d'élaboration de la poudre La teneur finale du mica peut se situer entre 10 et 90 % de la partie d'isolation ainsi réalisée De préférence, cette teneur est comprise en 40 et 60 % Une fois que ce premier dépôt a été réalisé, on effectue un deuxième dépôt de couche de vernis 18, comme indiqué précédemment, puis un deuxième dépôt 20 d'une couche de mica, comme cela a déjà également été expliqué Pour terminer la réalisation de l'isolation, on peut déposer une couche externe d'isolation à raide du vernis déjà mentionné, cette couche portant la référence 22 Eventuellement plusieurs couches de vernis peuvent être déposées successivement. Le dépôt de la couche d'isolant minéral, typiquement du mica, sur le conducteur électrique 12 déjà muni d'une couche de vernis 14 peut se réaliser de différentes manières La figure 3 illustre un premier mode de mise en oeuvre Sur cette figure, on a représenté deux buses de pulvérisation 24 et 26 raccordées à des sources de mica sous forme de poudre et permettant ainsi la circulation selon la direction F du fil conducteur 12 à lintérieur d'un nuage de poudre de mica en suspension Ainsi, comme on la déjà expliqué, seule une couche de mica adhère au vernis 14, le reste du mica ne pouvant adhérer à la première couche de mica d'isolation déjà obtenue. La figure 4 illustre un deuxième mode de dépôt de la couche de poudre de mica Selon ce deuxième mode de mise en oeuvre, le fil conducteur 12 déjà recouvert de la couche de vernis 14 circule dans une zone 30 dans laquelle on crée une ambiance saturée en poudre de mica par les moyens suivants La poudre de mica 32 est placée dans une trémie 34 ouverte à son extrémité infé- rieure 36 La trémie 34 est associée à un générateur de vibrations 38 constitué par exemple par une roue 40 associée à une bielle 42 qui est reliée à la trémie 34 par l'intermédiaire d'un système amortisseur élastique 44 On provoque ainsi la descente progressive de la poudre de mica 32 vers la sortie 36 La réalisation du nuage de poudre de mica dans la zone 30 est obtenue par la création d'un champ électrostatique Pour cela, de préférence, les parois de la trémie 32, qui portent la référence générale 46, sont réalisées en un matériau conducteur de lélectricité et la trémie est fixée sur un bâti isolant 48 En regard de la trémie 34, une plaque conductrice 50 perpendiculaire au bâti 48 définit la zone de création du nuage de mica 30 La paroi 46 de la trémie 34 et la plaque 50 sont reliées aux bornes 52 a et 52 b d'un générateur électrique 52 Les deux électrodes formées par la paroi 46 et la plaque 50 définissent ainsi un champ électrique E qui provoque un déplacement des particules de mica dans la zone 30 Ces particules de mica viennent adhérer à la couche 14 de vernis formé sur le fil conducteur 12 De préférence, l'installation de dépôt de la poudre de mica comprend deux modules identiques à ceux qui sont représentés sur la figure 4 mais correspondant à des champs électrostatiques d'entraînement des particules selon deux directions opposées Cette opération associée au dépôt initial d'une couche de vernis peut être répétée autant de fois que nécessaire pour obtenir la surépaisseur d'isolation souhaitée Comme on l'a déjà indiqué, après chaque étape de dépôt d'une couche de vernis et de formation d'une couche de mica, le conducteur électrique est soumis à un traitement thermique afin d'obtenir le séchage du vernis et la polymérisation de celui-ci en vue d'obtenir la stabilisation du revêtement isolant Il est important de noter que d'autres techniques de pulvérisation de la poudre de mica ou d'autres isolants minéraux sur le fil conducteur revêtu de vernis pourraient être utilisés à condition que ces techniques permettent ladhérence sur la couche de vernis d'une couche uniforme homogène de mica ou d'un autre isolant minéral équivalent On pourrait par exemple utiliser une technique par lit fluidisé. On comprend que, comme le fil conducteur à isoler n'est pas utilisé comme électrode contrairement aux techniques utilisées le plus souvent précédemment, le conducteur électrique peut être initialement non pas nu mais recouvert d'une couche initiale d'émail ou d'une couche de guipage comme cela est représenté sur la figure 2 On effectue ensuite les dépôts successifs de couches de vernis et de couches de particules de mica suivi du traitement thermique convenable En particulier, ce procédé peut être utilisé avec un fil conducteur émaillé dont rindice thermique est de préférence supérieur ou égal à C En variante, on peut mettre en oeuvre le procédé sur un fil conducteur recouvert initialement d'une couche de guipage 60 telle que définie précédemment Dans ce dernier cas, le but recherché n'est plus de réaliser une isolation dans des conditions économiques préférentielles mais de renforcer la proportion des matières inertes par un matériau tel que du mica connu pour sa bonne tenue à l'effet corona La couche externe 62 peut également être réalisée par guipage. Dans un exemple particulier de réalisation, le procédé a été mis en oeuvre dans les conditions suivantes Le conducteur électrique à isoler 12 est un fil de cuivre de section circulaire dont le diamètre est de 2 mm Ce conducteur est revêtu d'une première couche de vernis du type polyimide puis recouvert de particules de mica de dimensions maximales moyennes dans leur plan de clivage égal à 0,4 mm Le conducteur entre ensuite dans le four de traitement thermique o il est séché et polymérisé et repasse deux fois dans le même dis- positif de dépôt de vernis et de poudre de mica pour une deuxième et une troisième application de vernis suivi de poudre de mica L'isolation est complétée par un dépôt dans un deuxième dispositif d'une quatrième couche constituée de vernis polyester-imide et de la même poudre de mica séchée et polymérisée à température inférieure, puis par une cinquième et une sixième couches de vernis polyester-imide séchées et polymérisées entre chaque dépôt dans les mêmes conditions que précédemment Les essais effectués sur le conducteur isolé ainsi obtenu ont donné les résultats suivants: teneur en mica de l'isolation: 48 à 52 % surépaisseur d'isolation: 0,16 à 0,20 mm thermo- plasticité selon la méthode normalisée CEI supérieure à 500 C tension de claquage: 2,5 à 3,3 k V par mm souplesse de lisolation: on n'a observé aucune fissuration lors du bobinage du fil sur un mandrin dont le diamètre est égal à trois fois le diamètre du conducteur, ou lors de lallongement du conducteur de 20 %. On comprend que, grâce à la mise en oeuvre du procédé, on peut obtenir un conducteur électrique isolé présentant des propriétés d'isolation électrique au moins égales à celles obtenues précédemment Ce procédé se prête à lisolation d'un conducteur en continu et il permet ultérieurement des déformations du conducteur sans qu'apparaissent des fissures dans l'isolation de celuici. REVENDICATIONS 1 Procédé d'isolation d'un conducteur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) on dépose sur ledit conducteur une couche de vernis polymère en milieu solvant et/ou diluant; b) puis, on dépose de façon uniforme sur ladite couche de vernis une poudre d'un isolant minéral de telle manière que ladite poudre adhère au vernis et c) on soumet le conducteur électrique ainsi revêtu à une opération de séchage et de polymérisation du vernis. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes a), b) et c) sont répétées plusieurs fois jusqu'à ce qu'on obtienne la surépaisseur d'isolation souhaité. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite poudre est déposée par pulvérisation. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit isolant minéral est du mica. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la teneur pondérale en mica est comprise entre 40 % et 60 % du poids de l'isolation réalisée. 6 Procédé selon lune quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les particules de mica ont une plus grande dimension moyenne de lordre de 0,4 mm. 7 Procédé d'isolation selon lune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit conducteur électrique est initialement nu. 8 Procédé selon lune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le conducteur électrique est initialement recouvert d'émail et/ou guipe. 9 Procédé selon lune quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape finale de dépôt d'au moins une couche de vernis. Procédé selon lune quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape finale de réalisation d'au moins une couche de guipage. 11 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pulvérisation de ladite poudre minérale est réalisée par un dispositif à buses de pulvérisation. 12 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pulvérisation de ladite poudre est réalisé par déplacement électrostatique des particules de poudre et déplacement dudit conducteur dans le nuage de poudre ainsi créé. 13 Procédé selon lune quelconque des revendications 1 à 12, caracté- risé en ce que ledit vernis comporte un polymère choisi dans le groupe comprenant: le polyesterimide modifié ou non; les polyesters; les epoxy; les polyamide-imides; les polyimides; les polyuréthanes; l'acétoformal de polyvinyle. 14 Conducteur électrique isolé, caractérisé en ce qu'il comprend une âme conductrice ( 12), au moins une couche de vernis ( 14, 18) et au moins une couche d'une poudre d'isolant minéral ( 16, 20) directement déposée de façon uniforme sur ledit vernis. Conducteur électrique isolé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de couche de vernis ( 14, 18) et une pluralité de couches de poudre isolante ( 16, 20) alternées, chaque couche de poudre adhérant de façon uniforme sur une couche de vernis. 16 Conducteur électrique isolé selon l'une quelconque des revendications 14 et 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une couche d'émail et/ou de guipage ( 60) réalisée directement sur Pâme conductrice ( 12). 17 Conducteur électrique isolé selon lune quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une isolation externe comportant au moins une couche de vernis ( 22) et/ou au moins une couche de guipage ( 62).