Brevet FR2740260A1 — publié le 19970425

La présente invention concerne le bobinage de bobines électriques, telles que des bobines de transformateur haute tension. L'invention vise plus spécifiquement un bobinage particulier permettant d'éviter des problèmes d' isolation entre deux spires adjacentes de deux couches successives. Une bobine électrique comporte généralement des couches de spires axiales, c'est-à-dire que chaque couche comporte des spires bobinées côte à côte parallèlement à l'axe de la bobine. Le plus souvent, la bobine comporte beaucoup plus de spires dans le sens axial que dans le sens radial. Un inconvénient d'une telle bobine est que deux spires adjacentes de deux couches successives peuvent être séparées par un grand nombre de tours, de sorte qu'elles sont saumises à une différence de potentiel trop élevée pour l'isolant des spires, généralement un émail. On est donc contraint d'interposer des couches d'isolant entre les couches de spires, ce qui rend la bobine plus encombrante et sa réalisation plus complexe. Pour éviter cet inconvénient, dans la demande de brevet européen 0 518 737, il est proposé de bobiner les spires en couches obliques. Une bobine obtenue par cette méthode présente l'inconvénient d'être encombrante car elle a une section trapézoïdale qui implique nécessairement que le diamètre externe de la bobine est plus grand, pour un nombre de spires donné, que celui d'une bobine à section rectangulaire. L'encombrement de la bobine est encore augmenté par le fait qu'elle comporte un grand nombre de spires croisées qui empêchent un disposition jointive des spires. Du fait des nombreux croisements de spires, cette méthode de bobinage n' est pas applicable à des conducteurs de grand diamètre ou de section rectangulaire. Un objet de la présente invention est de prévoir une bobine de faible encombrement permettant d'éviter les problèmes d'isolation entre deux spires adjacentes de couches successives. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit une bobine comprenant une pluralité de couches de spires bobinées autour d'un axe, les couches étant radiales et bobinées alternativement de l'intérieur vers l'extérieur et de l'extérieur vers l'intérieur. Selon un mode de réalisation de l'invention, les conducteurs de la bobine sont de section rectangulaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, le grand axe de la section rectangulaire des conducteurs est perpendiculaire à l'axe de la bobine. Selon un mode de réalisation de l'invention, les conducteurs de la bobine sont de section circulaire, chaque couche comprenant le même nombre de spires que la précédente et étant décalée radialement par rapport à la couche précédente d'un demi-diamètre de conducteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque spire de la bobine comporte plusieurs conducteurs dans le plan de la couche associée. La présente invention vise également un appareil pour bobiner des bobines du type susmentionné. L'appareil comprend des guides tournants internes et externes répartis dans le plan d'une couche de spires en cours de bobinage. Les guides externes sont escamotables à partir d'une position de contact avec les guides internes de manière à suivre le diamètre extérieur d'une couche en cours de bobinage de l'intérieur vers l'extérieur. Les guides internes sont escamotables à partir d'une position de contact avec les guides externes de manière à suivre le diamètre intérieur dune couche en cours de bobinage de ltextérieur vers l'intérieur. Un moyen de guidage fixe amène un conducteur à bobiner dans le plan des guides tournants et maintient une première face de la couche en cours de bobinage.Un mécanisme est prévu pour effectuer un décalage axial d'une couche terminée vers un magasin du côté opposé au moyen de guidage. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de guidage et le mécanisme de décalage comprennent conjointement une pluralité de rouleaux à axe radial répartis sur la première face de la couche en cours de bobinage, ces rouleaux étant prévus pour pénétrer axialement entre les guides tournants externes et internes pour décaler une couche terminée. Selon un mode de réalisation de l'invention, le magasin comporte un plateau pour maintenir les couches bobinées du côté opposé au moyen de guidage, ce plateau étant escamotable axialement lors du refoulement de chaque couche terminée. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 illustre schématiquement une bobine selon l'invention en cours de réalisation les figures 2A et 2B représentent une vue de face et une vue de côté d'une couche de spires selon la présente invention et le départ de la couche de spires suivante la figure 2C représente, en vue de côté, plusieurs couches de spires selon la présente invention, telles qu'elles se forment en pratique la figure 3 représente schématiquement plusieurs variantes de couches de spires selon l'invention la figure 4 représente une vue de face d'un appareil de bobinage selon l'invention, subdivisé en secteurs correspondant à des étapes de bobinage cet et les figures 5A et 5B représentent des vues de côté en coupe d'une partie de l'appareil de la figure 4 à deux étapes de bobinage. La figure 1 représente un cylindre 10 d'axe A, autour duquel on veut enrouler une bobine. Selon l'invention, la bobine est réalisée par couches radiales, c'est-à-dire que chaque couche comporte plusieurs spires enroulées successivement dans un même plan perpendiculaire à l'axe A de la bobine. A la figure 1, l'ordre de bobinage des spires est indiqué par des nombres croissants à partir de 1. En outre, selon un aspect de l'invention, les couches sont bobinées alternativement de l'intérieur vers l'extérieur et de l'extérieur vers l'intérieur. Par exemple, à la figure 1, la première couche comporte cinq spires bobinées de l'intérieur vers l'extérieur. Après avoir bobiné la dernière spire 5, la première spire 6 de la couche suivante est bobinée à côté de la spire 5 et les spires suivantes 7 à 10 sont bobinées vers l'intérieur (c'est-à-dire vers l'axe A) en partant de la spire 6. Avec cette configuration, le nombre de tours séparant deux spires de deux couches adjacentes est inférieur à deux fois le nombre de spires dans le sens radial. La plupart du temps, le rapport entre le nombre de spires dans le sens radial et le norn- bre de spires dans le sens axial est si faible qu'il n'est plus nécessaire de disposer d'isolant entre les couches successives. Par ailleurs, la section de la bobine obtenue est rectangulaire et présente donc un encombrement optimal. Le fait de bobiner alternativement vers l'extérieur et vers l'intérieur permet d'obtenir une transition naturelle et automatique d'une couche de spires vers la suivante de manière que les couches soient jointives. Les figures 2A et 2B représentent une vue de face et une vue de côté d'une première couche de spires selon l'invention et du début d'une deuxième couche de spires. Les spires successives 1 à 5 constituent une spirale plutôt qu'une succession de cercles, notamment lorsque le diamètre du conducteur utilisé est grand. Ainsi, l'avant-dernière spire 4 de la première couche atteint progressivement, comme cela est représenté en pointillés à la figure 2A, le diamètre extérieur de la bobine. La dernière spire 5 reste dans le plan des spires 1 à 4 jusqu'à ce qu'elle atteigne le point (en bas) où la spire 4 commence à rejoindre progressivement le diamètre extérieur.A partir de ce point, la spire 5 s' inscrit dans le diamètre extérieur en passant progressivement à côté de la spire 4 jusqu'à ce qu'elle se termine dans le plan de la deuxième couche de spires qui camnence par la spire 6 (en haut). Camme cela est représenté en trait mixte à la figure 2A, la spire 6 s'inscrit dans le diamètre extérieur en passant à côté de la spire 5 jusqu'au point (en bas) où la spire 5 commence sa transition latérale vers la deuxième couche. A partir de ce point, la spire 6 se décale progressivement vers l'intérieur, tout en restant en contact avec la première couche, pour initier une spirale allant progressivement vers le cylindre 10. Les figures 2A et 2B correspondent à un cas théorique. La transition progressive de la spire 5 vers la spire 6, dont le début a été représenté en bas aux figures 2A et 2B, est en fait rapide et commence plus tard, pratiquement du côté du début de la couche (à la partie supérieure des figures 2A et 2B). La figure 2C illustre plusieurs transitions d'une couche à la suivante, telles qu'elles se présentent en réalité. Elles sont dues au fait que l'espace représenté vide entre le cylindre 10 et la fin de la spire 1 est en fait comblé par la fin de la spire 1 ; la spirale est aplatie dans le quadrant supérieur gauche à la figure 2A. Si le conducteur utilisé pour bobiner est de section rectangulaire, les transitions d'une couche de spires à la suivante ne peuvent se faire que rapidement, même en théorie. Ces transitions rapides ne présentent bien entendu aucun inconvénient, puisque les couches de spires restent jointives. La figure 3 illustre trois variantes pratiques d'une bobine réalisée selon l'invention. Lorsqu'on utilise un conducteur à section circulaire, comme cela a été représenté à titre d'exemple dans les figures précédentes, les spires ont en fait tendance à se décaler d'un demi-diamètre radialement d'une couche à l'autre pour trouver une position stable. Une bobine selon l'invention peut alors avoir deux variantes de configuration illustrées à gauche et au centre de la figure 3. Selon une première variante, des couches comportant un nombre donné de spires sont séparées par des couches comportant une spire de moins et décalées d'un demi-diamètre de conducteur vers l'extérieur. Selon la deuxième variante, les couches comportent le même nombre de spires mais elles sont décalées alternativement vers l'extérieur et vers l'intérieur d'un demi-diamètre de conducteur. Le décalage des spires d'une couche à la suivante entraîne une diminution de l'encombrement axial de la bobine, la longueur de la bobine obtenue étant légèrement inférieure au nombre de spires axiales de la bobine multiplié par leur diamètre. Toutefois, cette réduction d'encombrement n'est pas uniforme car, à une certaine position, chaque spire d'une couche croise deux spires de la couche précédente dans la première variante (à gauche) ou une spire de la couche précédente dans la deuxième variante (au centre). Ainsi, la réduction d'encombrement n'a pas lieu dans les zones de croisement, ce qui provoque une irrégularité de la section de la bobine. On préférera la deuxième variante (au centre) qui fournira une section moins irrégulière. A droite de la figure 3 est illustrée partiellement une bobine obtenue à l'aide d'un conducteur à section rectangulaire. Avec un conducteur à section rectangulaire, les problèmes qui viennent d'être évoqués disparaissent. On obtient une bobine de section parfaitement rectangulaire. De préférence, carme cela est représenté, le grand axe de la section rectangulaire est perpendiculaire à l'axe A de la bobine. Ceci facilite le procédé de bobinage au niveau des transitions d'une couche à la suivante. La figure 4 représente un appareil permettant de réaliser des bobines à couches radiales selon l'invention. L'appareil est représenté à quatre étapes différentes de bobinage, numérotées de 1 à 4. L' appareil comprend un espace annulaire 20 dans lequel est bobinée chaque couche radiale de spires. Cet espace 20 est délimité entre un plateau externe 21 et un plateau interne 22 situés dans un meme plan. Le plateau externe 21 comporte une pluralité de guides externes 24e répartis à la périphérie externe de l'espace annulaire 20. Les extrémités internes des guides 24e sont en forme d'arc de cercle de diamètre sensiblement égal au diamètre externe de l'espace annulaire 20. De même, plusieurs guides internes 24i sont répartis à la périphérie du plateau interne 22 en correspondance avec les guides externes 24e. Les extrélmités externes des guides 24i sont en forme d'arc de cercle de diamètre sensiblement égal au diamètre interne de 1' espace annulaire 20.Chacun des guides 24 est susceptible de coulisser entre une position d'ouverture de l'espace annulaire 20 et une position de fermeture de cet espace. Une pluralité de rouleaux à axe radial 26 sont répartis sur 1' espace annulaire 20 et roulent sur une face d'une couche de spires en cours de bobinage. Bien entendu, pour que les rouleaux 26 ne soient pas gênés dans leur roulement, les guides 24 sont disposés dans des rainures suffisamnent profondes. Dans une étape initiale, non-représentée, au début du bobinage d'une couche de l'intérieur vers l'extérieur, les guides internes 24i sont escamotés radialement pour définir le diamètre interne de la couche, et les guides externes 24e sont en contact avec les guides internes 24i correspondants. Le diamètre interne peut être choisi à une valeur quelconque, supérieure au diamètre du plateau 22. A l'étape 1, les plateaux 21, 22 et les guides 24 sont entraînés en rotation, dans le sens horaire à la figure 4, tandis que les rouleaux 26 restent fixes et roulent sur les bords de l'espace annulaire 20. Un conducteur 28 à bobiner arrive tangentiellement à l'espace annulaire 20 au niveau de l'un des rouleaux 26 qui redresse le conducteur 28 pour l'amener dans le plan des plateaux 21 et 22, c'est-à-dire dans le plan de la couche en cours de bobinage. Le conducteur 28 doit être redressé car, comme cela est représenté dans une vue locale selon une flèche F, le conducteur 28 arrive avec un angle d'incidence inévitable par rapport aux plateaux 21 et 22. Au fur et à mesure que les plateaux tournent, les spires s'accumulent dans l'espace 20 de l'intérieur vers l'extérieur grâce à la tension du conducteur 28 et au fait que les rouleaux 26, en nombre suffisant, maintiennent les spires dans évidement 20 en empêchant que la spire en cours de formation ne croise la spire précédemment formée. A chaque fois qu'un guide externe 24e passe sous le rouleau 26 au niveau duquel arrive le conducteur 28, ce guide 24 est repoussé vers l'extérieur d'un pas par la nouvelle spire en cours de formation. La figure 5A illustre une vue en coupe partielle de l'appareil de la figure 4 à l'étape 1. Cette figure SA représente des couches de spires précédemment bobinées, qui ont été empilées dans un magasin situé au fond de l'espace annulaire 20, derrière la couche en cours de bobinage. Ces couches précédemment bobinées sont maintenues contre la couche en cours de bobinage et contre les guides 24 par un plateau 30. L'action combinée du plateau de magasin 30, des guides 24, et des rouleaux 26 assure le maintien à plat des couches bobinées. Comme cela est représenté, les guides 24 ont une épaisseur inférieure au diamètre du conducteur à bobiner, ce qui favorise le maintien à plat de la couche en cours de bobinage par les rouleaux 26. La spire en cours de bobinage n'a d'autre possibilité que de se former radialement en repoussant le guide 24e. De préférence, les guides 24 comportent des chanfreins qui favorisent leur écartement par la spire en cours de formation. Les couches précédemment bobinées sont stockées par tout moyen adéquat, par exemple entre un cylindre interne 32i et un cylindre externe 32e rapportés à l'arrière des plateaux 21 et 22, et tournant avec ceux-ci. De tels cylindres, généralement en carton, sont couramment employés pour manipuler des bobines de grandes dimensions. Dans 1' étape 2 représentée à la figure 4, la dernière spire de la couche vient d'être formée. Le diamètre externe atteint peut être choisi à une valeur quelconque, inférieure au diamètre interne du plateau 21. La couche qui vient d'être bobinée doit être refoulée vers le magasin situé derrière. Pour cela, par exemple, les couples de guides 24i et 24e sont amenés en correspondance avec les rouleaux 26 et les guides 24i et 24e sont écartés suffisamment les uns des autres pour permettre aux rouleaux 26 de pénétrer dans l'espace annulaire 20 et ainsi refouler vers le magasin la couche qui vient d'être bobinée. La figure 5B illustre cette opération dans une vue de côté en coupe. En meme temps que le rouleau 26 refoule la dernière couche bobinée, le plateau 30 du magasin est bien entendu libéré pour permettre ce refoulement. Selon une variante, le plateau 30 est fixe et c'est I'ensemble des plateaux tournants 21, 22 et des guides 24 qui est décalé d'un diamètre de conducteur, vers la droite dans la figure 5B. Dans 1' étape 3 représentée à la figure 4, les rouleaux 26 ont retrouvé leur position initiale, les guides externes 24e sont amenés à une position définissant le diamètre externe de la nouvelle couche, et les guides internes 24i sont amenés en contact avec les guides externes 24e. Les guides 24 ainsi placés empêchent la dernière couche bobinée de se défaire. Pour éviter qu'elle ne se défasse au moment où les rouleaux 26 rejoignent leur position initiale et avant que les guides 24 puissent être mis en place, ces opérations sont effectuées en au moins deux passes. Dans une première passe, elles sont effectuées dans les secteurs pairs des plateaux tournants tandis que la couche est maintenue en place dans les secteurs impairs.Dans la deuxième passe, les opérations sont effectuées dans les secteurs impairs, la couche étant maintenue au niveau des secteurs pairs. Dans l'étape 4, une couche est en cours de bobinage de l'extérieur vers l'intérieur à partir de l'état de l'étape 3. Camme au cours de l'étape 1, les plateaux 21, 22 ainsi que les guides 24 sont entraînés en rotation dans le sens horaire. A chaque fois qu'un couple de guides 24 passe sous le rouleau 26 par lequel est alimenté le conducteur 28, le guide interne 24i est repoussé d'un pas vers l'intérieur par la nouvelle spire en cours de formation. En fait, dans cette étape de bobinage, les spires sont enroulées autour des guides internes 24i. On constate donc qu'il faut prévoir un nombre relativement important de guides internes 24i de manière à couvrir le mieux possible le diamètre interne de l'espace annulaire 20. En effet, il se forme inévitablement des parties droites non souhaitées dans les spires au niveau des secteurs non couverts par des guides 24i adjacents. Une fois que le diamètre interne souhaité est atteint, la couche qui vient d'être bobinée est refoulée dans le magasin de la manière décrite en relation avec les étapes 2 et 3, les guides internes 24i étant ensuite positionnés pour déterminer le diamètre interne d'une nouvelle couche à bobiner, et les guides externes 24e étant amenés au contact des guides internes 24i. Les étapes 1 à 4 sont alors répétées. De préférence, tous les éléments mobiles de l'appareil sont commandés par des vérins, par exemple pneumatiques ou électriques. En coupant l'alimentation des vérins des guides 24, la position de ces guides est assurée avec une rigidité relativement importante. Aux étapes 1 et 4, le vérin associé au guide qui doit être repoussé par la spire en cours de formation est libéré. La position de libération est déterminée, par exemple, par un capteur qui détecte l'approche du rouleau 26 au niveau duquel est alimenté le conducteur 28. De manière similaire, le vérin du plateau de magasin 30 est déplacé au moment où le rouleau 26 refoule la dernière couche bobinée. De nombreuses variantes et modifications de la présente invention apparaîtront à l'homme du métier. Par exemple, si on dispose de place entre les couples de guides 24, les rouleaux 26 peuvent être prévus pour refouler les couches successives vers le magasin ailleurs qu'au niveau des couples de guides 24, de manière que ces guides 24 puissent tous être mis en place simultanément tandis que tous les rouleaux 26 sont encore dans une position de refoulement. Ceci facilite la commande des rouleaux et des guides par rapport à ce qui a été décrit, car l'ensemble des rouleaux et l'ensemble des guides peuvent être commandés simultanément. Selon une variante, on peut prévoir que les guides 24 soient évidés de manière qu'ils puissent être mis en place en évitant les rouleaux tandis que ces rouleaux sont encore dans une position de refoulement. Les plateaux 21, 22 et les guides 24 ont été décrits comme tournants, les rouleaux 26 étant fixes. Il est clair que les plateaux 21, 22 et les guides 24 pourraient être fixes et les rouleaux 26 tournants. Bien entendu, la présente invention s'applique dans le cas où l'on souhaite bobiner plusieurs conducteurs 28 à la fois. Les plusieurs conducteurs sont alors bobinés en même temps dans une meme couche. L'invention n'est pas limitée à des spires de section circulaire. Elle s'applique à des spires de section quelconque, déterminée par le déplacement des guides 24. REVEtWICkllONS 1. Bobine comprenant une pluralité de couches de spires (1-11) bobinées autour d'un axe (A), caractérisée en ce que les couches sont radiales et bobinées alternativement de l'intérieur vers l'extérieur et de l'extérieur vers l'intérieur. 2. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les conducteurs de la bobine sont de section rectangulaire. 3. Bobine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le grand axe de la section rectangulaire des conducteurs est perpendiculaire à l'axe (A) de la bobine. 4. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les conducteurs de la bobine sont de section circulaire, chaque couche comprenant le même nombre de spires que la précédente et étant décalée radialement par rapport à la couche précédente d'un demi-diamètre de conducteur. 5. Bobine selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque spire de la bobine comporte plusieurs conducteurs dans le plan de la couche associée. 6. Appareil pour bobiner des bobines selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend - des guides de bobinage internes (24i) et externes (24e) répartis dans le plan d'une couche de spires en cours de bobinage, les guides externes étant escamotables à partir d ' une position de contact avec les guides internes de manière à suivre le diamètre extérieur d ' une couche en cours de bobinage de l'intérieur vers l'extérieur, et les guides internes étant escamotables à partir d'une position de contact avec les guides externes de manière à suivre le diamètre intérieur d ' une couche en cours de bobinage de l'extérieur vers l'intérieur - un moyen de guidage fixe (26) pour amener un conducteur à bobiner (28) dans le plan des guides de bobinage et pour maintenir une première face de la couche en cours de bobinage et - un mécanisme (26) de décalage axial d'une couche terminée vers un magasin du côté opposé au moyen de guidage. 7. Appareil de bobinage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de guidage et le mécanisme de décalage comprennent conjointement une pluralité de rouleaux (26) à axe radial répartis sur la première face de la couche en cours de bobinage, ces rouleaux étant prévus pour pénétrer axialement entre les guides de bobinage externes et internes pour décaler une couche terminée. 8. Appareil de bobinage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le magasin comporte un plateau (30) pour maintenir les couches bobinées du côté opposé au moyen de guidage, ce plateau étant escamotable axialement lors du refoulement de chaque couche terminée.