Brevet FR2821480A1 — publié le 20020830

Câble conducteur à brins multiples mutuellement isolés avec certains brins non isolés individuellement, et bobine d'inductance pour forts courants incorporant au moins un tel câble L'invention a pour objet un câble conducteur à brins multiples pour utilisation dans des bobines d'inductance à forts courants, les brins étant préférablement constitués d'un même métal comme l'aluminium. Un tel câble est formé d'un nombre déterminé de brins conducteurs tous sensiblement de même section et chacun électriquement isolé des brins qui lui sont contigus. Il est connu que l'utilisation de câbles conducteurs à brins multiples mutuellement isolés permet de limiter les pertes dues au champ magnétique variable dans les bobines d'inductance de forte puissance. Un câble consiste généralement en un faisceau de brins entouré d'une gaine isolante. La structure à brins multiples permet que les faisceaux puissent être torsadés puis bobinés en enroulements cylindriques. Elle permet aussi de rendre les faisceaux relativement malléables dans mesure où la forme circulaire de la section d'un câble d'origine peut être modifiée par laminage. Le brevet EP 0092018 divulgue des faisceaux laminés en des formes rectangulaires de différentes dimensions, tous constitués d'un même nombre de brins conducteurs chacun recouvert d'un isolant afin d'être électriquement isolé des brins qui lui sont contigus. Une telle réalisation de câble n'est cependant pas optimale en matière de coût, et la demanderesse a cherché à diminuer le coût de revient des câbles en intervenant sur le coût global de l'isolation des brins conducteurs. La demanderesse a ainsi conçu différents câbles sur la base d'un même concept d'isolation mutuelle des brins conducteurs utilisés, permettant de diminuer globalement la quantité de produit nécessaire à cette isolation. A cet effet, l'invention a pour objet un câble conducteur à brins multiples pour utilisation dans des bobines d'inductance à forts courants, formé d'un nombre déterminé de brins conducteurs tous sensiblement de même section et chacun électriquement isolé des brins qui lui sont contigus, caractérisé en ce que les brins conducteurs consistent en une première série constituée de brins individuellement isolés électriquement et en une seconde série constituée de brins nus. Dans un mode de réalisation d'un câble selon l'invention, le câble est constitué d'un empilement d'au moins deux couches coaxiales successives de brins conducteurs de sections circulaires, lesdites couches étant disposées autour d'un brin conducteur central et formant une structure telle que deux couches consécutives présentent une différence de nombre de brins égale à six. Dans une première réalisation, le câble comprend deux couches coaxiales disposées autour d'un brin central nu. La première couche est constituée de brins tous individuellement isolés, la seconde couche étant constituée d'une alternance de brins individuellement isolés et de brins nus. Dans une seconde réalisation, le câble comprend trois couches coaxiales disposées autour d'un brin central isolé. La première couche est constituée d'une alternance de brins individuellement isolés et de brins nus, la seconde couche est constituée de brins tous individuellement isolés, et la troisième couche est constituée de neuf brins individuellement isolés et de neuf brins nus disposés en alternance. Dans un mode de réalisation d'un câble selon l'invention, le câble présente une section de forme approximativement rectangulaire, ladite forme étant obtenue par compression d'un câble initial de section circulaire selon deux directions radiales perpendiculaires. L'invention s'applique avantageusement à une bobine d'inductance pour forts courants telle que décrite dans le brevet EP 0092018, ce qui permet de réduire sensiblement le coût de fabrication d'une telle bobine. Une telle bobine d'inductance comporte des bobines individuelles coaxiales chacune formée par l'enroulement d'un câble comprimé à partir d'un câble initial selon l'invention. Dans un mode de réalisation d'une bobine d'inductance utilisant des câbles selon l'invention, les brins conducteurs d'une bobine individuelle ont une section qui est différente de celle des brins d'une autre bobine et qui est jusqu'à 20% inférieure à celle des brins des câbles initiaux. Dans un autre mode de réalisation, chaque brin conducteur d'une bobine individuelle a une section qui varie sur une partie de la longueur du brin. Des exemples de réalisation de câbles et bobines d'inductance selon l'invention sont décrits ci-après en rapports avec les figures suivantes. La figure 1 est une représentation schématique en coupe d'une réalisation d'un câble à dix neuf brins, selon l'invention. La figure la est une représentation schématique de la structure à deux couches et des propriétés de symétrie du câble à dix neuf brins représenté à la figure 1. La figure 2 est une représentation schématique en coupe d'une réalisation d'un câble à trente sept brins, selon l'invention. La figure 2a est une représentation schématique de la structure à trois couches et des propriétés de symétrie du câble à trente sept brins représenté à la figure 2. La figure 3 est une représentation schématique en coupe d'un câble obtenu par laminage d'un câble initial tel que représenté à la figure 2. La figure 4 est une représentation schématique en demi coupe longitudinale d'une bobine d'inductance pour forts courants, utilisant des câbles selon l'invention laminés en des formes rectangulaires. Un premier exemple de câble selon l'invention est représenté en coupe transversale à la figure 1. Ce câble comprend dix neuf brins conducteurs 10 de mêmes sections circulaires, qui consistent en une première série NI de douze brins 1 individuellement isolés électriquement et en une seconde série N2 constituée de sept brins nus 2. Un brin 1 est individuellement isolé électriquement, par exemple par un vernis ou un émail appliqué sur sa surface, et on qualifie de nu un brin conducteur 2 dont la surface métallique n'est recouverte d'aucun isolant. Comme représenté à la figure la, la structure du câble forme un empilement radial de deux couches coaxiales 5, 6 de brins, ces couches étant disposées autour d'un brin conducteur central 3 nu. On peut remarquer que tous les brins conducteurs 1 ou 2 d'une même première ou seconde série NI ou N2 sont disposés selon une symétrie axiale par rapport au brin central 3 qui constitue l'axe longitudinal du câble. La première couche 5 et la seconde couche 6 sont respectivement constituées de six brins et de douze brins. La seconde couche 6 est constituée d'une alternance de brins individuellement isolés 1 et de brins nus 2, et entoure la première couche 5 qui est constituée uniquement de brins individuellement isolés 1. Cette structure permet au câble de pouvoir être déformé dans certaines limites par une compression adéquate consistant en un laminage selon deux directions orthogonales, sans risquer une mise en contact de deux brins nus qui altèrerait l'isolation mutuelle des brins. Sur le plan économique, en comparaison avec les câbles classiques à dix neuf brins tous individuellement isolés, le câble réalisé selon l'invention permet à l'évidence de diminuer substantiellement la quantité d'émail ou de vernis utilisé. Les câbles à brins multiples préférablement utilisés dans l'invention possèdent une structure en couches coaxiales successives telle que deux couches consécutives présentent une différence de nombre de brins égale à six. Le nombre de brins constituant de tels câbles se calcule donc facilement en fonction du nombre de couches. Un câble à deux couches tel que décrit précédemment possède 1+6+12 soit 19 brins. Un second exemple de câble selon l'invention est représenté en coupe transversale à la figure 2. Comme représenté à la figure 2a, ce câble 9 est constitué de trois couches coaxiales successives 5, 6, et 7 de brins conducteurs 10 de mêmes sections circulaires. Ces couches sont disposées autour d'un brin conducteur central 4 individuellement isolé, contrairement au premier exemple où le brin central est nu. Le nombre de brins du câble se calcule comme la somme 1+6+12+18, soit 37 brins. De même que dans le premier exemple, la dernière couche est constituée d'une alternance de brins individuellement isolés 1 et de brins nus 2, et entoure l'avant-dernière couche qui est constituée uniquement de brins individuellement isolés 1. Cette réalisation d'un câble à 37 brins lui permet de pouvoir être comprimé dans certaines limites sans altérer l'isolation mutuelle des brins. On peut remarquer que tout brin conducteur nu 2 au niveau de la dernière couche 7 du câble est symétrique d'un brin conducteur isolé 1, selon une symétrie axiale par rapport au brin central 4. La figure 3 représente une coupe transversale d'un câble 9'obtenu par le laminage modéré d'un câble initial 9 à trois couches coaxiales circulaires tel que représenté à la figure 2. Il est connu du brevet EP 0092018 que des câbles à brins multiples tous individuellement isolés, de section circulaire, peuvent être comprimés dans certaines limites par laminage de façon à leur donner au moins approximativement une section rectangulaire. Le câble initial 9 selon l'invention, représenté à la figure 2, possède de même une section circulaire qui peut être comprimée jusqu'à obtenir une forme 8 approximativement rectangulaire qui présente une largeur e et une hauteur h. Le rapport e/h se situe dans une certaine fourchette en fonction du type de brins utilisés dans un câble initial 9 et du type d'isolant utilisé pour les brins, de façon à conserver une isolation suffisante entre les brins après la compression par laminage du câble initial. Les bornes inférieures et supérieures de la fourchette ne sont pas figées à la date de la demande pour un type de câble initial et d'isolation donné, car elles dépendent des résultats des tests de validation de l'isolation d'un câble 9'laminé. La demanderesse a pu vérifier que parmi les différentes techniques d'isolation connues comme le vernissage, l'émaillage ou encore l'oxydation, applicables aux brins conducteurs d'un câble selon l'invention, il existe une technique d'émaillage avec un type d'émail qui supporte parfaitement les contraintes produites par le laminage dans une fourchette du rapport e/h comprise entre 0,7 et 1,5. Il n'est toutefois pas exclu que cette fourchette puisse encore être élargie, par exemple entre 0,5 et 2, suite à des tests de validation complémentaires. De même, de nouveaux procédés ou produits d'isolation encore plus résistants aux contraintes mécaniques pourraient être développés pour augmenter encore les limites acceptables de déformation d'un câble initial. La figure 4 représente en demi coupe longitudinale une bobine d'inductance pour forts courants utilisant des câbles conducteurs à brins multiples laminés en des formes rectangulaires, telle que décrite dans le brevet EP 0092018, mais où les câbles utilisés sont des câbles 9'avec certains brins non isolés individuellement, selon l'invention. La bobine d'inductance comporte ici trois bobines individuelles 11 réalisées chacune par bobinage d'un câble 9'en spires isolées entre elles. De façon classique, les bobines 11 sont disposées l'une dans l'autre de façon coaxiale autour de l'axe A de symétrie de la bobine d'inductance, pour ménager entre elles des volumes d'air cylindriques 12 nécessaires à l'isolation électrique et à leur refroidissement. Elles présentent entre elles des nombres de spires qui diminuent avec leur diamètre tout en conservant approximativement une même hauteur axiale d'enroulement H. Ainsi que décrit précédemment, les câbles 9'sont constitués de brins conducteurs 1 et 2 qui sont isolés électriquement entre eux, et sont comprimés en des formes 8 de différentes dimensions dans la direction de l'axe A de la bobine. Un grossissement de la section d'un câble 9'est représenté à droite de la figure. La bobine individuelle centrale du câble 9'est représentée sur le dessin avec un rapport el/hl environ égal à 2, ce qui en pratique constitue une valeur limite du rapport e/h qui n'est pas encore validée à la date de la demande. Du fait que le nombre de spires d'une bobine individuelle diminue avec le diamètre de l'enroulement, la forme 8 de la section de chaque câble 9'présente un rapport e/h qui généralement diminue aussi avec ce diamètre. Dans un mode de réalisation économique de la bobine d'inductance, les câbles 9' formant les bobines individuelles 11 sont tous réalisés à partir de câbles initiaux 9 identiques. Les brins conducteurs 10 d'un câble 9'sont alors tous sensiblement de même section pour une bobine 11 donnée. Bien que le mode de réalisation le plus simple consiste à utiliser des câbles 9'de mêmes sections de conduction pour toutes les bobines individuelles 11, la demanderesse a conçu un autre mode de réalisation dans lequel les bobines 11 présentent entre elles des sections de conduction relativement différentes. Ce résultat peut paraître surprenant compte tenu du fait que dans cette réalisation économique, les bobines 11 sont toutes formées à partir de câbles initiaux 9 identiques. Il s'explique par le fait que la demanderesse a pu constater par des essais appropriés qu'un câble initial 9 peut être étiré longitudinalement lors de l'opération de compression par laminage, jusqu'à une certaine limite d'élongation des brins, sans détérioration de l'isolant utilisé qui recouvre la première série de brins. Ainsi, le câble 9'obtenu présente une section de conduction qui peut être jusqu'à environ 20% inférieure à celle du câble initial. Il existe donc deux options de réalisation économique d'une bobine d'inductance selon l'invention : une première où toutes les bobines individuelles 11 ont la même section de conduction, et une seconde où au moins deux bobines individuelles 11 présentent entre elles des sections de conduction relativement différentes. Cette seconde option peut présenter des avantages techniques intéressants, avec notamment la possibilité de réaliser une bobine 11 centrale de section de conduction différente de celles des bobines qui l'entourent, afin de limiter l'échauffement au centre de la bobine d'inductance où le refroidissement est moins efficace qu'en périphérie. Bien entendu, d'autres agencements peuvent être réalisés, par exemple où toutes les bobines 11 sont de même section sauf la bobine 11 périphérique, laquelle peut posséder une densité de courant supérieure du fait qu'elle est mieux refroidie que les bobines intérieures de par sa position. Il est évident que la bobine d'inductance réalisée dans cette seconde option peut aussi être réalisée de façon moins économique à partir de câbles initiaux 9 dont au moins deux possèdent des sections de conduction relativement différentes. Il faut alors disposer d'au moins deux types de câbles à brins multiples pour entamer la fabrication de la bobine d'inductance. La seconde option décrite ci dessus peut encore se décliner en différentes réalisations dans lesquelles l'étirement longitudinal d'un câble 9 lors du laminage n'est pas effectué uniformément sur la longueur de câble utilisée pour une bobine individuelle 11. Ainsi, les brins 1 et 2 d'un câble 9'd'une bobine 11 peuvent présenter chacun des sections qui varient sur une partie de leur longueur. En particulier, la section d'un brin peut être prévue plus grande vers l'extrémité du câble en partie basse de la bobine d'inductance que sur la partie restante de la longueur du brin, car la partie basse d'un câble est mieux refroidie que le restant du câble. Ainsi, à partir de câbles initiaux 9 identiques, il existe plusieurs réalisations différentes d'une bobine d'inductance selon l'invention. REVENDICATIONS 1/Câble conducteur à brins multiples pour utilisation dans des bobines d'inductance à forts courants, formé d'un nombre déterminé (N) de brins conducteurs (10) tous sensiblement de même section et chacun électriquement isolé des brins qui lui sont contigus, caractérisé en ce que lesdits brins conducteurs consistent en une première série (NI) constituée de brins individuellement isolés électriquement (1) et en une seconde série (N2) constituée de brins nus (2). 2/Câble conducteur selon la revendication 1, dans lequel le câble est constitué d'un empilement d'au moins deux couches coaxiales successives de brins conducteurs (10) de sections circulaires, lesdites couches étant disposées autour d'un brin conducteur central (3,4) et formant une structure telle que deux couches consécutives présentent une différence de nombre de brins égale à six. 3/Câble conducteur selon la revendication 2, dans lequel la dernière couche est constituée d'une alternance de brins individuellement isolés (1) et de brins nus (2), et dans lequel cette dernière couche entoure une avant-dernière couche constituée de brins tous individuellement isolés (1). 4/Câble conducteur selon la revendication 3, dans lequel le câble comprend deux couches coaxiales (5,6) disposées autour d'un brin central nu (3). 5/Câble conducteur selon la revendication 3, dans lequel le câble comprend trois couches coaxiales (5,6, 7) disposées autour d'un brin central isolé (4). 6/Câble conducteur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le câble (9') présente une section de forme (8) approximativement rectangulaire, ladite forme étant obtenue par compression d'un câble initial (9) de section circulaire selon deux directions radiales perpendiculaires. 7/Câble conducteur (9,9') selon l'une des revendications 4 et 6, dans lequel tous les brins conducteurs (1,2) d'une même première ou seconde série (Ni, N2) sont disposés selon une symétrie axiale par rapport au brin central (3). 8/Câble conducteur (9,9') selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel tout brin conducteur nu (2) au niveau de la dernière couche (7) est symétrique d'un brin conducteur isolé (1) selon une symétrie axiale par rapport au brin central (4). 9/Bobine d'inductance pour forts courants, comportant au moins deux bobines individuelles (11) réalisées chacune par bobinage d'un câble conducteur isolé, lesdites bobines (11) étant disposées l'une dans l'autre de façon coaxiale autour de l'axe (A) de symétrie de la bobine d'inductance pour ménager entre elles des volumes d'air (12) et présentant entre elles des nombres de spires qui diminuent avec leur diamètre tout en conservant approximativement une même hauteur axiale d'enroulement (H), lesdits câbles conducteurs étant constitués de brins multiples isolés électriquement entre eux et étant comprimés en des formes (8) de différentes dimensions dans la direction de l'axe (A) de la bobine, caractérisée en ce qu'au moins une bobine individuelle (11) est formée à partir d'un câble conducteur (9') qui comporte un certain nombre de brins nus (2), les autres brins (1) étant électriquement isolés. 10/Bobine d'inductance selon la revendication 9, dans laquelle les câbles (9') formant les bobines individuelles (11) sont tous réalisés à partir de câbles initiaux (9) identiques de même section circulaire, les brins conducteurs (10) d'une même bobine individuelle (11) étant tous sensiblement de même section. 11/Bobine d'inductance selon la revendication 10, dans laquelle les brins conducteurs (10) d'une bobine individuelle (11) ont une section qui est différente de celle des brins d'une autre bobine (11) et qui est jusqu'à 20% inférieure à celle des brins desdits câbles initiaux (9). 12/Bobine d'inductance selon la revendication 11, dans laquelle chaque brin conducteur (10) d'une bobine individuelle (11) a une section qui varie sur une partie de la longueur du brin. 13/Bobine d'inductance selon l'une des revendications 9 à 12, dans laquelle au moins une bobine individuelle (11) est formée par l'enroulement d'un câble selon la revendication 6.