Deux méthodes d’assemblage envisagées

4.1.3.2.a Dépendance entre type de circuit magnétique et méthode d’isolation des bobinages

Les deux circuits ferromagnétiques constituant les colonnes externes et la colonne centrale sont des structures géométriques assez complexes avec des dimensions relativement petites (épaisseur des feuillets séparant les bobines variant de 1 à 1.5mm pour des largeurs d’encoches de 5 à 5.5mm). Des vues du circuit magnétique des bobines centrales, ainsi que de l’un des modules du circuit magnétique externe sont données en Figure 4-2.

(a) (b)

Figure 4-2: (a) pièce ferromagnétique des bobines centrales, (b) pièce ferromagnétique de l’un des modules externes

Deux solutions sont envisageables pour la réalisation de ces pièces en fonction du protocole d’isolation culasse/bobinages utilisé. En effet, comme précisé antérieurement, le choix du Cerafil comme conducteur pour la réalisation des bobines implique une certaine fragilité. Des tests d’isolation électrique ont montré que celle-ci résistait difficilement à l’étape de bobinage. En l’absence d’isolation supplémentaire entre les pièces

ferromagnétiques et les bobines, certaines d’entre elles se trouveront inévitablement au potentiel de la culasse du fait de courts-circuits.

Deux possibilités ont donc été envisagées et expérimentées sur des échantillons usinés spécifiquement:

- La première consiste à réaliser des coques isolantes en MACOR (cf. Figure 4-3). Les coques obtenues se logent aux emplacements des bobines et le bobinage est effectué à l’intérieur de ces coques.

Figure 4-3: Demi-coque isolante en MACOR

- Une seconde solution consiste à isoler toutes les pièces par dépôt d’alumine (cf. exemple Figure 4-4). Cette méthode nécessite cependant un réaménagement du circuit magnétique. En effet, le dépôt d’alumine est réalisé par torche plasma qui doit être placée à la perpendiculaire de la surface à traiter. Il est donc impossible d’effectuer ce dépôt sur un circuit magnétique fait d’une seule pièce, du fait des encoches. La colonne centrale, comme la colonne extérieure, doivent donc être segmentées afin de rendre accessible la totalité des surfaces mises en contact avec les bobines (cf. Figure 4-5).

Figure 4-4 : Dépôt d'alumine sur les faces du circuit magnétique en contact avec les bobines

Les deux méthodes présentent des avantages et des inconvénients: les demi-coques en MACOR sont plus épaisses que le dépôt d’alumine, ce qui diminue d’autant la section disponible pour le bobinage. Elles sont de plus très fragiles. Le dépôt d’alumine oblige quant à lui à diviser le circuit magnétique, ce qui ajoute des entrefers magnétiques entre chacune des pièces le constituant. Par ailleurs cette segmentation s’accompagne de moyens de fixations supplémentaires, tels que des vis logées dans le noyau de certaines bobines.

Des tests ont donc été effectués sur des échantillons afin d’évaluer la faisabilité technique de chaque méthode et de permettre de choisir la plus adaptée au cas présent.

(a) (b)

Figure 4-5: Discrétisation des circuits magnétiques en vue du dépôt d'alumine (a) circuit magnétique externe (b) circuit magnétique interne

4.1.3.2.b Réalisation de bobines tests

Deux circuits magnétiques, représentatifs respectivement d’une colonne externe et d’une colonne centrale du PPS Flex, ont été réalisés, afin de vérifier l’absence de problème lié au bobinage ou à la tenue en température pour chacune des deux méthodes d’isolation électrique envisagées. La colonne centrale échantillon est faite d’une seule pièce et servira de support aux demi-coques en MACOR avant de procéder au bobinage. La colonne externe échantillon sera, quant à elle, réalisée en deux pièces afin de permettre son isolation par dépôt d’alumine. Ces deux pièces seront ensuite assemblées par des vis passant à travers le noyau de la bobine. Un premier constat a été effectué à l’issue de l’étape de bobinage. Si le bobinage de la colonne externe, avec dépôt d’alumine, s’est déroulé sans encombre, il n’en va pas de même des pièces incluant les demi-coques en MACOR. Ces dernières n’ont pas résisté aux contraintes exercées et se sont brisées en de multiples fragments (cf. photos Figure 4-6). Cependant, même si ceci est fortement problématique du point de vue de la fiabilité des pièces, l’isolant remplit malgré tout son rôle et le MACOR, même fragmenté, est maintenu en place par le bobinage. Des tests de tenue en température seront donc maintenus sur ces pièces. Deux types de tests ont été effectués. La première série de test a consisté à placer les circuits magnétiques bobinés dans un four sans les alimenter pendant des cycles de deux heures à des températures allant croissantes (de 400°C à 600°C). La résistance de chacune des bobines tests est mesurée avant et après chaque cycle, après refroidissement. Le Tableau 4-1 décrit les résultats obtenus.

Une deuxième série de test a été effectuée afin de vérifier la tenue de l’isolation électrique lorsque les bobines sont alimentées. Les colonnes échantillons ont été placées dans un four à 400°C et ont été alimentées par un courant de 1, 2, et 4A. Un thermocouple relevait la température au cœur du bobinage. La température du bobinage a ainsi atteint 440°C en régime permanent, pour une alimentation de 4A. Aucune variation de la valeur de résistance des bobines n’a été relevée à l’issue de cette deuxième série de mesures.

(a) (b)

Figure 4-6 Bobines tests réalisées pour vérifier la faisabilité des deux méthodes d’isolation. (a) circuit interne massif et demi-coques en MACOR (b) circuit externe en deux pièces, avec dépôt d’alumine

avant les tests (T° ambiante) après 2h à 400°C (T° 50° C environ) après 2h à 500°C (T° 50°C environ) après 2h à 600°C (T° 80°C environ)

résistance bobine interne (ohms) 2.5 2.6 2.7 2.9

résistance bobine externe (ohms) 1.6 1.6 1.5 1.9

isolation culasse / fil interne ok ok ok ok

isolation culasse / fil externe ok ok ok ok

Tableau 4-1: test de tenue en températures effectués sur les bobinages tests

Les séries de test effectuées ont permis à la fois de valider les méthodes d’isolation électrique culasses/bobinages (les isolations par coque en Macor et par dépôt d’alumine ont toutes deux subi les tests sans présenter de détérioration notable) et de vérifier l’absence de problème relatif au fil employé pour le bobinage, qui est identique à celui retenu pour le PPS Flex (cerafil 0.6mm). Ce dernier est annoncé pouvoir tenir une température de 500°C en régime permanent, et 600°C en pointe, ce qui est confirmé ici puisqu’aucune variation notable de la résistance électrique n’est observée après un cycle de 2 heures à 600°C.

4.1.3.2.c Usinage du circuit magnétique

Les tests précédents ont permis de choisir la solution d’isolation à adopter pour le circuit magnétique. Les demi-coques en MACOR, du fait des exigences de finesse imposées, sont en effet trop fragiles et ne résistent pas aux efforts exercés lors du bobinage des pièces. Le dépôt d’alumine à, quant à lui, bien résisté au bobinage, ainsi qu’à la montée en température. C’est donc ce dernier qui a été choisi. Ce choix implique un circuit magnétique divisé en multiples pièces. Une vue du circuit magnétique assemblé est donnée en Figure 4-7. Soulignons qu’après usinage et avant de procéder au dépôt d’alumine, les pièces en fer Armco ont subi un recuit à 900°C afin de maximiser et stabiliser leurs propriétés magnétiques.

Figure 4-7: Circuit magnétique avant bobinage

4.1.3.3 Bobinages 4.1.3.3.a Réalisation

Le bobinage est réalisé à partir de cerafil de 0.6mm de diamètre. Ce fil est certifié pour la tenue au vide sans dégazage et conçu pour des environnements sévères en température (- 90°C à 500°C en régime permanent). Il est constitué d’une âme en alliage dont la résistivité est égale à 0.044.m-1, enrobée d’un isolant en céramique de très faible épaisseur (0.025mm). Le bobinage du FLEX a été effectué en visant le plus grand nombres de spires dans l’espace disponible pour chacune des bobines. On veille à conserver un nombre de spires identique pour chacune des bobines externes se trouvant sur un même étage, afin de ne pas générer de non homogénéité azimutale au niveau du champ magnétique produit dans le canal.

4.1.3.3.b Isolations additionnelles

Des passages de fil ont été prévus dans le circuit magnétique pour chacune des sorties de bobine. Afin de garantir l’isolation à ce niveau, des bagues en MACOR ont été usinées et intégrées en sortie de chacune des bobines, comme illustré Figure 4-8.

Figure 4-8: Vue des bagues d'isolation en MACOR

Bagues d’isolation en MACOR

Les bobinages seront amenés lors du fonctionnement du propulseur à subir des échauffements importants. Des dilatations des pièces ferromagnétiques et des bobinages sont donc à prévoir. Afin de prévenir toute distorsion et éclatement des bobines lors du fonctionnement du propulseur, des dominos de maintien avec des vis de précontrainte ont été prévus sur chaque colonne. Ils fonctionnent sur le principe d’un domino électrique et ont été usinés à partir de pièces massives en MACOR (Figure 4-9).

Figure 4-9: Domino de maintien des fils de bobine usiné en MACOR