TITRE : Bobinage inducteur pour moteur à plasma stationnaire.

Domaine technique de l'invention

L’invention concerne un bobinage inducteur, en particulier pour un moteur de satellite à plasma fonctionnant selon l’effet hall.

Arrière-plan technique

Les récents développements en termes de propulsion spatiale conduisent à envisager l’utilisation de plus en plus fréquente de propulseurs à effet hall, aussi appelés moteurs à plasma stationnaire, fonctionnant selon l’effet hall pour la motorisation de satellites, par exemple pour des opérations en orbite basse. Un moteur à plasma stationnaire est un type de propulseurs à plasma qui utilise un champ électrique pour accélérer des ions. Il est dit à effet hall car il utilise un champ magnétique pour piéger les électrons qui servent à ioniser un gaz. Les ions sont alors accélérés et produisent une poussée. Les gaz utilisés peuvent être de différents types. Le Xénon est le gaz le plus couramment utilisé mais il est également possible d’utiliser du Krypton, du Bismuth, de l’Argon, de l’Iode, du Magnésium, et du Zinc.

Un tel moteur est capable d’accélérer les gaz à une vitesse comprise entre 10 km/s et 80 km/s, pour des impulsions de l’ordre de quelques milliers de secondes. La poussée pouvant être produite par un tel moteur varie en fonction de la puissance électrique qui lui est fournie. Les applications de tels moteurs sont principalement le contrôle de l’orientation et de la position des satellites en orbite, et également pour la motorisation principale de robots spatiaux de taille moyenne.

Les moteurs à plasma stationnaire nécessitent la génération d’un champ magnétique. Pour ce faire on utilise des bobines ou bobinages inducteurs. De telles bobines sont soumises à un environnement sévère, notamment du fait de la présence de micrométéorites dans l’environnement dans lequel évolue le satellite. Ces micrométéorites peuvent endommager l’isolant des fils des bobines et par conséquent court-circuiter les bobinages, avec pour effet une réduction du nombre de spires et une altération du champ magnétique produit par ces bobines. De plus, ces bobines sont soumises à des températures élevées et il est nécessaire de les protéger de toute élévation exagérée de température. Un tel moteur est par exemple décrit dans le document JP-2007.257842-A. II est donc nécessaire d’apporter un soin tout particulier à la fabrication de ces bobines et d’utiliser pour la réalisation des bobinages des conducteurs comportant une isolation renforcée.

Les fils utilisés sont généralement des câbles à isolation inorganique, dont l’isolation est réalisée en un matériau céramique. Or, ce matériau céramique est relativement fragile et il est nécessaire de lui apporter une protection supplémentaire.

De tels fils revêtus d’un revêtement supplémentaire sont divulgués dans les documents US-5.636.434-A1 , US- 2017/0011820, US-9.508.4614-B2. Toutefois, ils n’ont pas été appliqués à la fabrication de bobinages de moteurs à plasma stationnaire, avec les contraintes que cela implique. B

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Résumé de l'invention

5 L’invention propose d’assurer cette protection en réalisant une imprégnation du câble utilisé pour la réalisation des bobinages inducteurs à l’aide d’un revêtement silicone résistant aux hautes températures.

Dans ce but, l’invention propose un bobinage inducteur, en 10 particulier pour un moteur de satellite à plasma fonctionnant selon l’effet hall, ce bobinage inducteur comportant un noyau sur lequel est enroulé un conducteur, caractérisé en ce que ce conducteur comporte un câble à isolation inorganique imprégné avec un revêtement silicone résistant à des températures élevées jusqu’à 15 593°C.

Selon d’autres caractéristiques du bobinage :

- le câble à isolation inorganique comporte une âme rigide en 20 alliage de cuivre et de nickel recouverte d’un isolant céramique,

- le revêtement silicone est adapté à des températures d’utilisation comprises entre -70°C et 400°C, est isolant électriquement, présente une température de séchage inférieure à 300 °C, une conductivité thermique supérieure à 1W/m/°C et un

25 coefficient d’expansion thermique supérieur à 5.10 ⁶ /K.

- le noyau présente un rayon de courbure au moins égal à au moins cinq fois le diamètre du câble à isolation inorganique.

L’invention concerne aussi un outillage pour la fabrication 30 d’un bobinage inducteur du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu’il comporte :

- un dévidoir recevant une bobine du câble à isolation inorganique ; - un bac d’imprégnation, recevant le composé silicone dissous dans un solvant, traversé par ledit câble à isolation inorganique, et comportant au moins une roulette intérieure au bac configurée pour assurer le guidage dudit câble à isolation inorganique au cours de sa traversée dudit bac, et au moins une éponge placée en une sortie dudit bac traversée par le câble pour éponger ledit câble,

- un noyau du bobinage, monté en rotation, et destiné à recevoir en enroulement le câble imprégné de composé silicone.

Selon une autre caractéristique de l’outillage, un trajet dudit câble dans ledit outillage entre le dévidoir et le noyau présente des rayons de courbure qui sont tous au minimum égaux à au moins cinq fois un diamètre du câble à isolation inorganique, et qui ne s’inversent pas entre le dévidoir et le noyau.

L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’un bobinage inducteur à l’aide d’un outillage du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu’il comporte au moins : - une première étape de fourniture d’un noyau du bobinage et de mise en place dudit noyau dans ledit outillage ;

- une deuxième étape au cours de laquelle on imprègne ledit câble à isolation inorganique avec ledit composé silicone et au cours de laquelle on l’enroule sur le noyau, le revêtement silicone se déposant lors du trempage du câble dans le composé silicone dissous dans un solvant puis par évaporation dudit solvant,

- une troisième étape au cours de laquelle on laisse sécher à température ambiante le bobinage constitué du noyau muni du câble imprégné pendant plusieurs jours, - une quatrième étape de cuisson en étuve du bobinage, ladite cuisson comportant une montée en température progressive jusqu’à une température de cuisson à partir de la température ambiante. B

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L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’un bobinage inducteur en variante, caractérisé en ce qu’il comporte au moins :

5 - une première étape de fourniture d’un noyau du bobinage,

- une deuxième étape au cours de laquelle on réalise le bobinage en enroulant ledit câble à isolation inorganique sur le noyau,

- une troisième étape au cours de laquelle on plonge ledit îo bobinage dans un bain de composé silicone dissous dans un solvant, le revêtement silicone se déposant lors du trempage du bobinage dans le composé silicone dissous dans un solvant puis par évaporation dudit solvant,

- une quatrième étape au cours de laquelle on laisse sécher 15 à température ambiante le bobinage pendant plusieurs jours,

- une cinquième étape de cuisson en étuve du bobinage, ladite cuisson comportant une montée en température progressive jusqu’à une température de cuisson à partir de la température ambiante.

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L’invention trouve à s’appliquer à un moteur de satellite à plasma fonctionnant selon l’effet hall et comportant au moins un bobinage inducteur du type décrit précédemment.

25 Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux 30 dessins annexés dans lesquels :

[Fig. 1 ] La figure 1 est une vue en perspective d’un câble à isolation inorganique utilisé pour la fabrication d’un conducteur d’un bobinage selon l’invention ; [Fig. 2] La figure 2 est une vue en coupe d’un conducteur selon l’invention ;

[Fig. 3] La figure 3 est une vue schématique en coupe d’un moteur de satellite comportant un bobinage selon l’invention ;

[Fig. 4] La figure 4 est une vue en perspective d’un bobinage selon l’invention ;

[Fig. 5] La figure 5 est une vue d’ensemble en perspective d’un outillage pour la fabrication du bobinage selon l’invention ;

[Fig. 6] La figure 6 est une première vue de détail en perspective de l’outillage de la figure 5 ;

[Fig. 7] La figure 7 est une deuxième vue de détail en perspective de l’outillage de la figure 5 ;

[Fig. 8] La figure 8 est un diagramme-bloc illustrant les étapes d’un premier procédé de fabrication d’un bobinage selon l’invention ;

[Fig. 9] La figure 9 est un diagramme-bloc illustrant les étapes d’un second procédé de fabrication d’un bobinage selon l’invention ;

Description détaillée de l'invention

On a représenté à la figure 3 un propulseur 10 de type à plasma stationnaire fonctionnant selon l’effet de Hall. De manière connue, le fonctionnement d’un tel propulseur est basé sur le principe consistant à ioniser un gaz neutre tel que par exemple du Xénon, du Krypton, du Bismuth, de l’Argon, de l’Iode, du Magnésium, ou du Zinc.

Les ions ainsi obtenus sont accélérés par un fort champ électrique axial E qui fournit l’impulsion nécessaire à la propulsion. Plus particulièrement, le gaz neutre G est injecté dans une cathode creuse 12 et dans la zone de la décharge 14 à travers une anode 16. La pression interne dans la cathode creuse 12 est de quelques B

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7 centaines de Pascals. A l’ouverture extérieure du propulseur 10, c’est-à-dire dans la zone de décharge 14, le gaz neutre est ionisé par des électrons e- fournis par la cathode 12.

La cathode 12 est initialement chauffée afin d’initier la 5 décharge. Une tension de l’ordre de quelques centaines de volts, entre 150 et 800 volts, est appliquée entre l’anode 16 et la cathode 12. Les électrons provenant de la cathode 12 ionisent le gaz neutre. Les ions i sont alors accélérés par un champ électrique axial E entre l'anode 16 et la cathode 12. À la sortie du propulseur, les ions îo i sont neutralisés par la cathode 18, qui rejette des électrons e en quantité égale, créant un plasma à charge nulle. Un champ magnétique radial M, perpendiculaire la direction de décharge du champ électrique E, d'environ 100 à 300 gauss (0,01 -0,03 T) est utilisé pour confiner les électrons, où la combinaison des champs 15 magnétique radial et électrique axial a pour conséquence de mouvoir les électrons selon le courant de Hall, d'où provient le nom de l'appareil.

Pour former le champ magnétique radial M, un tel moteur 10 utilise deux bobinages inducteurs 18, 20 coaxiaux respectivement 20 intérieur et extérieur.

Ces bobinages 18, 20 sont soumis à des contraintes thermiques élevées et aux radiations, et, en ce qui concerne le bobinage extérieur 20, à de potentielles agressions mécaniques de la part des micrométéorites auxquelles le satellite qui porte le 25 moteur 10 peut être soumis.

Il importe donc d’apporter un soin tout particulier au conducteur formant ces bobinages, car toute perte d’isolation entre deux spires d’un bobinage réduirait l’intensité du champ magnétique produit par celui-ci et altérerait les performances du 30 moteur 10, voire mener à la fin de vie du moteur 10.

D’une manière générale, un bobinage 18 ou 20 comporte, comme l’illustre la figure 4, un noyau 22 sur lequel est enroulé un conducteur 24. Conformément à l’invention, pour assurer une protection optimale du conducteur 24, celui-ci comporte un câble 26 à isolation inorganique imprégné avec un revêtement silicone résistant aux hautes températures. On a représenté à la figure 1 un câble 26 à isolation inorganique. Par exemple, le câble 26 comporte une âme 28 en alliage de cuivre et de nickel recouverte d’un isolant céramique 30. Le câble 26 présent un diamètre d.

Un tel isolant céramique 30 offres d’excellentes performances en ce qui concerne la résistance aux hautes températures. Toutefois, il est particulièrement rigide et cassant et peut donc être soumis à des risques de fissuration et d’écaillement s’il est exposé à des températures trop élevées ou à des chocs. C’est donc à cet effet que l’invention propose avantageusement d’imprégner le câble 26 à l’aide d’un revêtement silicone 32, comme représenté à la figure 2.

Un tel revêtement résiste à des températures élevées, jusqu’à 593°C.

Avantageusement, le revêtement silicone 32 est un revêtement déposé par trempage du câble 26 dans un composé silicone dissous dans un solvant puis par évaporation dudit solvant.

Le revêtement silicone 32 est par ailleurs adapté à des températures d’utilisation comprises entre -70°C et 400°C, inférieures par conséqueant à la température maximum admissible de 593°C, est isolant électriquement, présente une température de séchage inférieure à 300°C, une conductivité thermique supérieure à 1W/m/°C et un coefficient d’expansion thermique supérieur à 5.10 ⁶ /K.

Pour éviter que la couche d’isolant céramique 30 du câble 26 ne se rompe lors de l’enroulement du câble 26 autour du noyau 22, le noyau 22 présente un rayon de courbure p, représenté à la figure 4, qui est au moins égal à au moins cinq fois un diamètre d du câble 26 à isolation inorganique. B

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La fabrication d’un bobinage inducteur 18, 20 peut être réalisée de deux manières différentes. Une première méthode consiste à imprégner le câble 26 au fur et à mesure de son enroulement sur le noyau 22. Une deuxième méthode consiste à 5 enrouler le câble 26 sur le noyau 22 puis à imprégner l’ensemble du bobinage 18, 20 ainsi obtenu.

La figure 5 représente un outillage 34 permettant de mettre en œuvre la première méthode.

Cet outillage 34 comporte un dévidoir 36 recevant une bobine îo 38 du câble 26 à isolation inorganique. Ce dévidoir 36 alimente en câble 26 un bac d’imprégnation 40 contenant le composé silicone dissous dans un solvant. Le dévidoir 36 est donc traversé par le câble 26 à isolation inorganique. Puis, l’outillage 34 comporte un noyau 22 du bobinage, monté en rotation sur un mandrin 42, qui 15 est destiné à recevoir en enroulement le câble 26 imprégné de composé silicone.

Comme l’illustre la figure 6, le bac 40 comporte au moins une roulette 44 intérieure au bac 40 qui est configurée pour assurer le guidage du câble 26 à isolation au cours de sa traversée du bac 20 40. La roulette 44 comporte une gorge 46 qui est destinée à permettre le guidage du câble 26.

Comme l’illustre la figure 7, le bac 40 peut aussi comporter une éponge 48, placée en une sortie du bac 40, qui est traversée par le câble 26 pour éponger le câble 26, ceci afin d’éviter des 25 dépôts de composé silicone excédentaires sur le câble 26.

Il sera compris que toutes les règles relatives à l’utilisation du câble 26 s’appliquent aussi bien pour son bobinage sur le noyau 22 que pour son trajet au travers de l’outillage 34. C’est pourquoi, au cours de l’enroulement du câble 26, le trajet du câble 26 dans 30 l’outillage entre le dévidoir 36 et le noyau 22 présente des rayons de courbure qui sont tous au minimum égaux à au moins cinq fois le diamètre d du câble 26 à isolation inorganique. Par ailleurs, ces rayons de courbure ne s’inversent pas entre le dévidoir 36 et le noyau 22, de manière à ne pas risquer de détériorer l’isolant céramique 30.

Ainsi, le premier procédé de fabrication du bobinage inducteur 18, 20 comporte, comme l’illustre la figure 8, une première étape ET1 de fourniture d’un noyau 22 du bobinage et de mise en place de ce noyau 22 dans le mandrin 42 de l’outillage 34.

Puis, au cours d’une deuxième étape ET2, on imprègne le câble 26 à isolation inorganique avec le composé silicone en lui faisant traverser le bac 40 et on l’enroule sur le noyau 22. Le revêtement silicone 32 se dépose lors du trempage du câble 26 dans le composé silicone dissous dans un solvant puis par évaporation dudit solvant.

Puis au cours d’une troisième étape ET3, on laisse sécher à température ambiante le bobinage 18, 20 constitué du noyau 22 muni du câble 26 imprégné pendant plusieurs jours.

Puis, au cours d’une quatrième étape ET4, on cuit le bobinage 18,20 en étuve de manière à faire vulcaniser le revêtement silicone. Cette cuisson comporte une montée en température progressive jusqu’à une température de cuisson à partir de la température ambiante, afin d’éviter le bullage du revêtement silicone.

Selon le deuxième procédé de fabrication précédemment évoqué, celui-ci comporte de manière similaire une première étape ET1 de fourniture du noyau 22 du bobinage 18,20. Puis, au cours d’une deuxième étape ET2, on réalise le bobinage 18,20 en enroulant ledit câble 26 à isolation inorganique directement sur le noyau 22. Survient alors une troisième étape ET3 au cours de laquelle on plonge le bobinage 18,20 dans un bain de composé silicone dissous dans un solvant. Le revêtement silicone 32 se dépose lors du trempage du bobinage 18, 20 dans le composé silicone dissous dans un solvant puis par évaporation dudit solvant. B

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Puis, au cours d’une quatrième étape ET4, on laisse sécher à température ambiante le bobinage 18,20 pendant plusieurs jours. Enfin, au cours d’une cinquième étape ET5 de cuisson en étuve du bobinage, on cuit le bobinage 18 20 de la même façon que 5 précédemment, c’est-à-dire en réalisant une cuisson comportant une montée en température progressive jusqu’à une température de cuisson à partir de la température ambiante.

L’invention permet donc de réaliser de manière simple et efficace un bobinage 18,20 pour un moteur 10 à plasma îo stationnaire utilisé pour le positionnement de satellites. Le bobinage extérieur 20 pourra par exemple être protégé de surcroît par un capot permettant de le protéger des micrométéorites.