Bobinage de fils émaillés

Petit historique

A part quelques exceptions comme le textile, la décoration, la filtration où le fil émaillé est choisi pour son aspect et son inaltérabilité (en plus parfois d'y faire passer un peu de courant) il est en général utilisé dans l'électrotechnique.

Cette appellation correspond à l'ensemble des systèmes produisant, utilisant, transformant l'énergie électrique.
Suite à l'invention de la "pile voltaïque", puis des premières machines à fournir l'électricité et enfin de la découverte de la relation électricité / magnétisme, le fil isolé qui permet de créer des bobines dont les spires se touchent sans provoquer de court-circuit a toujours été indispensable aux différents montages apparus.
Faute de mieux, les premiers bobinages statiques (transformateurs), les premières machines tournantes (dynamos, moteurs) ont été réalisées avec des fils de cuivre enrubannés de papier ou tissus en guise d'isolation. Pour d'excellentes raisons, il en  existe encore aujourd'hui.
Seule la chimie a permis de réaliser des fils enduits de vernis que l'on appelle, peut-être à tort, "émaillés". Dans la partie "émaillage du fil" de ce site vous trouverez la composition de base des vernis les plus employés.

Les fils émaillés, quelques soient les vernis qui les recouvrent ont tous, selon leur diamètre bien sûr,  les mêmes caractéristiques dimensionnelles, fixées par des normes très strictes (voir les normes en fin de page).

La qualité de fabrication de ces fils qui sont souples car toujours recuits, qui résistent à un allongement d'au moins 25% sans briser leur "émail", qui ne prennent pas plus de place qu'un fil de cuivre nu puisque l'épaisseur de leur vernis se mesure en dizaine de microns, qui peuvent tenir des milliers d'heures à des températures de fonctionnement élevées (155 à 240°C) font qu'ils sont d'un emploi très aisé pour la réalisation de bobinages classiques, déjà existants…  ou innovants.

Bobinage

Un fil enroulé perpendiculairement à l'axe d'un support  en rotation, dirigé latéralement d'un côté à l'autre de ce support (trancanage) produit une bobine. Selon l'usage que l'on veut en faire elle aura 10 spires - d'un fil souvent de fort diamètre - ou 10000 fois plus d'un fil très fin. On l'appelle alors solénoïde, self ou auto-inductance selon l'usage pour lequel elle a été réalisée. Mais c'est toujours une bobine de fil (bobinage).

Elle pourra être enroulée sur un noyau en ferrite ou autre métal particulier favorisant le magnétisme ou même être sans support.  

Les propriétés de ces bobines sont directement liées aux caractéristiques du bobinage (grosseur & qualité du fil,  nombre de spires, qualité du noyau). et sont utilisées, entre autres, dans les montages suivants:

Electromagnétiques :

  • électro-aimants (disjoncteurs, télérupteurs, injecteurs, levage, relais, serrures, etc.…)
  • paliers de roulements, têtes de lecture, levage, lévitation, capteurs d'informations
  • haut-parleurs
Electronique
  • régulation des alimentations, protection des circuits, adaptateurs d'impédances
  • oscillateurs, filtrage des fréquences, détection radio
  • capteurs
Adaptation des courants et tensions
  • onduleurs
  • transformateurs
Accumulation inductive
  • étincelle d'allumage pour les moteurs à explosion (bobine/rupteur)
  • aide à l'allumage des systèmes d'éclairage (néons)

La liste peut être complétée.

Pour tous ces systèmes de bobines dites "statiques" les fils des classes 155 à 180°C suffisent la plupart du temps.
Ces fils sont un peu plus faciles d'emploi que ceux des classes supérieures, car en théorie on n'a pas à les dénuder si le fer ou le bain d'étain est à bonne température (>360°C). La couche de vernis à base de polyuréthane s'évapore.

Ils sont généralement de couleurs jaune ou rouge mais peuvent aussi parfois être bleus, noirs, violets, etc.… ce qui ne change rien à leurs caractéristiques, mais permet de les différencier s'ils sont tirés ensemble.

La très bonne qualité d'émail de ces fils de couleur fait qu'ils sortent parfois du domaine électrique pour passer au textile ou à la décoration.

Machines tournantes

Elles se composent d'un stator et d'un rotor. Deux éléments dont l'un peut être bobiné, et l'autre composé d'aimants permanents, ou les deux pouvant être constitués de bobines de fils.

Le nombre et la façon dont sont agencées et reliées ces bobines font les différences entre toutes ces machines.
Elles servent soit à générer de l'électricité, comme la "dynamo" sur les anciennes voitures, soit à fournir une force mécanique à partir de celle-ci, comme le "démarreur".

L' "alternateur" fournit, lui, le courant alternatif. (véhicules, centrales électriques, éoliennes, etc…)
La "magnéto" montée sur les moteurs thermiques anciens, souvent de fortes puissances (motos, autos, avions), fournit son propre courant et l'utilise à travers un système bobine/rupteur/condensateur pour créer une étincelle à la bougie.

Le "volant magnétique" monté en général sur les plus petits moteurs, relève du même principe mais fournit en plus le courant d'éclairage.
Pour réaliser de tels bobinages, soumis souvent à de fortes contraintes mécaniques, il faut employer les fils dont les vernis sont à base polyesterimide. C'est-à-dire les fils de la classe 200°C ou plus. Ils sont tous de couleur marron.

S'ils sont plus solides mécaniquement que les précédents réservés aux transformateurs, il faut les dénuder avant de les souder.
Les produits chimiques n'étant plus autorisés pour ce faire, il faut se résoudre à les gratter avec un outil contendant, en prenant soin de ne pas attaquer le fil nu. Pour les fils très fins, on peut se servir de toiles émeri.

Ceci donne vite une idée de la solidité de l'émail, mais avec un peu de patience… tout se passe très bien.

La flamme a très haute température décape tous les fils émaillés… mais attention… fait vite fondre le cuivre.

Longueur, poids, résistance d'un fil de cuivre

La résistivité d'un matériau est la tendance qu’a celui-ci à s’opposer au passage du courant électrique. C’est l’inverse de la conductivité.

La résistivité Rhô (ρ) d’une matière correspond à la résistance d’un cylindre de cette matière  de 1 m de long et de 1m² de section en ohm x mètre (Ω x m).

Plus simplement, toutes réductions faites, la valeur employée dans les calculs pour le cuivre est    >>>  ρ = 0.0171 Ω x mm²/m

Cela permet de calculer la Résistance, la Longueur ou la Section d’un fil si l’on connaît deux paramètres sur les trois.

La résistance R (Ω) d’un fil de cuivre de section S (mm²) et de longueur L (m) est : R = 0.0171 x L / S

En multipliant la section en mm² d'un fil par sa densité, on obtient son poids en grammes par mètres. La densité du cuivre est  8.89.

Autres fils de cuivre et alliages courants

Le fil de litz
Le fil de Litz est composé de multiples fils émaillés donc isolés les uns des autres.
Dans un fil, plus les courants augmentent en fréquences, plus ils se propagent en surface de celui-ci.
Pour une même section, un fil monobrins a une surface extérieure moindre qu'un fil toronné multibrin.
Autres avantages, ces fils résistent mieux aux vibrations (sorties de transformateurs par exemple).

Ces fils toronnés sont souvent guipés. Ils sont réalisés à la demande.

Les fils guipés
Pour l'électrotechnique, le guipage consiste a recouvrir un fil métallique, par tressage ou rubanage, d'un isolant  (papier, soie, polymères, etc.). La passementerie fait l'inverse en enroulant des fils fins métalliques autour d'un fil textile.

Les fils Thermo-adhérents
Ces fils émaillés sont les mêmes que les précédents à la différence près qu'en fin de fabrication, ils sont revêtus d'une couche complémentaire leur permettant de s'agglomérer les uns aux autres sous l'effet de la chaleur ou d'un solvant.
Il suffit de chauffer le fil ou d'utiliser un solvant approprié lors du bobinage ou encore de faire passer un fort courant dans la bobine déjà réalisée . La bobine mise en forme n'a pas besoin de support. L'exemple type étant les bobines de déflexion des tubes cathodiques.

Généralités sur les fils nus et leur utilisation
la Norme qui régit les fil de cuivre nus, étamés et argentés est la NF EN 13602 de Août 2002.
Le fil nu est le fil de base (CU ETP)de tous les fils.
Il est donc fabriqué en grandes quantités pour faire tous les fils (fils émaillés, fils étamés, fils argentés, câbles électriques dans leur ensemble de l'électronique aux câbles du BTP) et lui-même est utilisé en l'état pour les mises à la terre, certaines protections magnétiques, le filage des cordes des pianos, etc.….

Généralités sur les fils étamés et leur utilisation
Les fils étamés sont réalisés avec le même cuivre que les fils émaillés. Lorsqu'on parle d'un fil étamé, il s'agit toujours aussi d'un fil monobrin. S'il n'était pas monobrin, on parlerait d'un toron et s'il est revêtu, d'un câble.
Le fil étamé est sans isolation, mais revêtu d'une légère couche d'étain qui permet la soudure immédiate. Contrairement à la croyance populaire, la surépaisseur d'étain est très faible (0.3µ) mais suffit largement pour la soudure et permet au fil étamé de mieux se conserver.
Seuls certains fils étamés à usage particulier (anciens composants électroniques, sorties de piles, …) ont des surcouches de plusieurs microns.
Les fils étamés sont employés la plupart du temps pour faire des câbles, des raccordements électriques (straps), des sorties de bobines, etc. ….
Ils ont aussi des normes dimensionnelles très précises, afin d'avoir des résistances ohmiques constantes et pour l'alimentation des machines qui travaillent avec ces fils. Ce sont des fils qui, la plupart du temps sont étamés électrolytiquement.
Ce qui n'est pas forcément indispensable pour les cadres intérieurs des ruches d'abeilles. Le fil étamé qui y est  employé est souvent réalisé "au bain" et convient très bien.

Généralités sur les fils argentés et leur utilisation
Comme le fil étamé, le fil argenté est composé d'un monobrin de cuivre Cu ETP, non isolé et revêtu d'une couche d'argent.
A ne pas confondre avec le fil argent ni avec le cuivre à l'argent.
Il arrive souvent que l'on parle  de fil argenté 15/1000 ème.
Il ne s'agit pas du mélange des métaux comme on en parle en bijouterie. Cela signifie que pour revêtir ce fil de cuivre de sa couche d'argent on a utilisé 15g d'argent pour 1000g de cuivre. En fonction du diamètre du fil, la couche d'argent est donc variable.
Ceci n'est pas valable pour les gros fils (> 1,5mm) pour lesquels on mesure la couche en microns (1 à 3µ en général).
Le fil argenté est beaucoup employé aussi pour les câbles, principalement les câbles de l'aéronautique
à la place des fils étamés qui résistent mal au manque d'oxygène en altitude. Utilisé aussi dans la confection de bijoux.

Les alliages de cuivre
Laiton : Cu / Zn
Bronze : Cu / Sn
Maillechort : Cu / Ni / Zn
Constantan : Cu / Ni

Les Normes

  • NF EN 60317- 0,   traite des prescriptions générales pour les fils émaillés (dimensions, résistances, tolérances,allongements, etc.  …).
  • NF EN 60317 55,  traite des spécifications pour les fils émail polyuréthane classe 180°C.
  • NF EN 60317 13,  traite des spécifications pour les fils émail polyesterimide classe 200°C.
  • Ces Normes se retrouvent  en partie dans la série des NF EN 60851- (1, 2, 3, 4, 5, 6)

Dans ces normes, il est prévu, entre autres choses, que dans sa classe de température, le fil doit pouvoir  fonctionner sans détérioration, à ladite t° pendant 20 000 heures.

Elle prévoit aussi que les différents vernis doivent suivre l’allongement (25 à 30%) du fil sans détérioration.

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