EP2457312A1

EP2457312A1 - Procédé pour la fabrication d'un rotor intérieur pour machine électrique tournante

Info

Publication number: EP2457312A1
Application number: EP10737020A
Authority: EP
Inventors: Maeick Blanc; Bertrand Vedy
Original assignee: Michelin Recherche et Technique SA Switzerland; Societe de Technologie Michelin SAS
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA; Michelin Recherche et Technique SA France
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2012-05-30
Also published as: FR2948508B1; US8935845B2; FR2948508A1; US20120206008A1; WO2011009886A1; JP2012533982A; CN102474167A

Abstract

L'invention concerne en particulier un procédé pour la fabrication d'un rotor intérieur pour machine électrique tournante, le rotor comprenant une pluralité de pièces polaires entourant un arbre, chaque pièce polaire étant réalisée à base d'un empilement de tôles (3) en matière magnétique, les pièces polaires délimitant entre elles des logements pour des aimants permanents, ledit procédé comprenant successivement les étapes consistant à: ·Découper des ébauches (33) regroupant chacune n tôles (3), «n» étant le nombre de pôle du rotor, les n tôles d'une ébauche étant maintenues solidaires par des pontages provisoires (35) enjambant les logements,au moins deux pontages comportant chacun un ergot extérieur (36), ·Empiler les ébauches en les maintenant alignées par l'intermédiaire des ergots extérieurs, ·Immobiliser l'empilement des ébauches, ·Supprimer l'ensemble des pontages provisoires afin de libérer l'accès radial aux logements.

Description

Procédé pour la fabrication d'un rotor intérieur pour machine électrique tournante

[0001] L'invention se rapporte aux machines électriques tournantes dont le rotor intérieur comporte des aimants permanents. Plus précisément, l'invention concerne les machines dans lesquelles les aimants sont disposés dans des évidements du rotor. On désigne communément les machines électriques dont il s'agit par l'expression « à aimants enterrés ». Ce principe d'agencement du rotor est largement appliqué pour les machines synchrones autopilotées à concentration de flux.

[0002] Le dimensionnement d'une machine électrique tournante dépend de son couple nominal.

Plus le couple qu'un moteur est capable de délivrer est élevé, plus le moteur électrique est volumineux, toutes autres choses égales par ailleurs. Il existe pourtant des applications pour lesquelles il est désirable d'atteindre à la fois des puissances importantes et une grande compacité du moteur. Pour donner simplement un exemple concret, lorsque l'on souhaite implanter des moteurs électriques de traction dans les roues de véhicules automobiles, il est souhaitable de pouvoir développer des puissances valant au moins 10 kW par moteur, et même la plupart du temps au moins 25 ou 30 kW par moteur, pour un poids le plus faible possible afin de limiter tant que faire se peut les masses non suspendues. Il est également désirable que l'encombrement soit aussi très réduit, dépassant le moins possible le volume intérieur de la roue pour ne pas interférer avec les éléments du véhicule lors des débattements de suspension et lors d'autres types de mouvement de la roue par rapport à la caisse du véhicule.

[0003] Ces deux impératifs (puissance élevée, encombrement et masses faibles) rendent très problématique l'implantation de moteurs électriques de traction dans les roues de véhicules de tourisme, sauf à améliorer radicalement le rapport poids/puissance des machines électriques actuellement disponibles sur le marché.

[0004] Le choix d'une vitesse élevée pour un moteur électrique lors de la conception du moteur est une solution permettant, à puissance donnée, de diminuer le couple, donc l'encombrement. Autrement dit, pour une puissance nominale du moteur donnée, plus grande est sa vitesse de rotation nominale, plus faible sera son encombrement.

[0005] Une conception spécifique pour atteindre de grandes vitesses de rotation a déjà été proposée dans la demande de brevet EP 1001507. Les vitesses visées dans cette demande de brevet sont de l'ordre de 12000 t/min, en proposant pour cela un agencement particulier de l'ensemble constitué par un arbre monobloc amagnétique polygonal et des pièces polaires judicieusement disposées autour de cet arbre. Un perfectionnement permettant de viser des vitesses de l'ordre à 20000 t/min a été proposée dans la demande de brevet EP 1359657, en proposant pour cela un agencement utilisant des cales pour bloquer radialement les aimants dans leurs logements entre les pièces polaires. [0006] Les pièces polaires sont constituées d'un empilement de tôles, chaque tôle étant découpée en forme de secteur de disque. Le procédé de fabrication de ces pièces polaires et d'assemblage du rotor est particulièrement long et complexe afin en particulier de garantir le meilleur alignement des tôles dans l'empilement.

[0007] Un objectif de l'invention est d'améliorer le procédé de fabrication des rotors pour machine électrique tournante.

[0008] L'invention propose ainsi un procédé pour la fabrication d'un rotor intérieur pour machine électrique tournante, le rotor comprenant une pluralité de pièces polaires entourant un arbre, chaque pièce polaire étant réalisée à base d'un empilement de tôles en matière magnétique, les pièces polaires délimitant entre elles des logements pour des aimants permanents, ledit procédé comprenant successivement les étapes consistant à :

• Découper des ébauches regroupant chacune n tôles, « n » étant le nombre de pôle du rotor, les n tôles d'une ébauche étant maintenues solidaires par des pontages provisoires enjambant les logements, au moins deux pontages comportant chacun un ergot extérieur (36),

• Empiler les ébauches en les maintenant alignées par l'intermédiaire des ergots extérieurs, • Immobiliser l'empilement des ébauches,

• Supprimer l'ensemble des pontages provisoires afin de libérer l'accès radial aux logements.

[0009] De préférence, on immobilise l'empilement des ébauches entre des flasques latéraux par l'intermédiaire de tirants, les flasques latéraux et les tirants faisant ensuite partie intégrante du rotor. [0010] De préférence encore, les pontages provisoires sont supprimés par usinage.

[0011] Selon une première variante, le découpage des ébauches a en outre pour effet de définir des ramures longitudinales dans les parois des logements à proximité du bord extérieur des pièces polaires. [0012] De préférence, le procédé comprend en outre une étape subséquente consistant à insérer les aimants radialement dans les logements puis à placer des cales de maintien radial des aimants dans les rainures longitudinales.

[0013] De préférence, les ébauches sont obtenues par découpage d'un feuillard, notamment par emboutissage.

[0014] Selon une première variante du procédé, on retourne une ébauche sur deux après son découpage et avant son empilage.

[0015] Selon une seconde variante du procédé, on indexe chaque ébauche d'un angle OC par rapport à l'ébauche précédente au cours de l'empilage, OC étant un multiple de 360°/n. [0016] L'invention concerne enfin une machine électrique tournante comprenant un rotor intérieur obtenu par ledit procédé.

[0017] L'invention sera mieux comprise grâce à la suite de la description, qui s'appuie sur les figures suivantes :

• la figure 1 est une vue en coupe le long de l'axe d'un rotor selon l'invention suivant une ligne brisée A-A visible aux figures 2 et 3.

• la figure 2 est une vue partielle en coupe perpendiculaire à l'axe du rotor de la figure 1 suivant une ligne B-B visible à la figure 1.

• la figure 3 est une vue en coupe perpendiculaire à l'axe du rotor de la figure 1 suivant une ligne C-C visible à la figure 1.

• la figure 4 est une vue en perspective d'une ébauche utilisée dans le procédé de fabrication selon l'invention ;

• la figure 5 est une vue en perspective illustrant l'étape du procédé selon l'invention consistant à empiler un grand nombre d'ébauches selon la figure 4 ;

• la figure 6 est une vue en perspective illustrant l'étape du procédé selon l'invention consistant à séparer l'empilement en plusieurs pièces polaires ;

• la figure 7 est une vue en coupe perpendiculaire à l'axe du rotor suivant une ligne C-C visible à la figure 1 mais correspondant à l'exemple de procédé d'obtention illustré aux figures 4 à 6.

• la figure 8 illustre un autre exemple de procédé d'obtention selon l'invention. - A -

• la figure 9 montre schématiquement un autre exemple d'outil utilisable dans le procédé selon l'invention.

• les figures 10 et 11 illustrent un premier mode de réalisation préféré du procédé de l'invention dans lequel l'opération d'empilement des ébauches est combinée avec un retournement des ébauches ;

• les figures 12 à 14 illustrent un deuxième mode de réalisation préféré du procédé de l'invention dans lequel l'opération d'empilement des ébauches est combinée avec une rotation entre chaque ébauche ; [0018] A la figure 1, on a représenté un rotor 1 pour une machine hexa-polaire comportant par ailleurs un stator non représenté. Le rotor 1 comprend un arbre 2 reposant sur des paliers 20. On voit six pièces polaires 30, de préférence formées par un empilage de tôles ferro-magnétiques 3. Chaque tôle 3 est sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'arbre. Les tôles ont une épaisseur très faible, par exemple de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre, par exemple 0,2 mm. [0019] Axialement de part et d'autre de l'arbre 2, on voit un flasque latéral 5, 5' (de préférence en matériau amagnétique), situé de chaque côté des pièces polaires 30. A la figure 1, on voit également deux flasques intermédiaires 7 optionnels (de préférence également en matériau amagnétique). Chaque flasque latéral et le cas échéant chaque flasque intermédiaire 7 comporte une ouverture centrale. Dans l'exemple non limitatif décrit à la figure 1, la forme de l'ouverture centrale des flasques latéraux est circulaire alors que celle de l'ouverture centrale des flasques intermédiaires est ajustée à la section rainurée de l'arbre 2.

[0020] Pour chacune des pièces polaires 30, un tirant 6 traverse l'empilage de tôles 3, le cas échéant le ou les flasques intermédiaires 7, et permet d'enserrer le tout entre les flasques latéraux 5 et 5'. [0021] On voit des aimants permanents parallélépipédiques 4 disposés dans les logements 40 entre les pièces polaires 30. Les logements sont interrompus par le ou les flasques intermédiaires 7. Dans l'exemple de la figure 1, il y a donc 3 aimants par pôle. Chacun des logements des aimants est fermé par une cale d'aimant 51.

[0022] Par ailleurs, comme visible à la figure 2, les faces longitudinales 300 des pièces polaires 30 comportent chacune une rainure 31 parallèle à l'axe du rotor, creusée à un niveau radial proche du bord extérieur 32 de chaque pièce polaire 30 (et donc de chaque tôle 3), lesdites pièces polaires présentant par ailleurs une hauteur (ou plus exactement une dimension radiale) légèrement supérieure à la hauteur des aimants 4. Chaque cale 51 prend ainsi appui sur deux rainures 31 disposées sur chacune des pièces polaires adjacentes. Les aimants 4 sont ainsi rendus mécaniquement solidaires des pièces polaires 30. La fonction essentielle de chaque ramure 31 est de former un épaulement ou une queue d'aronde pour s'opposer à la centrifugation des cales et des aimants. Les pièces polaires sont solidaires entre elles grâce aux tirants et aux flasques latéraux et éventuellement intermédiaire(s).

[0023] Les pièces polaires sont elles-mêmes solidaires de l'arbre en rotation par l'intermédiaire d'une nervure 34 coopérant avec une rainure 21 de l'arbre et immobilisées axialement grâce aux tirants et aux flasques latéraux. Un jonc 63 placé dans une gorge d'une extrémité du tirant arrête celui-ci par rapport à l'un des flasques (à droite sur cette figure) alors qu'une vis 62 est vissée à l'autre extrémité du même tirant (à gauche sur la figure). Un tel rotor supporte ainsi sans dommage des vitesses de rotations très élevées, très supérieures à 10000 t/min, à savoir des vitesses de l'ordre de 20000 t/min au moins.

[0024] Les figures 4 à 13 illustrent des aspects essentiels du procédé selon l'invention pour la fabrication d'un tel rotor.

[0025] A la figure 4, on voit une ébauche 33 regroupant six tôles 3, chaque tôle étant destinée à appartenir à l'une des six pièces polaires du rotor. Les six tôles sont provisoirement maintenues solidaires par l'intermédiaire de pontages provisoires 35. Au moins deux des pontages comportent des ergots extérieurs 36 dont le rôle sera décrit plus bas.

[0026] L'ébauche 33 est de préférence obtenue par découpage d'un feuillard, par exemple par emboutissage. On reconnaît la forme des logements 40 pour les aimants et les passages 61 pour les tirants. [0027] Les ébauches sont ensuite empilées et serrées entre les flasques latéraux par les tirants.

A la figure 5, on a représenté uniquement l'empilement des ébauches. Les autres éléments (arbres, flasques latéraux et intermédiaires, tirants) sont omis pour faciliter la lecture du dessin. Le lecteur est invité à consulter les figures 1 à 3 où ces éléments sont visibles.

[0028] Selon l'invention, on aligne l'empilement des ébauches par l'intermédiaire des ergots extérieurs 36 formés sur au moins deux des pontages provisoires 35, de préférence sur des pontages diamétralement opposés comme représenté ici. Des guides comportant une rainure adaptée reçoivent ces ergots et maintiennent les ébauches alignées les unes avec les autres avant qu'elles soient rendues solidaires par les tirants. On peut ainsi garantir un excellent alignement des tôles dans l'empilement. La grande précision de l'alignement permet à son tour de réduire l'entrefer et donc d'améliorer le rendement de la machine électrique.

[0029] Une fois l'empilement immobilisé par les tirants, on peut supprimer les pontages provisoires 35, par exemple par fraisage comme représenté schématiquement à la figure 6. La suppression des pontages libère l'accès radial aux logements 40 et élimine les ergots extérieurs 36 par la même occasion. [0030] On comprend que cette caractéristique essentielle du procédé selon l'invention permet d'accélérer la fabrication des rotors en réduisant le nombre de pièces et en facilitant grandement la manipulation des tôles.

[0031] Dans un mode de réalisation particulier, l'opération consistant à éliminer les pontages provisoires permet en même temps de réaliser les ramures 31 destinées à recevoir les cales 51 de maintien des aimants. Ceci est représenté par l'exemple de la figure 6 dans lequel une fraise conique permet simultanément d'usiner les deux rainures 31 et de supprimer les pontages.

[0032] A la figure 7, on voit en coupe le rotor ainsi obtenu. Autour de l'arbre rainure 2, on voit bien les aimants 4 maintenus dans leurs logements 40 par les cales 51, ainsi que les tirants 6 qui compriment l'empilement des tôles 3. La section des cales est ici sensiblement trapézoïdale (en queue d'aronde) mais on peut en fait adopter une toute autre section à la seule condition qu'elle puisse coopérer avec les rainures 31 des pièces polaires pour fermer les logements et procurer un blocage radial des aimants.

[0033] La figure 8 illustre un autre exemple de procédé d'obtention selon l'invention. Ce mode de réalisation permet d'accommoder des cales 51 de section épaulée en forme de « T » comme visible à la figure 2. Les rainures 31 correspondantes sont prédécoupées dans l'ébauche 33 et l'opération visant à éliminer les pontages 35 n'a alors pas d'autre fonction que celle de libérer l'accès radial aux logements 40 des aimants. Cette opération peut être réalisée par tronçonnage des deux extrémités des pontages comme représenté schématiquement ici ou bien par fraisage à axe radial (selon le schéma de la figure 6 mais en utilisant une fraise cylindrique). [0034] Selon la forme des logements, des ramures et des cales, on comprend qu'on pourra choisir différentes méthodes et outillages pour réaliser cette opération. Par exemple, le profil des rainures de la figure 6 ne peut pas être obtenu par tronçonnage ou fraisage selon un axe tangentiel comme décrit à la figure 8. En revanche, on pourrait obtenir le profil des rainures de la figure 8 par fraisage selon l'axe radial à condition d'utiliser une fraise spécifique, en « T », par exemple selon le schéma de la figure 9.

[0035] Les figures 10 et 11 illustrent une caractéristique préférée du procédé de fabrication du rotor selon laquelle les ébauches sont empilées tête-bêche et comportent pour cela de préférence un marquage 63 permettant d'identifier les deux faces de l'ébauche. Le marquage 63 peut être comme ici une découpe particulière du passage 61 disposée de telle sorte que l'on voit bien si l'on affaire à une face ou à l'autre. En effet, si l'on compare les figures 10 et 11 qui montre chacune un face différente de la même ébauche, on voit que la découpe 63 apparaît déportée d'un côté ou de l'autre du passage 61.

[0036] Le fait d'empiler les ébauches en retournant systématiquement une ébauche sur deux permet de compenser une éventuelle variation d'épaisseur d'un bord à l'autre de l'ébauche. L'origine de cette variation peut résulter d'une variation de l'épaisseur du feuillard ou du procédé de découpage des ébauches ou de toute autre cause.

[0037] Afin de ne pas induire de balourd, le marquage est de préférence présent sur chacun des six passages de l'ébauche. De plus, la multiplication des marquages facilite encore l'identification des faces.

[0038] Les figures 12 à 14 illustrent une alternative à l'empilage tête-bêche décrit aux figures

10 et 11. Les ébauches 33 sont cette fois empilées en indexant chaque ébauche d'un certain angle et comportent pour cela de préférence un marquage 63 unique permettant d'identifier un passage de tirant parmi les six passages de l'ébauche. On voit en comparant les figures 12, 13 et 14 que, d'une figure à la suivante, l'ébauche est indexée d'un sixième de tour (60°) vers la droite. L'angle d'indexation peut correspondre en fait à n'importe quel multiple de 60°, par exemple 120°, 180°, 240°, etc .. Une indexation à 180° peut être tout à fait satisfaisante pour compenser les éventuelles variations d'épaisseur et en même temps permettre un procédé relativement simple dans lequel on indexe une tôle sur deux selon un seul angle (180°). [0039] L'indexation est préférée au retournement décrit plus haut, en particulier lorsque le procédé de découpage des ébauches a tendance à déformer les bords des pièces. C'est le cas de l'emboutissage qui tend à former des bavures qui empêchent ensuite les tôles de bien s'empiler en cas de retournement. [0040] Naturellement, on peut effectuer en même temps une indexation et un retournement ou alterner les deux mouvements. De même, on a représenté un rotor hexapolaire et une indexation de 60°, c'est à dire de l'angle séparant deux pôles adjacents. On obtient un effet équivalent avec un indexation de oc = +/- 360°/n, « n » étant le nombre de pôles du rotor.

[0041] Les marquages 63 visibles sur les figures sont aisément obtenus lors de la découpe des ébauches. Alternativement, ces marquages peuvent être réalisés sur les pontages provisoires 35, y compris sur les ergots extérieurs 36. Ils sont alors voués à disparaître lorsque les pontages sont supprimés, ce qui élimine du même coup tout balourd éventuellement occasionné par les marquages.

Naturellement, d'autres moyens de marquage peuvent être utilisés dans le même but de repérer une face ou une orientation de l'ébauche en vue de son retournement ou de son indexation lors de l'empilage. Les marquages sont surtout utiles en cas de manipulation manuelle des tôles. Dans le cas de manipulations automatisées, on peut généralement s'en passer.

[0042] Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des rotors d'une très bonne qualité géométrique dans des conditions de productivités améliorées.

[0043] Cependant, une fois le rotor assemblé définitivement, des masselottes 100 peuvent être fixées aux flasques afin de parfaire encore l'équilibrage statique et dynamique du rotor (voir figure

2).

[0044] Les masselottes d'équilibrage ont ici la forme de vis sans tête 101 que l'on positionne dans des trous filetés 102 pratiqués dans les flasques. Chaque flasque comporte ainsi six trous filetés 102 en plus des six passages 61 pour les six tirants 6. [0045] On comprend qu'en jouant sur la position, la longueur et/ou le matériau choisi pour chaque masselotte d'équilibrage, on peut ajuster finement l'équilibre du rotor.

[0046] Le procédé comprend donc de préférence en outre les étapes subséquentes consistant successivement à : • Mettre en rotation le rotor assemblé sur une machine d'équilibrage ;

• Déterminer des positions et des masses de masselottes nécessaires à l'équilibrage ;

• Fixer les masselottes nécessaires sur les flasques. [0047] Alternativement, les masselottes peuvent également être fixées sur les tirants.

[0048] De préférence, le procédé d'assemblage/équilibrage comprend en outre une étape subséquente consistant à contrôler le bon équilibrage du rotor sur la même machine.

[0049] De préférence encore, le procédé d'assemblage/équilibrage comprend en outre une étape préliminaire consistant à mettre le rotor en rotation alors que le serrage des tirant est réduit puis à effectuer le serrage final des tirants. De cette manière, on s'assure que touts les éléments constitutifs du rotor (en particulier les tôles ferro-magnétiques et les aimants permanents) sont bien centrifugés avant leur immobilisation finale. La centrifugation peut être réalisée à une vitesse de rotation de l'ordre de 50% de la vitesse maximale envisagée en service.

[0050] Alternativement, la centrifugation peut être réalisée après le serrage final en appliquant cette fois une vitesse de rotation au moins égale à la vitesse maximale envisagée en service (par exemple de l'ordre de 120% de la vitesse maximale).

[0051] Comme on l'a vu, les figures représentent un rotor hexa-polaire, c'est à dire comportant

3 paires de pôles mais l'homme du métier sait transposer les enseignements techniques de la présente demande à des rotors comprenant par exemple 2, 4 ou 5 paires de pôles au lieu de 3.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour la fabrication d'un rotor intérieur (1) pour machine électrique tournante, le rotor comprenant une pluralité de pièces polaires (30) entourant un arbre, chaque pièce polaire étant réalisée à base d'un empilement de tôles (3) en matière magnétique, les pièces polaires délimitant entre elles des logements (40) pour des aimants permanents (4), ledit procédé comprenant successivement les étapes consistant à :

• Découper des ébauches (33) regroupant chacune n tôles, « n » étant le nombre de pôle du rotor, les n tôles d'une ébauche étant maintenues solidaires par des pontages provisoires (35) enjambant les logements, au moins deux pontages comportant chacun un ergot extérieur (36),

• Empiler les ébauches en les maintenant alignées par l'intermédiaire des ergots extérieurs,

• Immobiliser l'empilement des ébauches,

• Supprimer l'ensemble des pontages provisoires (35) afin de libérer l'accès radial aux logements (40).

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on immobilise l'empilement des ébauches entre des flasques latéraux (5, 5') par l'intermédiaire de tirants (6), les flasques latéraux et les tirants faisant ensuite partie intégrante du rotor.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les pontages provisoires (32) sont supprimés par usinage.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le découpage des ébauches a en outre pour effet de définir des rainures longitudinales (31) dans les parois des logements à proximité du bord extérieur (32) des pièces polaires (30).

5. Procédé selon la revendication 3 dans lequel l'usinage a en outre pour effet de réaliser des rainures longitudinales (31) dans les parois des logements à proximité du bord extérieur (32) des pièces polaires (30).

6. Procédé selon la revendication 4 ou 5 comprenant en outre une étape subséquente consistant à insérer les aimants (4) radialement dans les logements (40) puis à placer des cales (51) de maintien radial des aimants dans les ramures longitudinales (31).

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les ébauches sont obtenues par découpage d'un feuillard, notamment par emboutissage.

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on retourne une ébauche sur deux après son découpage et avant son empilage.

9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel on indexe chaque ébauche d'un angle oc par rapport à l'ébauche précédente au cours de l'empilage, OC étant un multiple de 360°/n.

10. Machine électrique tournante comprenant un rotor intérieur (1) obtenu par le procédé selon l'une des revendications précédentes.