EP4038723A1 - Rotor de machine electrique tournante - Google Patents

Rotor de machine electrique tournante

Info

Publication number
EP4038723A1
EP4038723A1 EP20796865.2A EP20796865A EP4038723A1 EP 4038723 A1 EP4038723 A1 EP 4038723A1 EP 20796865 A EP20796865 A EP 20796865A EP 4038723 A1 EP4038723 A1 EP 4038723A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
shaft
groove
tongue
tongues
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20796865.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Samuel KOECHLIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nidec PSA Emotors SAS
Original Assignee
Nidec PSA Emotors SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nidec PSA Emotors SAS filed Critical Nidec PSA Emotors SAS
Publication of EP4038723A1 publication Critical patent/EP4038723A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures

Definitions

  • the present invention relates to the field of rotating electrical machines and more particularly the rotors of such machines.
  • the invention relates in particular to the mounting of the rotor on a shaft of the machine, and in particular to the connection between G shaft and a rotor mass of the rotor.
  • the invention relates more particularly to synchronous or asynchronous machines with alternating current. It relates in particular to traction or propulsion machines for electric motor vehicles (Battery Electric Vehicle) and / or hybrids (Hybrid Electric Vehicle - Plug-in Hybrid Electric Vehicle), such as passenger cars, vans, trucks or buses.
  • the invention also applies to rotating electrical machines for industrial and / or energy production applications, in particular naval, aeronautical or wind turbines.
  • the invention aims to meet this need and it achieves it, according to one of its aspects, by means of an electric machine rotor, rotating around an axis of rotation X, the rotor comprising:
  • a rotor mass extending along the axis of rotation X and arranged around the shaft, the rotor comprising means for transmitting torque between the rotor mass and the shaft, the torque transmission means comprising at least one groove, in particular at least two grooves, and at least two tongues, each tongue cooperating with the groove or grooves, the tongues undergoing a plastic deformation during the insertion of the rotor mass on the shaft.
  • the torque transmission means allow the rotational drive of the rotor mass by the shaft or of the shaft by the rotor mass.
  • the cooperation of the tongues and the groove or grooves makes it possible to make the shaft and the rotor mass integral in rotation.
  • the plastic deformation of the tabs allows the existence of a preload in the torque transmission means, which promotes the strength of the connection between the shaft and the rotor mass. This avoids the risk of sudden detachment, even with high torque.
  • the tab (s) may deform during use of the rotor, but without inducing play with the shaft. Very efficient torque transmission is ensured whatever the speed of rotation, without excessive pre-stressing on the rotor mass.
  • the implementation of the invention avoids the need for very precise sizing and high precision machining, thanks to a significant deformation of the tongues beyond the elastic limit.
  • the lack of clearance between the rotor mass and the shaft nevertheless allows the necessary torque reversals. The cost is therefore reduced. Judicious sizing ensures torque transmission while limiting the assembly effort.
  • each tongue can cooperate with a groove.
  • two or more tongues can cooperate with the same groove.
  • the torque transmission means may include several grooves and several tongues, in particular an even number of tongues, each tongue being able to cooperate with a groove or two tongues cooperating with a groove.
  • Each groove can cooperate with one or more tongues, in particular one or two tongues.
  • the groove or grooves have two lateral sides, each tongue resting on a side of the groove.
  • the tongue can be formed on the rotor mass, and the groove in the shaft. This configuration is particularly advantageous when the rotor mass can be deformed more easily than the shaft, since the tongue undergoes plastic deformation. This is the case, for example, when the rotor mass is formed from a stack of sheets.
  • the shaft Apart from the groove (s), the shaft is of circular cross section.
  • the tongue is preferably formed in a central bore of the rotor mass intended to receive the rotor shaft. The deformation of the tongue (s) can be promoted by the lamination of the rotor mass, each sheet of the rotor mass being able to deform independently of its neighbors.
  • the groove could be formed on the rotor mass, and the tongue on the shaft.
  • One of the tongue and groove may be asymmetric with respect to a plane containing the axis of rotation.
  • the tongue is asymmetrical. Thanks to this asymmetry, the tongue is deformed when it is inserted into the groove.
  • the tongue may have a first lateral edge intended to come into contact with the groove.
  • the tongue may have a second lateral edge which is not intended to be in contact with the groove.
  • This second lateral edge can be substantially rectilinear, or even entirely rectilinear. It can extend substantially parallel to a radial axis of the rotor, or even entirely parallel to a radial axis of the rotor.
  • the tongue may include a third circumferential edge which may, before insertion of the shaft into the rotor mass, extend substantially circumferentially, then, after insertion of the shaft into the rotor mass and plastic deformation of the tongue , extend with a non-zero angle with respect to a plane normal to a radial axis of the rotor.
  • This third circumferential edge is not intended to be in contact with the groove.
  • the sizing of the groove or grooves can also overcome problems of dimensional tolerances. A large tolerance of their sizing is possible.
  • the groove or grooves can be produced by simple milling.
  • the groove may have an entry chamfer.
  • the chamfer extends longitudinally. This chamfer helps to promote the entry of the tongue when inserting the rotor mass on the shaft.
  • the plastic deformation of the tongue can take place in a plane perpendicular to the axis of rotation X of the rotor.
  • the tongue deforms in a circumferential direction. Essentially, the tongue does not deform radially or axially.
  • the tab or tabs are deformed in the plane of the sheets so as to exert a prestress in the orthoradial direction. This deformation must be large enough to compensate for all the geometric defects in the assembly. It generates plasticization at the foot of the tongue.
  • the tongue may have at its base at least one lateral rib, or even two lateral ribs on either side.
  • the rib (s) extend longitudinally.
  • the rib or ribs allow easy deformation of the tongue. They also make it possible to avoid any possible contact between the rotor mass and the shaft, in particular one or more edges of the shaft at the level of the groove.
  • base of the tongue is meant the part of the tongue which does not fit into the groove with which it cooperates.
  • the lateral ribs make it possible to limit the mechanical stresses in the region of the base of the tongue. They can also make it possible to circulate a cooling fluid which can then flow along the shaft of the rotor.
  • the lateral ribs are preferably of rounded shape in cross section, for example of circular or elliptical contour.
  • the lateral rib (s) may be of square or rectangular outline, or of any other polygonal shape.
  • the lateral ribs may have an outline comprising one or more curved portions, in particular circular, and / or one or more rectilinear portions.
  • the circular portions of the outline may have a diameter of between 2 and 7 mm, better still between 4 and 5 mm, for example of the order of 4.6 mm.
  • the rounded side ribs have the advantage of being easy to make.
  • the lateral rib may be delimited by a circular portion arranged between two rectilinear portions.
  • the value of the angle between the two rectilinear portions may be between 10 and 50 °, better still between 15 and 40 °, better still between 20 and 30 °, for example of the order of 27 °.
  • the lateral rib may be in contact with the circumference of the shaft at two points, for example at the level of the top of the side of the groove and at a point of the shaft outside the groove.
  • the distance between the axis of rotation of the rotor and the point of contact between the shaft and the lateral rib outside the groove can be between 15 and 30 mm, better still between 20 and 25 mm, for example of the order of 21.8 mm. This distance is equal to the bore radius of the sheet.
  • opening width of a lateral rib is understood to mean the circumference of the rotor shaft between the two points of contact of the lateral rib with the rotor shaft.
  • the opening width of the lateral rib may be between 1 and 15 mm, better still between 2 and 10 mm, for example of the order of 5.5 mm.
  • the torque transmission means may include a single groove, with which two tongues cooperate.
  • the two tongues can fit into the same groove, each pressing against a side of the groove.
  • the tabs deform in a plane perpendicular to the axis of rotation X of the rotor as they approach each other. In one embodiment, they may not deviate from each other. The purpose of this bringing together between the two tongues is to improve the mechanical strength of the sheet on the rotor shaft.
  • each tongue protrudes from the side of the groove and covers the rotor shaft over an interference width between 0.05 and 0.5 mm, better still between 0.1 and 0.4 mm, better still between 0.2 and 0.3 mm, for example of the order of 0.23 mm.
  • a recess may be present between the two tongues cooperating with the same groove.
  • a median plane of the recess may be a plane containing the X axis of rotation and dividing the recess into two equal parts. There may be a plane of symmetry for the recess.
  • the two tongues can be symmetrical to one another with respect to the median plane of the recess.
  • the recess has a bottom which is disposed between the bases of the two tongues.
  • the bottom of the recess preferably has a portion of rounded shape, for example circular or elliptical.
  • the bottom of the recess may present at the base of the two tongues a portion which may be square, rectangular, or of any other polygonal shape.
  • the recess is delimited by a curved portion disposed between two rectilinear portions.
  • the bottom portion of the recess may have a diameter of between 0.5 and 8 mm, better still between 1 and 4 mm, for example of the order of 2 mm.
  • This recess also makes it possible to limit the risk of contact between the two tongues when they come closer at the time of insertion on the shaft.
  • such a recess is large enough so that the cutting punch is not too thin.
  • the distance between the axis of rotation and the center of the curvature of the circular portion of the bottom of the recess between two tongues cooperating with the same groove may be between 15 and 30 mm, better still between 20 and 25 mm, for example. of the order of 23.8 mm.
  • the distance between the point of the lateral rib furthest from the axis X of rotation and the point of the recess furthest from the axis X of rotation is called "width at the foot of a tongue".
  • the width at the foot of each tongue is for example between 1 and 15 mm, better still between 2 and 10 mm, better still between 4 and 8 mm, for example of the order of 6.9 mm. Tongues having such a width at the foot have the advantage of not deforming too markedly when inserting the sheet onto the shaft. Such tongues thus ensure good retention of the sheets during the rotation of the rotor.
  • Each tab has two side edges.
  • the two side edges are connected by a circumferential edge forming the end of the tongue.
  • the width of the end of the tongue is between 0.5 and 10 mm, better still between 1 and 5 mm, for example of the order of 1.8 mm.
  • the side edge (s) may be rectilinear.
  • the lateral edge (s) may comprise at least one rectilinear portion and one curved portion.
  • the lateral edge (s) may comprise three curved portions and two rectilinear portions.
  • the two lateral edges of each tongue comprise at least one curved portion and at least one rectilinear portion.
  • the two side edges of each tab are rectilinear.
  • one of the side edges is rectilinear and the other side edge has at least one curved portion and at least one portion.
  • one of the lateral edges comprises a curved portion and a rectilinear portion and the other lateral edge comprises three curved portions and two rectilinear portions.
  • the rectilinear portions of the two lateral edges of each tongue are not parallel.
  • the rectilinear portions of the side edges are parallel.
  • the median plane of a tongue is considered to be the plane containing the X axis of rotation passing through the middle of the end of the tongue.
  • each tab is asymmetrical with respect to its median plane.
  • the rectilinear portions can form an angle with the median plane of the tongue by a value of between 1 and 40 °, better between 5 and 30 °, better between 10 and 20 °, for example of the order of 12 or 15 ° .
  • the inclination of the rectilinear portions of the side edges of a tongue is not the same for the two side edges.
  • the width of the tongue may not be constant.
  • the tongue may be thinner at its end than at its base.
  • the width of the tongue base can vary between the circumference of the shaft and the foot of the tongue.
  • the width of the base of the tongue may increase by the circumference of the shaft at the foot of the tongue.
  • the tongue may be wider at its end than at its base.
  • the tongue may be of constant width.
  • the distance between the two lateral edges of the two tongues in contact with the sides of the groove can be between 1 and 30 mm, better between 2 and 20 mm, better between 5 and 10 mm, for example of the order of 6 , 4 or 7.2 mm. Preferably, this spacing is not constant over the entire length of the tongues.
  • the latter may in particular include a convex portion in its part closest to the X axis of rotation.
  • a convex shape makes it possible to ensure that the contact between the lateral flank of the tongue and the groove is always made in the same zone.
  • the width of each tongue at the level of the circumference of the shaft may be between 0.5 and 10 mm, better still between 1 and 5 mm, even better between 2 and 3 mm, for example of the order of 2.93 mm.
  • the width of the tongue at the level of the deformation thereof may be between 1 and 10 mm, better still between 2 and 5 mm, more preferably between 3 and 4 mm, for example of the order of 3.2 mm. Such a width makes it possible to ensure a good holding force of the tongue against the tree.
  • the two tongues cooperating with the same groove can be spaced apart by a distance of between 0.5 and 10 mm, better still between 1 and 5 mm, better still between 2 and 4 mm, for example of the order of 2.6 mm .
  • the spacing distance of the two tabs corresponds to the width of the recess.
  • the distance between the median plane of the recess and the side edge closest to the recess of one of the two tabs measured at the level of the end of the tab is between 0.2 and 5 mm, better between 0.5 and 2.5 mm, better still between 1 and 2 mm, for example of the order of 1.3 mm.
  • the torque transmission means may include a single groove and two tongues cooperating with this groove.
  • the torque transmission means may include two grooves arranged at 180 ° to each other and four tongues, each groove cooperating with two tongues.
  • the torque transmission means may comprise three grooves arranged at 120 ° to each other and six tongues, each groove cooperating with two tongues.
  • the torque transmission means may comprise four grooves arranged at 90 ° to each other and eight tongues, each groove cooperating with two tongues.
  • the torque transmission means may comprise at least two grooves and two tongues, each tongue cooperating with a groove.
  • the torque transmission means may include an even number of tongues, each tongue cooperating with a groove, or even two tongues cooperating with the same groove, or even an even number of grooves and tongues, each tongue cooperating with a single groove.
  • the torque transmission means comprise two grooves and two tongues, each tongue cooperating with a groove.
  • the torque transmission means comprise four grooves and four tongues, each tongue cooperating with a groove.
  • the torque transmission means comprise three grooves and three tongues, each tongue cooperating with a groove.
  • the torque transmission means may include a groove which, in a first given transverse section of the rotor, does not cooperate with a tongue.
  • a tongue may cooperate with said groove in a second cross section of the rotor remote from the first cross section.
  • the torque transmission means may for example comprise three grooves and two tongues, each tongue cooperating with a groove and a groove remaining devoid of tongue, in a given cross section.
  • the groove (s) and tongue (s) can be configured so as to allow torque transmission in both directions, regardless of the direction of rotation of the rotor, both with positive torque, in the event of acceleration, and with a negative torque, when braking.
  • the torque transmission means can for this purpose comprise contact zones between the groove or grooves and the tongues which are opposite in the orthoradial direction.
  • the groove or grooves may have non-parallel flanks, for example in the case of a flared groove section.
  • the groove sides may or may not be rectilinear.
  • the groove flanks may for example have a convex shape, for example similar to that of a gear tooth flank.
  • the two tongues and the two grooves may be respectively symmetrical to each other with respect to a plane of symmetry containing the axis of rotation.
  • Such a symmetrical configuration allows torque transmission in both directions, regardless of the direction of rotation of the rotor, both with positive torque, in the event of acceleration, and with negative torque, in the event of braking.
  • the rotor mass can be formed from a stack of sheets, in particular sheets that are all substantially identical, namely at least identical on the side of the shaft.
  • the sheets are magnetic.
  • the plates of the rotor mass can all be identical on the side of their cooperation with the shaft.
  • the rotor mass may not be massive.
  • the tabs are made in one piece with the sheets.
  • the stack of sheets of the rotor mass may include sheets arranged in one direction and sheets turned in the other direction.
  • the sheets can be turned over in bundles, the stack of sheets of the rotor mass comprising an alternation of packs of sheets arranged in one direction and packs of sheets turned upside down in the other direction.
  • a more homogeneous distribution of the stresses in the rotor is thus obtained. Performances of the machine are improved, particularly in terms of vibrations, noise, and torque ripples.
  • At least one sheet can be configured such that the stack of sheets has at least one sheet offset angularly about the axis of rotation relative to another sheet.
  • cyclic pattern is understood to mean the geometric or magnetic characteristics which are reproduced when one turns around the rotor, for example the pairs of poles or the notches.
  • a sheet can be angularly offset as much as a cyclic pattern, so as to obtain as many angular positions as there are grooves, for example two, three or four times, provided that the number of grooves is a sub-multiple of the number of cyclic patterns.
  • a sheet 180 ° around an axis of diametral chosen perpendicular to the axis of rotation of the rotor so as to arrange it in the other direction, as mentioned above.
  • one and the same sheet can be used to produce up to twice the number of cyclic patterns, and the number of grooves to be machined in the shaft is reduced.
  • a four-pole rotor has two cyclic patterns. We can therefore have four different positions with one and the same sheet metal shape. Two grooves and two tongues allow these four positions to be achieved.
  • a six-pole rotor has three cyclic patterns. We can therefore have six different positions with one and the same sheet metal shape. Three grooves and two tongues allow these six positions to be achieved.
  • the rotor may include permanent magnets, with in particular surface or buried magnets.
  • the rotor can be in flux concentration. It can include one or more layers of magnets arranged in I, U or V.
  • it may be a wound or squirrel cage rotor, or a variable reluctance rotor.
  • the number of poles P at the rotor is for example between 4 and 48, being for example 4, 6, 8, 10 or 12.
  • the diameter of the rotor may be less than 400 mm, better still less than 300 mm, and greater than 50 mm, better still greater than 70 mm, being for example between 100 and 200 mm.
  • the housings of the permanent magnets can be made entirely by cutting from the sheets. Each sheet of the stack of sheets can be made in one piece.
  • Each sheet is, for example, cut from a sheet of magnetic steel or containing magnetic steel, for example steel 0.1 to 1.5 mm thick.
  • the sheets can be coated with an electrically insulating varnish on their opposite sides before they are assembled in the stack. Electrical insulation can also be obtained by heat treatment of the sheets, if necessary.
  • the rotor mass can be made from compacted or agglomerated magnetic powder.
  • the rotor magnetic mass may have salient poles.
  • the poles can be integral with the rest of the rotor mass, or attached to it.
  • the shaft can be made of a magnetic material, which advantageously reduces the risk of saturation in the rotor mass and improves the electromagnetic performance of the rotor.
  • the rotor comprises a non-magnetic shaft on which the rotor mass is placed.
  • the shaft can be made at least in part in a material from the following list, which is not exhaustive: steel, stainless steel, titanium or any other non-magnetic material
  • the rotor mass can in one embodiment be arranged directly on the non-magnetic shaft, for example without an intermediate rim.
  • the rotor may include a rim surrounding the shaft of the rotor and coming to bear on the latter.
  • the rotor mass may have one or more holes to lighten the rotor, allow its balancing or for the assembly of the rotor plates constituting it. Holes can allow the passage of tie rods now integral with each other the sheets.
  • the sheets can be cut in a tool one after the other. They can be stacked and clipped or glued in the tool, in complete packages or under- packages. The sheets can be snapped onto each other. Alternatively, the sheet bundle can be stacked and welded outside the tool.
  • the rotor mass may have an outer contour which is circular or multilobed, a multilobed shape which may be useful, for example, for reducing torque ripples or current or voltage harmonics.
  • the rotor may or may not be cantilevered relative to the bearings used to guide the shaft.
  • the rotor can be produced in several sections aligned in the axial direction, for example at least two sections. Each of the sections can be angularly offset with respect to the adjacent pieces (“step skew” in English).
  • the first and second cross sections belong to sections of the rotor which are angularly offset with respect to adjacent pieces.
  • the torque transmission means may for example comprise three grooves and two tongues, each tongue cooperating with a groove and a groove remaining devoid of tongue, in a given cross section.
  • the grooves of a rotor can all have the same width or angular extent. As a variant, they may include two identical grooves, and a third groove having a different angular extent or width, for example greater. This configuration can also make it possible to obtain a certain angular offset of the rotor mass with respect to the shaft, as a function of the sections and of the cooperation or not of one or more tongues with the groove of different angular extent or width, eg higher.
  • the machine can be used as a motor or as a generator.
  • the machine can be reluctance. It can constitute a synchronous motor or as a variant a synchronous generator. As a further variant, it constitutes an asynchronous machine.
  • the maximum speed of rotation of the machine can be high, being for example greater than 10,000 rpm, better still greater than 12,000 rpm, being for example of the order of 14,000 rpm at 15,000 rpm or even 20,000 rpm or 25,000 rpm.
  • the maximum speed of rotation of the machine may be less than 100,000 rpm, or even 60,000 rpm, or even less than 40,000 rpm, better still less than 30,000 rpm.
  • the machine may have a single inner rotor or, alternatively, an inner rotor and an outer rotor, arranged radially on either side of the stator and coupled in rotation.
  • the machine can be inserted alone in a housing or inserted in a gearbox housing. In this case, it is inserted in a housing which also houses a gearbox.
  • the machine has a stator.
  • the latter comprises teeth defining notches between them; the stator may comprise electrical conductors, at least some of the electrical conductors, or even a majority of the electrical conductors, which may be in the shape of a U-shaped or I-shaped pin.
  • the notches can be at least partially closed.
  • a partially closed notch makes it possible to provide an opening at the level of the air gap, which can be used, for example, to position the electrical conductors for filling the notch.
  • a partially closed notch is in particular formed between two teeth which each have pole shoes at their free end, which close the notch at least in part.
  • the notches can be completely closed.
  • “fully closed notch” is meant notches which are not open radially towards the air gap.
  • At least one notch, or even each notch can be continuously closed on the side of the air gap by a bridge of material formed in one piece with the teeth defining the notch. All the notches can be closed on the side of the air gap by bridges of material closing the notches. The bridges of material can come in one piece with the teeth defining the notch. The stator mass is then devoid of any cutout between the teeth and the bridges of material closing the notches, and the notches are then continuously closed on the side of the air gap by the bridges of material coming in one piece with the teeth defining the notch.
  • the notches can also be closed on the side opposite the air gap by an attached yoke or in one piece with the teeth. The notches are then not open radially outwards.
  • the stator mass may have no cutout between the teeth and the cylinder head.
  • each of the notches has a continuously closed contour.
  • continuously closed is meant that the notches have a continuous closed contour when viewed in cross section, taken perpendicular to the axis of rotation of the machine. You can go all the way around the notch without encountering a cutout in the stator mass.
  • the stator mass can be produced by stacking magnetic sheets, the notches being formed by cutting the sheets.
  • the stator mass can alternatively be produced by cutting from a mass of sintered or agglomerated magnetic powder. The closing of the notches on the side of the air gap is obtained by bridges of material coming in one piece with the rest of the sheets or the block forming the stator mass.
  • the stator may be without magnetic wedges attached for closing the notches. This eliminates the risk of accidental detachment of these wedges.
  • the stator may include coils distributed in a distributed manner in the notches, in particular having electrical conductors arranged in a row in the notches.
  • distributed is meant that at least one of the coils passes successively through two non-adjacent notches.
  • the electrical conductors may not be arranged in the notches in bulk but in an orderly manner. They are stacked in the notches in a non-random manner, being for example arranged in rows of aligned electrical conductors.
  • the stack of electrical conductors is, for example, a stack in a hexagonal network in the case of electrical conductors of circular cross section.
  • the stator may include electrical conductors housed in the notches. Electrical conductors at least, see a majority of electrical conductors, can be in the shape of pins, U or I.
  • the pin can be U-shaped ("U-pin” in English) or straight, being in form of I ("I-pin” in English).
  • each electrical conductor can comprise one or more strands (“wire” or “strand” in English).
  • strand is meant the most basic unit for electrical conduction.
  • a strand can be of round cross section, then we can speak of 'thread', or flat.
  • the flat strands can be shaped into pins, for example U or I.
  • Each strand is coated with an insulating enamel.
  • the electrical conductors can form a single coil, in particular whole or fractional.
  • single winding is meant that the electrical conductors are electrically connected together in the stator, and that the connections between the phases are made in the stator, and not outside the stator, for example in a terminal box. .
  • a coil is made up of a number of phases m spatially shifted in such a way that when supplied by a multi-phase current system, they produce a rotating field.
  • the winding can be whole or fractional.
  • the winding can be full in pitch with or without shortening, or in a fractional variant.
  • the electrical conductors form a fractional winding, in particular with a shortened pitch.
  • the winding can be corrugated.
  • the electrical conductors can be placed in series in a so-called corrugated winding.
  • corrugated winding is understood to mean a winding in which the electrical conductors of the same phase and of the same pole are electrically connected to one another so that, for a winding path, the electric current of the phase circulates in the electrical conductors rotating around the axis of rotation of the machine, always in one direction.
  • the electrical conductors of the same phase and the same pole do not overlap when viewed perpendicular to the axis of rotation of the machine.
  • the winding can have a single winding path or several winding paths.
  • electrical conductor flows the current of the same phase by winding.
  • winding path is meant all the electrical conductors of the machine which are traversed by the same electric current of the same phase.
  • These electrical conductors can be connected to each other in series or in parallel or in series-parallel. In the case where there is only one channel, the electrical conductors are connected in series. In the case where there are several channels, the electrical conductors of each channel are connected in series, and the channels are connected in parallel.
  • the electrical conductors can thus form a distributed coil.
  • the winding may not be focused or wound onto tooth.
  • the stator has a concentrated winding.
  • the stator may include teeth and coils arranged on the teeth. The stator can thus be wound on teeth, in other words with an undistributed winding.
  • the teeth of the stator may include pole shoes.
  • the stator teeth are devoid of pole shoes.
  • the stator may include an outer casing surrounding the yoke.
  • the stator teeth can be made with a stack of magnetic sheets, each covered with an insulating varnish, in order to limit losses by induced currents.
  • the subject of the invention is also, independently or in combination with the above, a method for manufacturing a rotor as defined above.
  • the process can include the following steps:
  • the rotor mass can be moved along the axis of rotation X relative to the shaft.
  • the rotor mass can be held stationary, and the shaft can be threaded into the rotor mass, or alternatively the shaft can be kept stationary, and the rotor mass can be threaded onto the shaft. Thanks to the invention, the force required for insertion is reduced, in particular compared to a rotor which would be assembled with a clamping system. In addition, centering is easier, as is the angular alignment of the rotor poles. Insertion is made easier, as is the assembly process. The number of operations necessary for the implementation of the method can be reduced, as well as the need for auxiliary tools.
  • Figure 1 is a cross-sectional view, schematic and partial, of a rotor made in accordance with the invention.
  • FIG. 2 is a detailed perspective view of the rotor of Figure 1.
  • FIG. 3 is a view similar to FIG. 1 of an upturned sheet.
  • Figure 4 is a view similar to Figure 2 of an alternative embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic and partial view of the assembly of the rotor of FIG.
  • Figure 6 is a cross-sectional view, schematic and partial, of the rotor of Figure 4.
  • Figure 7 illustrates the possible positions for a 4 pole rotor.
  • Figure 8 illustrates the possible positions for a 6 pole rotor.
  • Figure 9 is a cross-sectional view, schematic and partial, of an alternative embodiment.
  • Figure 10 is a detail view of Figure 9.
  • Figure 11 is a perspective view of the shaft of the embodiment of Figures 9 and 10.
  • Figure 12 is a cross-sectional view, schematic and partial, of the shaft of Figure 11.
  • FIG. 13 is a detailed perspective view of an alternative embodiment.
  • Figure 14 is a cross-sectional view, schematic and partial, of the rotor of Figure 13.
  • Figure 15 is a perspective view of the rotor of Figure 13.
  • Figure 16 is a view similar to Figure 14.
  • Figure 17 is a view similar to Figure 14.
  • Figure 18 is a view similar to Figure 14.
  • Figure 19 is a detail view of Figure 14.
  • FIG. 1 and 2 there is illustrated in Figures 1 and 2 an inner rotor 1 of a rotating electrical machine, also comprising an outer stator not shown.
  • the stator generates a rotating magnetic field to drive the rotating rotor 1, as part of a synchronous motor, and in the case of an alternator, the rotation of the rotor induces an electromotive force in the stator windings.
  • the rotor 1 shown in FIG. 1 comprises a rotor magnetic mass 3 extending axially along the axis of rotation X of the rotor, this rotor mass being by example formed by a package of magnetic sheets stacked along the X axis, the sheets being for example identical and exactly superimposed. They can be held together by clipping, rivets, tie rods, welds or any other technique.
  • the magnetic sheets are preferably made of magnetic steel. All grades of magnetic steel can be used.
  • the rotor mass 3 has a central opening for mounting on a shaft 5.
  • the shaft can, in the example under consideration, be made of a non-magnetic material, for example non-magnetic stainless steel or aluminum, or on the contrary be magnetic.
  • the rotor 1 comprises torque transmission means 10 between the rotor mass 3 and the shaft 5.
  • These torque transmission means comprise two grooves 12 formed in the shaft 5 and two tongues 14 formed on the shaft. the rotor mass 3, each tongue 14 cooperating with a groove 12.
  • the tongue 14 undergoes a plastic deformation during the insertion of the rotor mass 3 on the shaft 5.
  • the plastic deformation of the tongue 14 allows the existence of a prestress in the torque transmission means, which promotes strength. the connection between the shaft and the rotor mass.
  • the tongue 14 is asymmetric. In cross section, the tongue 14 has a first lateral edge
  • the tongue has a second lateral edge 16 which is not intended to be in contact with the groove.
  • This second lateral edge is rectilinear, extending parallel to a radial axis of the rotor.
  • the tongue finally comprises a third circumferential edge 17 which may, before insertion of the shaft into the rotor mass, extend substantially circumferentially, then extend, after insertion of the shaft into the rotor mass and deformation. plastic of the tongue, with a non-zero angle with respect to a plane normal to a radial axis of the rotor. This third circumferential edge 17 is not intended to be in contact with the groove.
  • the two tongues 14 and the two grooves 12 are respectively symmetrical to one another with respect to a plane of symmetry P containing G axis of the machine. It is thus possible to have torque transmission in both directions.
  • the grooves 12 each have an inlet chamfer 13 which extends longitudinally, which makes it possible to promote the entry of the corresponding tongue when inserting the rotor mass 3 on the shaft 5.
  • the plastic deformation of the tabs takes place in a plane perpendicular to the axis of rotation X of the rotor, in a circumferential direction.
  • the tongues are deformed in the plane of the sheets so as to exert a prestress in the orthoradial direction. This deformation must be large enough to compensate for all the geometric defects in the assembly. It generates plasticization at the foot of the tongue.
  • Each tongue 14 has at its base two lateral ribs 18 on either side, which extend longitudinally, and which facilitate easy deformation of the tongue. They also make it possible to avoid any possible contact between the rotor mass and the shaft, in particular one or more ridges 19 of the shaft at the level of the groove.
  • the rib has a substantially flat bottom or extending circumferentially.
  • the rib 18 may be in cross section of generally rounded shape, as illustrated in Figure 4.
  • the rotor mass is formed by a stack of magnetic sheets all substantially identical.
  • the stack of sheets of the rotor mass may include sheets arranged in one direction and sheets turned in the other direction, as illustrated in Figure 3, which illustrates the sheet of Figure 1 turned around an axis perpendicular to the plan P.
  • Certain sheets can also be angularly offset about the axis of rotation relative to another sheet. Thus, with a single form of sheet, it is possible to obtain several different angular positions.
  • the rotor has 4 poles and two cyclic patterns. We can therefore have 4 different positions with one and the same sheet metal shape. Two grooves and two tongues make it possible to achieve these four positions, with rotation of 180 ° in the plane and turning around the direct axis d.
  • the rotor has 6 poles and three cyclic patterns.
  • the torque transmission means comprise three grooves and two tongues, each tongue of the pack of sheets resting successively on a different groove side, when moving along the axis of rotation of the rotor. We can therefore have 6 different positions with one and the same sheet metal shape. Three grooves and two tongues make it possible to achieve these six positions, with rotation of 120 ° in the plane and turning around the direct axis d. In this example, we then have three sections of the rotor, or a multiple of three.
  • each tongue cooperates with a groove and a groove remains devoid of a tongue, in a given cross section.
  • the first and second cross sections belong to sections of the rotor which are angularly offset from adjacent pieces, by approximately 120 ° in the example described.
  • the grooves of a rotor can all have the same width or angular extent. As a variant, and as illustrated schematically in FIG. 8, they may comprise three grooves having different angular extents or widths. This configuration makes it possible to obtain a certain angular offset of the rotor mass with respect to the shaft, depending on the sections and on the cooperation or not of one or more tongues with the groove of different angular extent or width.
  • the two identical grooves are 4 mm wide, for a 43 mm diameter shaft.
  • a uniform twist pitch of 2.78 ° is obtained.
  • the angle a1 between the direct axis, which defines the middle of a pole, and the first side of the widest groove is 3.78 °.
  • the angle a2 between the direct axis, which defines the midpoint of a pole, and the second flank of the widest groove is 9.35 °.
  • the angle a3 between the direct axis, which defines the midpoint of a pole, and the first flank of the second groove is 119 °.
  • the angle a4 between two consecutive tongues after assembly, that is to say after plastic deformation is 135.90 °.
  • the axis d can be defined generally, even in the absence of a magnet, as the axis of polar symmetry, or the axis of symmetry of a cyclic pattern.
  • the angle a4 giving the distance between the tongues is equal to the sum of the angle of the cyclic pattern plus the width of the groove plus the twist pitch.
  • the twist pitch can be chosen between 1 and 5 °, for example between 2 ° and 3.4 °, in particular between 2.1 ° and 3 °.
  • the grooves comprise two identical grooves, and a third groove having a different angular extent or width, namely greater.
  • This configuration makes it possible to obtain a certain angular offset of the rotor mass with respect to the shaft, depending on the sections and on the cooperation or not of one or more tongues with the groove of different angular extent or width, for example. superior.
  • the rotor has six cyclic patterns.
  • the d axis can be defined generally, even in the absence of a magnet, as the axis of polar symmetry, or the axis of symmetry of a cyclic pattern.
  • each tongue protrudes from the side of the groove and covers the rotor shaft over an interference distance di of the order of 0.23 mm.
  • each tongue 12 comprises at its base a lateral rib 18.
  • Each lateral rib 18, when observed in cross section, is delimited by a contour which comprises a circular portion 180 disposed between two rectilinear portions 181, 18G.
  • the diameter of the circular portion 180 is of the order of 4.6 mm.
  • Lateral rib 18 is in contact with the circumference of the shaft at the top side of the groove A1 and at a point of the shaft outside the groove A2.
  • the opening length lo of the lateral rib is of the order of 5.5 mm.
  • the distance Rn between the axis X of rotation of the rotor and the point A2 of contact between the shaft and the lateral rib outside the groove is of the order of 21.8 mm.
  • the angle between the two rectilinear portions 181, 18G is of the order of 25 °.
  • a recess 20 is present between the two tongues 14 cooperating with the same groove 12.
  • the median plane of the recess Pe contains the axis X of rotation and divides the recess 20 in two equal parts.
  • the two tongues 14 are symmetrical to one another with respect to the plane Pe.
  • the recess 20 has a bottom which is disposed between the bases of the two tongues.
  • the bottom of the recess is delimited by a circular portion 201 disposed between two rectilinear portions 202, 202 '.
  • the diameter of the circular portion 201 of the bottom of the recess 20, visible in FIG. 16, is of the order of 2 mm.
  • the distance Re between the axis of rotation X and the center Ce of curvature of the circular part of the bottom of the recess 20 is of the order of 23.8 mm.
  • the foot width Lp of each tongue is measured between the point An of the lateral rib 18 furthest from the axis X of rotation and the point Ae of the recess 20 furthest from the axis X of rotation.
  • the foot width Lp of each tab is of the order of 6.9 mm.
  • Each tongue has two side edges 140, 141.
  • the two side edges are connected by a circumferential edge forming the end 142 of the tongue.
  • the lateral edge 140 comprises a rectilinear portion 1400 and a curved portion 1401.
  • the rectilinear portion 1400 of the lateral edge 140 extends between the end 142 of the tongue and the curved portion 1401.
  • the rectilinear portion 1401 of the lateral edge 140 forms with the end 142 of the tongue a substantially right angle.
  • the other lateral edge 141 of the tongue has two rectilinear portions 1410, 140 'and three curved portions 1411 141 G 1411 ".
  • the end 142 of the tongue is connected to the lateral edge 141 by the curved portion 1411.
  • the median plane PI of the tongue 14 is the plane containing the axis X of rotation passing through the middle I of the end 142 of the tongue.
  • Each tab is asymmetrical with respect to its median plane PL
  • the rectilinear portion 1400 is inclined at an angle of the order of 15 ° relative to the median plane PL
  • the rectilinear portion 1410 is inclined at an angle of the order of 12 ° relative to the median plane Pl.
  • the width of the tongue is not constant.
  • the tongue is thinner at its end 142 than at its base.
  • the width of the tongue is thinner at its end than at its base.
  • the width of the ends 142 is of the order of 1.8 mm and the width of the tongues at the circumference of the shaft is of the order of 2.9 mm.
  • the width of the tongue at the level of the deformation thereof is of the order of 3.2 mm.
  • the two tongues 14 are spaced apart by a distance of the order of 2.6 mm. This distance corresponds to the width of the recess 20.
  • the distance between the median plane of the recess Pe and the side edge 140 closest to the recess measured at the level of the end of the tongue is order of 1.3 mm.
  • the width IRI between the two edges of the two tongues measured at a distance RI from the X axis of rotation is greater than the width 1 R2 measured at a distance R2 from the axis X of rotation when the distance RI is greater than the distance R2.
  • the assembly obtained can be impregnated before being inserted into the stator prepared elsewhere.

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Abstract

Rotor (1) de machine électrique, tournant autour d'un axe de rotation (X), le rotor comportant : - un arbre (5) disposé sur l'axe de rotation (X), - une masse rotorique (3) s'étendant selon l'axe de rotation (X) et disposée autour de l'arbre, le rotor comportant des moyens de transmission de couple (10) entre la masse rotorique et l'arbre, les moyens de transmissions de couple comportant au moins une rainure (12) et au moins deux languettes (14), chaque languette coopérant avec la rainure, les languettes (14) subissant une déformation plastique lors de l'insertion de la masse rotorique (3) sur l'arbre (5).

Description

Description
Titre : ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE
La présente invention revendique la priorité de la demande française 1910859 déposée le 1er octobre 2019 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
La présente invention concerne le domaine des machines électriques tournantes et plus particulièrement les rotors de telles machines. L’invention s’intéresse notamment au montage du rotor sur un arbre de la machine, et en particulier à la liaison entre G arbre et une masse rotorique du rotor.
Domaine technique
L’invention porte plus particulièrement sur les machines synchrones ou asynchrones, à courant alternatif. Elle concerne notamment les machines de traction ou de propulsion de véhicules automobiles électriques (Battery Electric Vehicle) et/ou hybrides (Hybrid Electric Vehicle - Plug-in Hybrid Electric Vehicle), telles que voitures individuelles, camionnettes, camions ou bus. L’invention s’applique également à des machines électriques tournantes pour des applications industrielles et/ou de production d’énergie, notamment navales, aéronautiques ou éoliennes.
Technique antérieure
Il est connu de réaliser un rotor comportant une liaison entre l’arbre et le reste du rotor. Dans EP 2 549 624, cette liaison comporte une déformation radiale de dents.
Cependant, dans le cas de machines destinées à tourner à des vitesses de rotation élevées, il existe un risque que la masse rotorique du rotor ne s’étire sous l’effet de la vitesse, phénomène également nommé dilatation centrifuge. Dans le cas où la masse rotorique est fixée par serrage sur l’arbre de la machine, il faut alors augmenter le serrage, afin de garantir une pression de contact suffisante à haute vitesse. Des efforts d’emmanchement trop élevés peuvent dans certains cas conduire à une déformation de l’arbre, et une déformation des tôles hors plan peut se manifester par des déformations axiales irrégulières de la masse rotorique.
On peut également avoir des interférences électromagnétiques plus importantes, et un risque plus important de détachement brutal, en cas de couple trop élevé ou de chocs. Il existe donc un besoin pour bénéficier d’un rotor de machine électrique tournante permettant une mise en place aisée et moins coûteuse, et une utilisation plus simple et plus sûre.
Résumé de l’invention
L’invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, grâce à un rotor de machine électrique, tournant autour d’un axe de rotation X, le rotor comportant :
- un arbre disposé sur l’axe de rotation X,
- une masse rotorique s’étendant selon l’axe de rotation X et disposée autour de l’arbre, le rotor comportant des moyens de transmission de couple entre la masse rotorique et l’arbre, les moyens de transmissions de couple comportant au moins une rainure, notamment au moins deux rainures, et au moins deux languettes, chaque languette coopérant avec la ou les rainures, les languettes subissant une déformation plastique lors de l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre.
Les moyens de transmission de couple permettent l’entraînement en rotation de la masse rotorique par l’arbre ou de l’arbre par la masse rotorique. La coopération des languettes et de la ou des rainures permet de rendre l’arbre et la masse rotorique solidaires en rotation. La déformation plastique des languettes permet l’existence d’une précontrainte dans les moyens de transmission de couple, laquelle favorise la solidité de la liaison entre l’arbre et la masse rotorique. On évite ainsi le risque de détachement brutal, même en cas de couple élevé. La ou les languettes peuvent se déformer lors de l’utilisation du rotor, mais sans induire de jeu avec l’arbre. On assure une transmission de couple très efficace quelle que soit la vitesse de rotation, sans précontraintes excessives sur la masse rotorique.
La mise en œuvre de l’invention permet d’éviter d’avoir besoin de dimensionnements très précis et d’un usinage de grande précision, grâce à une déformation importante des languettes au-delà de la limite élastique. L’absence de jeu entre la masse rotorique et l’arbre permet néanmoins les inversions de couple nécessaires. Le coût est donc diminué. Un dimensionnement judicieux permet de garantir la transmission du couple, tout en limitant l’effort de montage.
Exposé de l’invention Dans un mode de réalisation, chaque languette peut coopérer avec une rainure. En variante, deux ou plusieurs languettes peuvent coopérer avec une même rainure. Les moyens de transmissions de couple peuvent comporter plusieurs rainures et plusieurs languettes, notamment un nombre pair de languettes, chaque languette pouvant coopérer avec une rainure ou deux languettes coopérant avec une rainure. Chaque rainure peut coopérer avec une ou plusieurs languettes, notamment une ou deux languettes.
Dans un mode de réalisation, la ou les rainures comportent deux flancs latéraux, chaque languette s’appuyant sur un flanc de la rainure.
La languette peut être formée sur la masse rotorique, et la rainure dans l’arbre. Cette configuration est avantageuse notamment quand la masse rotorique peut se déformer plus facilement que l’arbre, dans la mesure où la languette subit une déformation plastique. C’est par exemple le cas lorsque la masse rotorique est formée d’un empilement de tôles. En dehors de la ou des rainures, l’arbre est de section transversale circulaire. La languette est de préférence formée dans un alésage central de la masse rotorique destiné à recevoir l’arbre du rotor. La déformation de la ou des languettes peut être favorisée par le feuilletage de la masse rotorique, chaque tôle de la masse rotorique pouvant se déformer indépendamment de ses voisines.
En variante, il pourrait en être autrement et la rainure pourrait être formée sur la masse rotorique, et la languette sur l’arbre.
L’un de la languette et de la rainure peuvent être asymétrique par rapport à un plan contenant l’axe de rotation.
Dans une variante de réalisation, la languette est asymétrique. Grâce à cette asymétrie, on vient déformer la languette lors de son insertion dans la rainure. En section transversale, la languette peut comporter un premier bord latéral destiné à venir en contact avec la rainure. En section transversale, la languette peut comporter un deuxième bord latéral qui n’est pas destiné à être en contact avec la rainure. Ce deuxième bord latéral peut être sensiblement rectiligne, voir entièrement rectiligne. Il peut s’étendre sensiblement parallèlement à un axe radial du rotor, voire entièrement parallèlement à un axe radial du rotor. En section transversale, la languette peut comporter un troisième bord circonférentiel qui peut, avant insertion de l’arbre dans la masse rotorique, s’étendre sensiblement circonférentiellement, puis, après insertion de l’arbre dans la masse rotorique et déformation plastique de la languette, s’étendre avec un angle non nul par rapport à un plan normal à un axe radial du rotor. Ce troisième bord circonférentiel n’est pas destiné à être en contact avec la rainure. Une telle configuration de la languette permet de s’affranchir des problèmes de tolérances dimensionnelles.
Par ailleurs, le dimensionnement de la ou des rainures peut également s’affranchir des problèmes de tolérances dimensionnelles. Une grande tolérance de leur dimensionnement est possible. La ou les rainures peuvent être réalisées par fraisage simple.
La rainure peut comporter un chanfrein d’entrée. Le chanfrein s’étend longitudinalement. Ce chanfrein permet de favoriser l’entrée de la languette lors de l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre.
La déformation plastique de la languette peut avoir lieu dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation X du rotor. La languette se déforme dans une direction circonférentielle. Pour l’essentiel, la languette ne se déforme pas radialement, ni axialement.
La ou les languettes sont déformée dans le plan des tôles de façon à exercer une précontrainte dans la direction orthoradiale. Cette déformation doit être assez importante pour compenser tous les défauts géométriques de l’assemblage. Elle engendre une plastification en pied de languette.
La languette peut comporter à sa base au moins une nervure latérale, voire deux nervures latérales de part et d’autre. La ou les nervures s’étendent longitudinalement. La ou les nervures permettent la déformation aisée de la languette. Elles permettent également d’éviter tout contact éventuel entre la masse rotorique et l’arbre, notamment une ou des arêtes de l’arbre au niveau de la rainure.
Par "base de la languette", on entend la partie de la languette qui ne s'insère pas dans la rainure avec laquelle elle coopère.
Ces nervures latérales permettent de limiter les contraintes mécaniques dans la zone de la base de la languette. Elles peuvent également permettre de faire circuler un fluide de refroidissement qui pourra alors s'écouler le long de l'arbre du rotor. Les nervures latérales sont de préférence de forme arrondie en section transversale, par exemple de contour circulaire ou elliptique. En variante, la ou les nervures latérales peuvent être de contour carrées, rectangulaires, ou de toute autre forme polygonale. Les nervures latérales peuvent avoir un contour comportant une ou plusieurs portions courbes, en particulier circulaires et/ou une ou plusieurs portions rectilignes. Les portions circulaires du contour peuvent être de diamètre compris entre 2 et 7 mm, mieux entre 4 et 5 mm, par exemple de l'ordre de 4,6 mm. Les nervures latérales arrondies ont pour avantage d'être simples à réaliser. Dans un mode de réalisation particulier, la nervure latérale peut être délimitée par une portion circulaire disposée entre deux portions rectilignes. La valeur de l'angle entre les deux portions rectilignes peut être comprise entre 10 et 50°, mieux entre 15 et 40°, mieux entre 20 et 30°, par exemple de l'ordre de 27°.
La nervure latérale peut être en contact avec la circonférence de l'arbre en deux points, par exemple au niveau du haut du flanc de la rainure et au niveau d'un point de l'arbre hors de la rainure. La distance entre l'axe de rotation du rotor et le point de contact entre l'arbre et la nervure latérale hors de la rainure peut être comprise entre 15 et 30 mm, mieux entre 20 et 25 mm, par exemple de l'ordre de 21,8 mm. Cette distance est égale au rayon d'alésage de la tôle.
On entend par "largeur d'ouverture d'une nervure latérale", la circonférence de l'arbre du rotor entre les deux points de contact de la nervure latérale avec l'arbre du rotor. La largeur d'ouverture de la nervure latérale peut être comprise entre 1 et 15 mm, mieux entre 2 et 10 mm, par exemple de l'ordre de 5,5 mm.
Les moyens de transmissions de couple peuvent comporter une unique rainure, avec laquelle coopèrent deux languettes. Dans ce cas, les deux languettes peuvent s’insérer dans la même rainure, appuyant chacune sur un flanc de la rainure. De préférence, lors de l'insertion de la masse rotorique sur l'arbre, les languettes se déforment dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation X du rotor en se rapprochant l'une de l'autre. Dans un mode de réalisation, elles peuvent ne pas s’écarter l’une de l’autre. Ce rapprochement entre les deux languettes a pour but d'améliorer la tenue mécanique de la tôle sur l'arbre du rotor. Avant insertion de la masse rotorique sur l'arbre du rotor, chaque languette dépasse du flanc de la rainure et recouvre l'arbre du rotor sur une largeur d'interférence comprise entre 0,05 et 0,5 mm, mieux entre 0,1 et 0,4 mm, mieux entre 0,2 et 0,3 mm, par exemple de l'ordre de 0,23 mm.
Dans un mode de réalisation, un évidement peut être présent entre les deux languettes coopérant avec une même rainure. Un plan médian de l'évidement peut être un plan contenant l'axe X de rotation et divisant l'évidement en deux parties égales. Il peut être un plan de symétrie pour l’évidement. Les deux languettes peuvent être symétriques l'une de l'autre par rapport au plan médian de l'évidement. L'évidement comporte un fond qui est disposé entre les bases des deux languettes. Le fond de l'évidement présente de préférence une portion de forme arrondie, par exemple circulaire ou elliptique. En variante, le fond de l'évidement peut présenter à la base des deux languettes une portion qui peut être carré, rectangulaire, ou de toute autre forme polygonale. Dans une variante de réalisation, l'évidement est délimité par une portion courbe disposée entre deux portions rectilignes. Lorsqu'elle est circulaire, la portion du fond de l'évidement peut être de diamètre compris entre 0,5 et 8 mm, mieux entre 1 et 4 mm, par exemple de l'ordre de 2 mm. La présence d'un évidement d'une forme et d'une telle dimension permet d'éviter les amorces de rupture d'un point de vue tenue mécanique. Cet évidement permet également de limiter le risque de contact entre les deux languettes lorsque celles-ci se rapprochent au moment de l'insertion sur l'arbre. Enfin, un tel évidement est suffisamment grand pour que le poinçon de découpage ne soit pas trop fin.
La distance entre l'axe de rotation et le centre de la courbure de la portion circulaire du fond de l'évidement entre deux languettes coopérant avec une même rainure peut être comprise entre 15 et 30 mm, mieux entre 20 et 25 mm, par exemple de l'ordre de 23,8 mm.
On appelle "largeur au pied d'une languette" la distance entre le point de la nervure latérale le plus éloigné de l'axe X de rotation et le point de l'évidement le plus éloigné de l'axe X de rotation. La largeur au pied de chaque languette est par exemple comprise entre 1 et 15 mm, mieux entre 2 et 10 mm, mieux entre 4 et 8 mm, par exemple de l'ordre de 6,9 mm. Des languettes présentant une telle largeur au pied ont pour avantage de ne pas se déformer de manière trop prononcée lors de l'insertion de la tôle sur l'arbre. De telles languettes assurent ainsi un bon maintien des tôles lors de la rotation du rotor.
Chaque languette comporte deux bords latéraux. Les deux bords latéraux sont reliés par un bord circonférentiel formant l'extrémité de la languette. La largeur de l'extrémité de la languette est comprise entre 0,5 et 10 mm, mieux entre 1 et 5 mm, par exemple de l'ordre de 1,8 mm. Le ou les bords latéraux peuvent être rectilignes. En variante, le ou les bords latéraux peuvent comporter au moins une portion rectiligne et une portion courbe. Par exemple le ou les bords latéraux peuvent comporter trois portions courbes et deux portions rectilignes. De préférence, les deux bords latéraux de chaque languette comportent au moins une portion courbe et au moins une portion rectiligne. En variante, les deux bords latéraux de chaque languette sont rectilignes. En variante encore, un des bords latéraux est rectiligne et l'autre bord latéral comporte au moins une portion courbe et au moins une portion rectiligne. En variante encore, un des bords latéraux comporte une portion courbe et une portion rectiligne et l'autre bord latéral comporte trois portions courbes et deux portions rectilignes. De préférence, les portions rectilignes des deux bords latéraux de chaque languette ne sont pas parallèles. En variante, les portions rectilignes des bords latéraux sont parallèles.
On considère que le plan médian d'une languette est le plan contenant l'axe X de rotation passant par le milieu de l'extrémité de la languette. De préférence, chaque languette est asymétrique par rapport à son plan médian. Les portions rectilignes peuvent former un angle avec le plan médian de la languette d'une valeur comprise entre 1 et 40°, mieux entre 5 et 30°, mieux entre 10 et 20°, par exemple de l'ordre de 12 ou 15°. De préférence, l'inclinaison des portions rectilignes des bords latéraux d'une languette n'est pas la même pour les deux bords latéraux.
La largeur de la languette peut ne pas être constante. Par exemple, la languette peut être plus fine à son extrémité qu'à sa base. La largeur de la base de la languette peut varier entre la circonférence de l'arbre et le pied de la languette. Par exemple, la largeur de la base de la languette peut augmenter de la circonférence de l'arbre au pied de la languette. Une telle forme de languette permet de mieux répartir les contraintes de flexion. En variante, la languette peut être plus large à son extrémité qu'à sa base. Dans une variante de réalisation, la languette peut être de largeur constante.
L'écartement entre les deux bords latéraux des deux languettes en contact avec les flancs de la rainure peut être compris entre 1 et 30 mm, mieux entre 2 et 20 mm, mieux entre 5 et 10 mm, par exemple de l'ordre de 6,4 ou 7,2 mm. De préférence, cet écartement n'est pas constant sur toute la longueur des languettes.
Lorsqu'un au moins l’un des bords latéraux d'une des languettes comporte au moins une portion courbe et au moins une portion rectiligne, celui-ci peut en particulier comporter une partie convexe dans sa partie la plus proche de l'axe X de rotation. Une telle forme convexe permet de faire en sorte que le contact entre le flanc latéral de la languette et la rainure se fasse toujours dans la même zone.
Lorsque deux languettes coopèrent avec une même rainure, la largeur de chaque languette au niveau de la circonférence de l'arbre peut être comprise entre 0,5 et 10 mm, mieux entre 1 et 5 mm, encore mieux entre 2 et 3 mm, par exemple de l'ordre de 2,93 mm. La largeur de la languette au niveau de la déformation de celle-ci peut être comprise entre 1 et 10 mm, mieux entre 2 et 5 mm, plus préférentiellement entre 3 et 4 mm, par exemple de l'ordre de 3,2 mm. Une telle largeur permet d'assurer un bon effort de tenue de la languette contre l'arbre.
Les deux languettes coopérant avec une même rainure peuvent être espacées d'une distance comprise entre 0,5 et 10 mm, mieux comprise entre 1 et 5 mm, mieux entre 2 et 4 mm, par exemple de l'ordre de 2,6 mm. La distance d'espacement des deux languettes correspond à la largeur de l'évidement.
L'écart entre le plan médian de l'évidement et le bord latéral le plus proche de l'évidement d'une des deux languettes mesuré au niveau de l'extrémité de la languette est compris entre 0,2 et 5 mm, mieux entre 0,5 et 2,5 mm, mieux entre 1 et 2 mm, par exemple de l'ordre de 1,3 mm.
Les moyens de transmissions de couples peuvent comporter une unique rainure et deux languettes coopérant avec cette rainure. En variante, les moyens de transmission de couple peuvent comporter deux rainures disposées à 180° l'une de l'autre et quatre languettes, chaque rainure coopérant avec deux languettes. En variante, les moyens de transmission de couple peuvent comporter trois rainures disposées à 120° l'une de l'autre et six languettes, chaque rainure coopérant avec deux languettes. En variante encore, les moyens de transmission de couple peuvent comporter quatre rainures disposées à 90° l'une de l'autre et huit languettes, chaque rainure coopérant avec deux languettes.
En variante, les moyens de transmissions de couple peuvent comporter au moins deux rainures et deux languettes, chaque languette coopérant avec une rainure. Les moyens de transmissions de couple peuvent comporter un nombre pair de languettes, chaque languette coopérant avec une rainure, voire deux languettes coopérant avec une même rainure, voire un nombre pair de rainures et de languettes, chaque languette coopérant avec une seule rainure. Dans un mode de réalisation, les moyens de transmissions de couple comportent deux rainures et deux languettes, chaque languette coopérant avec une rainure. En variante, les moyens de transmissions de couple comportent quatre rainures et quatre languettes, chaque languette coopérant avec une rainure. En variante encore, les moyens de transmissions de couple comportent trois rainures et trois languettes, chaque languette coopérant avec une rainure. Dans un mode de réalisation, les moyens de transmissions de couple peuvent comporter une rainure qui, dans une première section transversale donnée du rotor, ne coopère pas avec une languette. Une languette peut coopérer avec ladite rainure dans une deuxième section transversale du rotor éloignée de la première section transversale. Les moyens de transmissions de couple peuvent comporter par exemple trois rainures et deux languettes, chaque languette coopérant avec une rainure et une rainure restant dépourvue de languette, dans une section transversale donnée.
La ou les rainures et les languettes peuvent être configurées de manière à permettre une transmission de couple dans les deux sens, quel que soit le sens de rotation du rotor, aussi bien avec un couple positif, en cas d’accélération, qu’avec un couple négatif, en cas de freinage. Les moyens de transmissions de couple peuvent à cet effet comporter des zones de contact entre la ou les rainures et les languettes qui sont opposées dans la direction orthoradiale.
La ou les rainures peuvent présenter des flancs non parallèles, par exemple dans le cas d’une section de rainure évasée. Les flancs de rainure peuvent être rectilignes ou non. Les flancs de rainure peuvent présenter par exemple une forme convexe, par exemple analogue à celle d’un flanc de denture d’engrenage.
Dans un mode de réalisation, les deux languettes et les deux rainures peuvent être respectivement symétrique l’une de l’autre par rapport à un plan de symétrie contenant l’axe de rotation. Une telle configuration symétrique permet une transmission de couple dans les deux sens, quel que soit le sens de rotation du rotor, aussi bien avec un couple positif, en cas d’accélération, qu’avec un couple négatif, en cas de freinage.
La masse rotorique peut être formée d’un empilement de tôles, notamment de tôles toutes sensiblement identiques, à savoir au moins identiques du côté de l’arbre. Les tôles sont magnétiques. Les tôles de la masse rotorique peuvent être toutes identiques du côté de leur coopération avec l’arbre. En particulier, la masse rotorique peut ne pas être massive. Les languettes sont réalisées d’un seul tenant avec les tôles.
L’empilement de tôles de la masse rotorique peut comporter des tôles disposées dans un sens et des tôles retournées dans l’autre sens. Les tôles peuvent être retournées par paquets, l’empilement de tôles de la masse rotorique comportant une alternance de paquets des tôles disposées dans un sens et de paquets de tôles retournées dans l’autre sens. On obtient ainsi une répartition plus homogène des contraintes dans le rotor. Les performances de la machine en sont améliorées, notamment en termes de vibrations, de bruit, et d’ondulations de couple.
Au moins une tôle, mieux toutes les tôles, peuvent être configurées de telle sorte que l’empilement de tôles comporte au moins une tôle décalée angulairement autour de l’axe de rotation par rapport à une autre tôle.
Ainsi, avec une seule forme de tôle on peut obtenir plusieurs positions angulaires différentes. Pour une forme de tôle, on peut avoir plusieurs positions angulaires différentes possibles, ce nombre étant inférieur ou égal à deux fois le nombre de rainures, et étant en outre inférieur ou égal à deux fois le nombre de motifs cycliques du rotor. On entend par « motif cyclique » les caractéristiques géométriques ou magnétiques qui se reproduisent quand on tourne autour du rotor, par exemple les paires de pôles ou les encoches.
On peut décaler angulairement une tôle d’autant qu’un motif cyclique, de façon à obtenir autant de positions angulaires que de rainures, par exemple deux, trois ou quatre fois, à condition que le nombre de rainures soit un sous-multiple du nombre de motifs cycliques.
On peut également retourner une tôle de 180° autour d’un axe de diamétral choisi perpendiculairement à l’axe de rotation du rotor, de façon à la disposer dans l’autre sens, comme mentionné ci-dessus. Ainsi, on peut utiliser une seule et même tôle pour réaliser jusqu’à deux fois le nombre de motifs cycliques, et le nombre de rainures à usiner dans l’arbre est réduit.
Dans un exemple de réalisation, un rotor à quatre pôles comporte deux motifs cycliques. On peut donc avoir quatre positions différentes avec une seule et même forme de tôle. Deux rainures et deux languettes permettent de réaliser ces quatre positions.
Dans un autre exemple de réalisation, un rotor à six pôles comporte trois motifs cycliques. On peut donc avoir six positions différentes avec une seule et même forme de tôle. Trois rainures et deux languettes permettent de réaliser ces six positions.
Le rotor peut comporter des aimants permanents, avec notamment des aimants surfaciques ou enterrés. Le rotor peut être à concentration de flux. Il peut comporter une ou plusieurs couches d’aimants disposées en I, en U ou en V.
En variante, il peut s’agir d’un rotor bobiné ou à cage d’écureuil, ou d’un rotor à réluctance variable. Le nombre de pôles P au rotor est par exemple compris entre 4 et 48, étant par exemple de 4, 6, 8, 10 ou 12.
Le diamètre du rotor peut être inférieur à 400 mm, mieux inférieur à 300 mm, et supérieur à 50 mm, mieux supérieur à 70 mm, étant par exemple compris entre 100 et 200 mm.
Les logements des aimants permanents peuvent être réalisées entièrement par découpage dans les tôles. Chaque tôle de l’empilement de tôles peut être monobloc.
Chaque tôle est par exemple découpée dans une feuille d’acier magnétique ou contenant de l’acier magnétique, par exemple de l’acier de 0,1 à 1,5 mm d’épaisseur. Les tôles peuvent être revêtues d’un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein de l’empilement. L’isolation électrique peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles, le cas échéant.
En variante, la masse rotorique peut être fabriquée à partir d’une poudre magnétique compactée ou agglomérée.
La masse magnétique rotorique peut comporter des pôles saillants. Les pôles peuvent être d’un seul tenant avec le reste de la masse rotorique, ou rapportés sur celle-ci.
L’arbre peut être réalisé dans un matériau magnétique, ce qui permet avantageusement de diminuer le risque de saturation dans la masse rotorique et d’améliorer les performances électromagnétiques du rotor.
En variante, le rotor comporte un arbre amagnétique sur lequel est disposée la masse rotorique. L’arbre peut être réalisé au moins en partie dans un matériau de la liste suivante, qui n’est pas limitative : acier, inox, titane ou tout autre matériau amagnétique
La masse rotorique peut dans un mode de réalisation être disposée directement sur l’arbre amagnétique, par exemple sans jante intermédiaire. En variante, notamment dans le cas où l’arbre n’est pas amagnétique, le rotor peut comporter une jante entourant l’arbre du rotor et venant prendre appui sur ce dernier.
La masse rotorique peut comporter un ou plusieurs trous pour alléger le rotor, permettre son équilibrage ou pour l’assemblage des tôles rotoriques la constituant. Des trous peuvent permettre le passage de tirants maintenant solidaires entre elles les tôles.
Les tôles peuvent être découpées dans un outil à la suite les unes des autres. Elles peuvent être empilées et clipsées ou collées dans l’outil, en paquets complets ou sous- paquets. Les tôles peuvent être encliquetées les unes sur les autres. En variante, le paquet de tôles peut être empilé et soudé en dehors de l’outil.
La masse rotorique peut présenter un contour extérieur qui est circulaire ou multilobé, une forme multilobée pouvant être utile par exemple pour réduire les ondulations de couple ou les harmoniques de courant ou de tension.
Le rotor peut être monté en porte à faux ou non, par rapport aux roulements utilisés pour guider l’arbre.
Le rotor peut être réalisé en plusieurs tronçons alignés suivant la direction axiale, par exemple au moins deux tronçons. Chacun des tronçons peut être décalé angulairement par rapport aux morceaux adjacents (« step skew » en anglais).
Dans cette configuration, on peut avoir une rainure qui, dans une première section transversale donnée du rotor, ne coopère pas avec une languette, et qui dans une deuxième section transversale du rotor éloignée de la première section transversale, coopère avec une ou plusieurs languettes.
Les première et deuxième section transversale appartiennent à des tronçons du rotor qui sont décalés angulairement par rapport aux morceaux adjacents.
Les moyens de transmissions de couple peuvent comporter par exemple trois rainures et deux languettes, chaque languette coopérant avec une rainure et une rainure restant dépourvue de languette, dans une section transversale donnée.
Les rainures d’un rotor peuvent avoir toutes une largeur ou étendue angulaire identique. En variante, elles peuvent comporter deux rainures identiques, et une troisième rainure ayant une étendue angulaire ou largeur différente, par exemple supérieure. Cette configuration peut également permettre d’obtenir un certain décalage angulaire de la masse rotorique par rapport à l’arbre, en fonction des tronçons et de la coopération ou non d’une ou plusieurs languettes avec la rainure d’étendue angulaire ou largeur différente, par exemple supérieure.
Machine et stator
L’invention a encore pour objet une machine électrique tournante, comportant un rotor tel que défini précédemment. La machine peut être utilisée comme moteur ou comme générateur. La machine peut être à réluctance. Elle peut constituer un moteur synchrone ou en variante un générateur synchrone. En variante encore, elle constitue une machine asynchrone. La vitesse maximale de rotation de la machine peut être élevée, étant par exemple supérieure à 10 000 tr/min, mieux supérieure à 12 000 tr/min, étant par exemple de l’ordre de 14000 tr/min à 15 000 tr/min, voire même de 20 000 tr/min ou de 25 000 tr/min. La vitesse maximale de rotation de la machine peut être inférieure à 100 000 tr/min, voire à 60 000 tr/min, voire encore inférieure à 40 000 tr/min, mieux inférieure à 30 000 tr/min.
La machine peut comporter un seul rotor intérieur ou, en variante, un rotor intérieur et un rotor extérieur, disposés radialement de part et d’autre du stator et accouplés en rotation.
La machine peut être insérée seule dans un carter ou insérée dans un carter de boite de vitesse. Dans ce cas, elle est insérée dans un carter qui loge également une boîte de vitesse.
La machine comporte un stator. Ce dernier comporte des dents définissant entre elles des encoches le stator peut comporter des conducteurs électriques, au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, pouvant être en forme d'épingle en U ou en I.
Les encoches peuvent être au moins partiellement fermée. Une encoche partiellement fermée permet de ménager une ouverture au niveau de l’entrefer, qui peut servir par exemple à la mise en place des conducteurs électriques pour le remplissage de l’encoche. Une encoche partiellement fermée est notamment ménagée entre deux dents qui comportent chacune des épanouissements polaires au niveau de leur extrémité libre, lesquels viennent fermer l’encoche au moins en partie.
En variante, les encoches peuvent être entièrement fermée. Par « encoche entièrement fermée », on désigne des encoches qui ne sont pas ouvertes radialement vers l’entrefer.
Dans un mode de réalisation, au moins une encoche, voire chaque encoche, peut être continûment fermée du côté de l’entrefer par un pont de matière venu d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. Toutes les encoches peuvent être fermées du côté de l’entrefer par des ponts de matière fermant les encoches. Les ponts de matière peuvent être venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. La masse statorique est alors dépourvue de découpe entre les dents et les ponts de matière fermant les encoches, et les encoches sont alors continûment fermées du côté de l’entrefer par les ponts de matière venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. En outre, les encoches peuvent également être fermées du côté opposé à l’entrefer par une culasse rapportée ou d’un seul tenant avec les dents. Les encoches ne sont alors pas ouvertes radialement vers l’extérieur. La masse statorique peut être dépourvue de découpe entre les dents et la culasse.
Dans un mode de réalisation, chacune des encoches est de contour continûment fermé. Par « continûment fermé », on entend que les encoches présentent un contour fermé continu lorsqu’elles sont observées en section transversale, prise perpendiculairement à l’axe de rotation de la machine. On peut faire le tour complet de l’encoche sans rencontrer de découpe dans la masse statorique.
La masse statorique peut être réalisée par empilement de tôles magnétiques, les encoches étant venues par découpage des tôles. La masse statorique peut en variante être réalisée par taillage dans une masse de poudre magnétique frittée ou agglomérée. La fermeture des encoches du côté de l’entrefer est obtenue par des ponts de matière venus d’un seul tenant avec le reste des tôles ou du bloc formant la masse statorique.
Le stator peut être dépourvu de cales magnétiques rapportées de fermeture des encoches. On élimine ainsi le risque de détachement accidentel de ces cales.
Le stator peut comporter des bobines disposées de manière répartie dans les encoches, ayant notamment des conducteurs électriques disposés de manière rangée dans les encoches. Par « réparti », on entend qu’au moins l’une des bobines passe successivement dans deux encoches non adjacentes.
Les conducteurs électriques peuvent ne pas être disposés dans les encoches en vrac mais de manière ordonnée. Ils sont empilés dans les encoches de manière non aléatoire, étant par exemple disposés en rangées de conducteurs électriques alignés. L’empilement des conducteurs électriques est par exemple un empilement selon un réseau hexagonal dans le cas de conducteurs électriques de section transversale circulaire.
Le stator peut comporter des conducteurs électriques logés dans les encoches. Des conducteurs électriques au moins, voir une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingles, de U ou de I. L’épingle peut être en forme de U (« U-pin » en anglais) ou droite, étant en forme de I (« I-pin » en anglais).
Dans l’invention, chaque conducteur électrique peut comporter un ou plusieurs brins (« wire » ou « strand » en anglais). Par « brin », on entend l’unité la plus élémentaire pour la conduction électrique. Un brin peut être de section transversale ronde, on peut alors parler de ‘fil’, ou en méplat. Les brins en méplat peuvent être mis en forme en épingles, par exemple en U ou en I. Chaque brin est revêtu d’un émail isolant.
Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage unique, notamment entier ou fractionnaire. Par « bobinage unique », on entend que les conducteurs électriques sont reliés électriquement ensemble dans le stator, et que les connexions entre les phases sont faites dans le stator, et non pas à l’extérieur du stator, par exemple dans une boite à bornes. Un bobinage est constitué d’un nombre de phases m décalées dans l’espace de telle façon que lorsqu’elles sont alimentées par un système de courant multi-phasés, elles produisent un champ tournant. Le bobinage peut être entier ou fractionnaire. Le bobinage peut être entier à pas avec ou sans raccourcissement, ou en variante fractionnaire. Dans un mode de réalisation, les conducteurs électriques forment un bobinage fractionnaire, notamment à pas raccourci.
Le bobinage peut être ondulé. La mise en série des conducteurs électriques peut être faite en bobinage dit ondulé. Par « bobinage ondulé », on entend un bobinage dans lequel les conducteurs électriques d’une même phase et d’un même pôle sont reliés électriquement l’un à l’autre de façon que, pour une voie d’enroulement, le courant électrique de la phase circule dans les conducteurs électriques en tournant autour de l’axe de rotation de la machine toujours dans un seul sens. Pour une voie d’enroulement, les conducteurs électriques d’une même phase et d’un même pôle ne se chevauchent pas lorsqu’ observés perpendiculairement à l’axe de rotation de la machine.
Le bobinage peut comporter une seule voie d’enroulement ou plusieurs voies d’enroulement. Dans un « conducteur électrique » circule le courant d’une même phase par voie d’enroulement. Par « voie d’enroulement », on entend l’ensemble des conducteurs électriques de la machine qui sont parcourus par un même courant électrique d’une même phase. Ces conducteurs électriques peuvent être connectés entre eux en série ou en parallèle ou en série-parallèle. Dans le cas où on a une seule voie, les conducteurs électriques sont connectés en série. Dans le cas où on a plusieurs voies, les conducteurs électriques de chaque voie sont connectés en série, et les voies sont connectés en parallèle.
Les conducteurs électriques peuvent ainsi former un bobinage distribué. Le bobinage peut ne pas être concentré ou bobiné sur dent. Dans une variante de réalisation, le stator est à bobinage concentré. Le stator peut comporter des dents et des bobines disposées sur les dents. Le stator peut ainsi être bobiné sur dents, autrement dit à bobinage non réparti.
Les dents du stator peuvent comporter des épanouissements polaires. En variante, les dents du stator sont dépourvues d’épanouissements polaires.
Le stator peut comporter une carcasse extérieure entourant la culasse.
Les dents du stator peuvent être réalisées avec un empilage de tôles magnétiques, recouvertes chacune d’un vernis isolant, afin de limiter les pertes par courants induits.
Procédé de fabrication
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un rotor tel que défini plus haut. Le procédé peut comporter les étapes suivantes :
(a) Fournir un arbre du rotor comportant au moins une rainure, voire deux rainures, et une masse rotorique comportant au moins deux languettes,
(b) Monter la masse rotorique sur l’arbre du rotor, par insertion des languettes dans la ou les rainures correspondantes.
Lors de l’étape (b) de montage, on peut déplacer selon l’axe de rotation X la masse rotorique relativement à l’arbre. La masse rotorique peut être maintenue immobile, et l’arbre peut être enfilé dans la masse rotorique, ou en variante l’arbre peut être maintenu immobile, et la masse rotorique peut être enfilée sur l’arbre. Grâce à l’invention, la force nécessaire à l’insertion est diminuée, notamment par rapport à un rotor qui serait assemblé avec un système de serrage. En outre, le centrage est plus facile, de même que l’alignement angulaire des pôles du rotor. L’insertion en est facilitée, de même que le procédé de montage. Le nombre d’opérations nécessaire à la mise en œuvre du procédé peut être diminué, ainsi que le besoin d’outillages auxiliaires.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
La figure 1 est une vue en coupe transversale, schématique et partielle, d’un rotor réalisé conformément à l’invention.
La figure 2 est une vue en perspective de détail du rotor de la figure 1. La figure 3 est une vue analogue à la figure 1 d’une tôle retournée.
La figure 4 est une vue analogue à la figure 2 d’une variante de réalisation.
La figure 5 est une vue schématique et partielle du montage du rotor de la figure
4.
La figure 6 est une vue en coupe transversale, schématique et partielle, du rotor de la figure 4.
La figure 7 illustre les positions possibles pour un rotor à 4 pôles.
La figure 8 illustre les positions possibles pour un rotor à 6 pôles.
La figure 9 est une vue en coupe transversale, schématique et partielle, d’une variante de réalisation.
La figure 10 est une vue de détail de la figure 9.
La figure 11 est une vue en perspective de l’arbre du mode de réalisation des figures 9 et 10.
La figure 12 est une vue en coupe transversale, schématique et partielle, de G arbre de la figure 11.
La figure 13 est une vue en perspective de détail d'une variante de réalisation.
La figure 14 est une vue en coupe transversale, schématique et partielle, du rotor de la figure 13.
La figure 15 est une vue en perspective du rotor de la figure 13.
La figure 16 est une vue analogue à la figure 14.
La figure 17 est une vue analogue à la figure 14.
La figure 18 est une vue analogue à la figure 14.
La figure 19 est une vue de détail de la figure 14.
Description détaillée
On a illustré aux figures 1 et 2 un rotor intérieur 1 de machine électrique tournante, comportant également un stator extérieur non représenté. Le stator permet de générer un champ magnétique tournant d’entraînement du rotor 1 en rotation, dans le cadre d’un moteur synchrone, et dans le cas d’un alternateur, la rotation du rotor induit une force électromotrice dans les bobinages du stator.
Le rotor 1 représenté à la figure 1 comporte une masse magnétique rotorique 3 s’étendant axialement selon l’axe de rotation X du rotor, cette masse rotorique étant par exemple formée par un paquet de tôles magnétiques empilées selon l’axe X, les tôles étant par exemple identiques et superposées exactement. Elles peuvent être maintenues entre elles par clipsage, par des rivets, par des tirants, des soudures ou toute autre technique. Les tôles magnétiques sont de préférence en acier magnétique. Toutes les nuances d’acier magnétique peuvent être utilisées.
La masse rotorique 3 comporte une ouverture centrale pour le montage sur un arbre 5. L’arbre peut, dans l’exemple considéré, être réalisé dans un matériau amagnétique, par exemple en inox amagnétique ou en aluminium, ou au contraire être magnétique.
Conformément à l’invention, le rotor 1 comporte des moyens de transmission de couple 10 entre la masse rotorique 3 et l’arbre 5. Ces moyens de transmissions de couple comportent deux rainure 12 formées dans l’arbre 5 et deux languette 14 formées sur la masse rotorique 3, chaque languette 14 coopérant avec une rainure 12.
La languette 14 subit une déformation plastique lors de l’insertion de la masse rotorique 3 sur l’arbre 5. La déformation plastique de la languette 14 permet l’existence d’une précontrainte dans les moyens de transmission de couple, laquelle favorise la solidité de la liaison entre l’arbre et la masse rotorique.
On va maintenant décrire plus en détail la forme d’une languette 14. La languette
14 est asymétrique. En section transversale, la languette 14 comporte un premier bord latéral
15 destiné à venir en contact avec la rainure 12, en particulier le flanc de la rainure. En section transversale, la languette comporte un deuxième bord latéral 16 qui n’est pas destiné à être en contact avec la rainure. Ce deuxième bord latéral est rectiligne, s’étendant parallèlement à un axe radial du rotor. En section transversale, la languette comporte enfin un troisième bord circonférentiel 17 qui peut, avant insertion de l’arbre dans la masse rotorique, s’étendre sensiblement circonférentiellement, puis s’étend, après insertion de l’arbre dans la masse rotorique et déformation plastique de la languette, avec un angle non nul par rapport à un plan normal à un axe radial du rotor. Ce troisième bord circonférentiel 17 n’est pas destiné à être en contact avec la rainure.
Par ailleurs, les deux languettes 14 et les deux rainures 12 sont respectivement symétrique l’une de G autre par rapport à un plan de symétrie P contenant G axe de la machine. On peut ainsi avoir une transmission de couple dans les deux sens. Les rainures 12 comportent chacune un chanfrein d’entrée 13 qui s’étend longitudinalement, ce qui permet de favoriser l’entrée de la languette correspondante lors de l’insertion de la masse rotorique 3 sur l’arbre 5.
La déformation plastique des languettes a lieu dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation X du rotor, dans une direction circonférentielle. Les languettes sont déformées dans le plan des tôles de façon à exercer une précontrainte dans la direction orthoradiale. Cette déformation doit être assez importante pour compenser tous les défauts géométriques de l’assemblage. Elle engendre une plastification en pied de languette.
Chaque languette 14 comporte à sa base deux nervures latérales 18 de part et d’autre, qui s’étendent longitudinalement, et qui facilitent la déformation aisée de la languette. Elles permettent également d’éviter tout contact éventuel entre la masse rotorique et l’arbre, notamment une ou des arêtes 19 de l’arbre au niveau de la rainure.
Dans l’exemple illustré aux figures 1 et 2, la nervure a un fond sensiblement plat ou s’étendant circonférentiellement.
En variante, la nervure 18 peut être en section transversale de forme générale arrondie, comme illustré sur la figure 4.
On obtient alors, lors de l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre, une déformation assez importante des languettes qui engendre une plastification en pied de languette 14, dans une zone Z, comme illustré sur les figures 5 et 6.
La masse rotorique est formée d’un empilement de tôles magnétiques toutes sensiblement identiques. L’empilement de tôles de la masse rotorique peut comporter des tôles disposées dans un sens et des tôles retournées dans l’autre sens, comme illustré sur la figure 3, qui illustre la tôle de la figure 1 retournée autour d’un axe perpendiculaire au plan P.
On peut également décaler angulairement certaines tôles autour de l’axe de rotation par rapport à une autre tôle. Ainsi, avec une seule forme de tôle on peut obtenir plusieurs positions angulaires différentes.
Dans l’exemple de réalisation de la figure 7, le rotor comporte 4 pôles et deux motifs cycliques. On peut donc avoir 4 positions différentes avec une seule et même forme de tôle. Deux rainures et deux languettes permettent de réaliser ces quatre positions, avec rotation de 180° dans le plan et retournement autour de l’axe direct d. Dans un autre exemple de réalisation illustré à la figure 8, le rotor comporte 6 pôles et trois motifs cycliques. Les moyens de transmissions de couple comportent trois rainures et deux languettes, chaque languette du paquet de tôles s’appuyant successivement sur un flanc de rainure différent, quand on se déplace le long de l’axe de rotation du rotor. On peut donc avoir 6 positions différentes avec une seule et même forme de tôle. Trois rainures et deux languettes permettent de réaliser ces six positions, avec rotation de 120° dans le plan et retournement autour de l’axe direct d. Dans cet exemple, on a alors trois tronçons de rotor, ou un multiple de trois.
Dans cette configuration, on a une rainure qui, dans une première section transversale donnée du rotor, ne coopère pas avec une languette, et qui dans une deuxième section transversale du rotor éloignée de la première section transversale, coopère avec une ou plusieurs languettes. Ainsi, chaque languette coopère avec une rainure et une rainure reste dépourvue de languette, dans une section transversale donnée.
Les première et deuxième section transversale appartiennent à des tronçons du rotor qui sont décalés angulairement par rapport aux morceaux adjacents, d’environ 120° dans l’exemple décrit.
Les rainures d’un rotor peuvent avoir toutes une largeur ou étendue angulaire identique. En variante, et comme illustré schématiquement à la figure 8, elles peuvent comporter trois rainures ayant des étendues angulaires ou largeurs différentes. Cette configuration permet d’obtenir un certain décalage angulaire de la masse rotorique par rapport à l’arbre, en fonction des tronçons et de la coopération ou non d’une ou plusieurs languettes avec la rainure d’étendue angulaire ou largeur différente.
Dans l’exemple décrit, les deux rainures identiques ont 4 mm de largeur, pour un arbre de diamètre 43 mm.
On obtient un pas uniforme de vrillage de 2.78°. En effet, dans cet exemple, l’angle al entre l’axe direct, qui définit le milieu d’un pôle, et le premier flanc de la rainure la plus large est de 3,78°. L’angle a2 entre l’axe direct, qui définit le milieu d’un pôle, et le deuxième flanc de la rainure la plus large est de 9,35°. L’angle a3 entre l’axe direct, qui définit le milieu d’un pôle, et le premier flanc de la deuxième rainure est de 119°. Enfin, l’angle a4 entre deux languetes consécutives après montage, c’est-à-dire après déformation plastique, est de 135,90°. Dans cet exemple, l’axe d peut être défini de façon générale, même en l’absence d’aimant, comme l’axe de symétrie polaire, ou encore l’axe de symétrie d’un motif cyclique.
Aucune des rainures n’est symétrique par rapport à un axe d.
On remarque également que dans cet exemple, l’angle a4 donnant l’écart entre les languettes est égal à la somme de l’angle du motif cyclique plus la largeur de rainure plus le pas de vrillage.
D’une façon générale, on a l’écart entre languettes qui est égale ou proche de la somme entre l’angle du motif cyclique et la largeur de rainure.
Le pas de vrillage peut être choisi entre 1 et 5°, par exemple entre 2° et 3,4°, notamment entre 2,1° et 3°.
Dans une variante de réalisation illustrée aux figures 9 à 12, les rainures comportent deux rainures identiques, et une troisième rainure ayant une étendue angulaire ou largeur différente, à savoir supérieure. Cette configuration permet d’obtenir un certain décalage angulaire de la masse rotorique par rapport à l’arbre, en fonction des tronçons et de la coopération ou non d’une ou plusieurs languettes avec la rainure d’étendue angulaire ou largeur différente, par exemple supérieure.
Dans l’exemple donné aux figures 9 à 12, le rotor comporte six motifs cycliques. L’axe d peut être défini de façon générale, même en l’absence d’aimant, comme l’axe de symétrie polaire, ou encore l’axe de symétrie d’un motif cyclique.
Nous allons maintenant décrire en référence aux figures 13 à 19 une variante de réalisation de l'invention dans laquelle les moyens de transmission de couple 10 entre la masse rotorique 3 et l’arbre 5 comportent une unique rainure 12 formée dans l’arbre 5 et deux languettes 14 formées sur la masse rotorique 3, les deux languettes 14 coopérant avec la rainure 12.
Comme illustré à la figure 17, avant insertion de la masse rotorique sur l'arbre du rotor, chaque languette dépasse du flanc de la rainure et recouvre l'arbre du rotor sur une distance d'interférence di de l'ordre de 0,23 mm.
Comme représenté au figures 13 à 15, chaque languette 12 comporte à sa base une nervure latérale 18. Chaque nervure latérale 18, lorsqu'observée en section transversale, est délimitée par un contour qui comporte une portion circulaire 180 disposée entre deux portions rectilignes 181, 18G. Le diamètre de la portion circulaire 180 est de l'ordre de 4,6 mm. La nervure latérale 18 est en contact avec la circonférence de l'arbre au niveau du haut flanc de la rainure Al et au niveau d'un point de l'arbre hors de la rainure A2. Dans l'exemple représenté, la longueur d'ouverture lo de la nervure latérale est de l'ordre de 5,5 mm.
Comme illustré à la figure 16, la distance Rn entre l'axe X de rotation du rotor et le point A2 de contact entre l'arbre et la nervure latérale hors de la rainure est de l'ordre de 21,8 mm. L'angle entre les deux portions rectilignes 181, 18G est de l'ordre de 25°.
Dans le mode de réalisation illustré aux figures 13 à 19, un évidement 20 est présent entre les deux languettes 14 coopérant avec la même rainure 12. Le plan médian de l'évidement Pe contient l'axe X de rotation et divise l'évidement 20 en deux parties égales. Les deux languettes 14 sont symétriques l'une de l'autre par rapport au plan Pe. L'évidement 20 comporte un fond qui est disposé entre les bases des deux languettes. Le fond de l'évidement est délimité par une portion circulaire 201 disposée entre deux portions rectilignes 202, 202'. Le diamètre de de la portion circulaire 201 du fond de l'évidement 20, visible à la figure 16, est de l'ordre de 2 mm.
La distance Re entre l'axe de rotation X et le centre Ce de courbure de la partie circulaire du fond de l'évidement 20 est de l'ordre de 23,8 mm.
La largeur au pied Lp de chaque languette est mesurée entre le point An de la nervure latérale 18 le plus éloigné de l'axe X de rotation et le point Ae de l'évidement 20 le plus éloigné de l'axe X de rotation. Dans l'exemple représenté, la largeur au pied Lp de chaque languette est de l'ordre de 6,9 mm.
Chaque languette comporte deux bords latéraux 140, 141. Les deux bords latéraux sont reliés par une bord circonférentiel formant l'extrémité 142 de la languette. Dans l'exemple illustré à la figure 19, le bord latéral 140 comporte une portion rectiligne 1400 et une portion courbe 1401. La portion rectiligne 1400 du bord latéral 140 s'étend entre l'extrémité 142 de la languette et la portion courbe 1401. La portion rectiligne 1401 du bord latéral 140 forme avec l'extrémité 142 de la languette un angle sensiblement droit. L'autre bord latéral 141 de la languette comporte deux portions rectilignes 1410, 140' et trois portions courbes 1411 141 G 1411". L'extrémité 142 de la languette est reliée au bord latéral 141 par la portion courbe 1411. Il se forme ainsi une partie convexe qui permet de faire en sorte que le contact entre le bord latéral de la languette et la rainure se fasse toujours dans la même zone. Le plan médian PI de la languette 14 est le plan contenant l'axe X de rotation passant par le milieu I de l'extrémité 142 de la languette. Chaque languette est asymétrique par rapport à son plan médian PL
La portion rectiligne 1400 est inclinée d'un angle de l'ordre de 15° par rapport au plan médian PL La portion rectiligne 1410 est inclinée d'un angle de l'ordre de 12° par rapport au plan médian Pl. Dans l'exemple illustré, la largeur de la languette n'est pas constante. La languette est plus fine à son extrémité 142 qu'à sa base.
Dans l'exemple représenté, la largeur de la languette est plus fine à son extrémité qu'à sa base. La largeur des extrémités 142 est de l'ordre de 1,8 mm et la largeur des languettes au niveau de la circonférence de l'arbre est de l'ordre de 2,9 mm.
La largeur de la languette au niveau de la déformation de celle-ci est de l'ordre de 3,2 mm.
Les deux languettes 14 sont espacées d'une distance de l'ordre de 2,6 mm. Cette distance correspond à la largeur de l'évidemment 20. L'écart entre le plan médian de l'évidement Pe et le bord latéral 140 le plus proche de l'évidement mesuré au niveau de l'extrémité de la languette est de l'ordre de 1,3 mm.
Comme illustré à la figure 18, plus on s'éloigne de l'axe du rotor, plus la largeur entre les bords en contact avec les flancs de la rainure 12 augmente. Ainsi, la largeur IRI entre les deux bords des deux languettes mesurée à une distance RI de l'axe X de rotation est supérieur à la largeur 1R2 mesurée à une distance R2 de l'axe X de rotation lorsque la distance RI est supérieure à la distance R2.
L’ensemble obtenu peut être imprégné avant d’être inséré dans le stator préparé par ailleurs.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits.

Claims

Revendications
1. Rotor (1) de machine électrique, tournant autour d’un axe de rotation (X), le rotor comportant :
- un arbre (5) disposé sur l’axe de rotation (X),
- une masse rotorique (3) s’étendant selon l’axe de rotation (X) et disposée autour de l’arbre, le rotor comportant des moyens de transmission de couple (10) entre la masse rotorique et l’arbre, les moyens de transmissions de couple comportant au moins une rainure (12) et au moins deux languettes (14), chaque languette coopérant avec la ou les rainures, les languettes (14) subissant une déformation plastique lors de l’insertion de la masse rotorique (3) sur l’arbre (5), la masse rotorique (3) étant formée d’un empilement de tôles comportant des tôles disposées dans un sens et des tôles retournées dans l’autre sens.
2. Rotor (1) de machine électrique, tournant autour d’un axe de rotation (X), le rotor comportant :
- un arbre (5) disposé sur l’axe de rotation (X),
- une masse rotorique (3) s’étendant selon l’axe de rotation (X) et disposée autour de l’arbre, le rotor comportant des moyens de transmission de couple (10) entre la masse rotorique et l’arbre, les moyens de transmissions de couple comportant au moins deux rainures (12) et au moins deux languettes (14), chaque rainure coopérant avec une languette, les languettes (14) subissant une déformation plastique lors de l’insertion de la masse rotorique (3) sur l’arbre (5), les languettes étant asymétriques par rapport à un plan contenant l’axe de rotation (X), les languettes comportant en section transversale un premier bord latéral (15) destiné à venir en contact avec la rainure et un deuxième bord latéral (16) qui n’est pas destiné à être en contact avec la rainure.
3. Rotor selon la revendication précédente, la languette (14) étant formée sur la masse rotorique (3), et la rainure (12) dans l’arbre (5).
4. Rotor selon l’une des revendications précédentes, l’un de la languette (14) et de la rainure (12) étant asymétrique par rapport à un plan contenant l’axe de rotation (X).
5. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, la rainure (12) comportant un chanfrein d’entrée (13).
6. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, la déformation plastique de la languette ayant lieu dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation (X) du rotor.
7. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, la languette (14) comportant à sa base au moins une nervure latérale (18), voire deux nervures latérales de part et d’autre.
8. Rotor selon l’une des revendications précédentes, les moyens de transmissions de couple (10) comportant au moins deux rainures (12) et deux languettes (14), chaque languette coopérant avec une rainure.
9. Rotor selon la revendication précédente, les deux languettes (14) et les deux rainures (12) étant respectivement symétrique l’une de l’autre par rapport à un plan (P) de symétrie contenant l’axe de rotation (X) du rotor.
10. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, la masse rotorique (3) étant formée d’un empilement de tôles, notamment de tôles toutes sensiblement identiques, à savoir au moins identiques du côté de l’arbre.
11. Rotor selon la revendication précédente, l’empilement de tôles de la masse rotorique (3) comportant des tôles disposées dans un sens et des tôles retournées dans l’autre sens.
12. Rotor selon l’une des deux revendications précédentes, au moins une tôle, mieux toutes les tôles, étant de telle sorte que l’empilement de tôles comporte au moins une tôle décalée angulairement autour de l’axe de rotation par rapport à une autre tôle.
13. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des aimants permanents.
14. Machine électrique tournante (10) comportant un rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un stator (2).
15. Machine selon la revendication précédente, le stator (2) comportant des conducteurs électriques (22), au moins une partie des conducteurs électriques (22), voire une majorité des conducteurs électriques, étant en forme d'épingle en U ou en I.
16. Procédé de fabrication d’un rotor (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, comportant les étapes suivantes :
(a) Fournir un arbre (5) du rotor comportant au moins une rainure (12), voire deux rainures, et une masse rotorique (3) comportant au moins deux languettes (14), (b) Monter la masse rotorique (3) sur l’arbre (5) du rotor, par insertion des languettes (14) dans la ou les rainures (12) correspondantes.
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