FR2846806A1 - Method of fabrication of electrical conductors in the form of U-shaped pins, includes die stamping apparatus for this fabrication - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un procédé de fabrication, à partir d'un filThe invention relates to a method of manufacturing from a wire.
électriquement conducteur, notamment de section transversale ronde entourée d'un revêtement en émail, des conducteurs en épingles en forme d'un U, d'un 5 bobinage d'un stator et/ou d'un rotor d'une machine électrique tournante, comprenant des encoches de réception des branches de chaque épingle, dont la section transversale au moins dans la partie qui est reçue dans les encoches du stator présente une section 10 transversale rectangulaire, un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, et un conducteur en épingle electrically conductive, in particular of round cross section surrounded by an enamel coating, U-shaped pin conductors, a winding of a stator and / or a rotor of a rotary electric machine, comprising notches for receiving the branches of each pin, the cross section of which at least in the part which is received in the notches of the stator has a rectangular cross section, a device for implementing this method, and a conductor in pin
obtenu à l'aide de ce dispositif.obtained using this device.
Il est connu de réaliser des épingles en forme de U, de section transversale rectangulaire, par laminage à 15 l'aide de rouleaux d'un fil rond et par pliage d'un It is known practice to produce pins in the shape of a U, of rectangular cross section, by rolling using rolls of a round wire and by bending a
tronçon approprié de ce fil de forme rectangulaire. appropriate section of this rectangular wire.
Or, on constate sur un fil laminé par des rouleaux un allongement du fil et une réduction de sa section transversale, ce qui implique un mouvement différentiel 20 entre les rouleaux et le fil dans le sens de laminage et des efforts de cisaillement de la couche d'émail. A titre d'exemple, un fil d'un diamètre de 2,24 mm sur cuivre laminé à 1,66 X 2,47 mm2 avec un rayon de 0,6 mm se réduit de 12 % en section transversale. D'autre part, 25 lors de la formation du U, le fil de section transversale rectangulaire est plié sur chant. Ceci a pour conséquence que la section locale du fil rectangulaire se déforme en trapèze, avec gonflement de l'épaisseur vers l'intérieur du pli. La figure 5 30 illustre cette déformation de la section rectangulaire Now, on a wire rolled by rollers, there is an elongation of the wire and a reduction in its cross section, which implies a differential movement between the rollers and the wire in the direction of rolling and shear forces of the layer d 'E-mail. For example, a wire with a diameter of 2.24 mm on copper laminated to 1.66 X 2.47 mm2 with a radius of 0.6 mm is reduced by 12% in cross section. On the other hand, during the formation of the U, the wire of rectangular cross section is bent on edge. This has the consequence that the local section of the rectangular wire deforms into a trapezoid, with swelling of the thickness towards the inside of the fold. Figure 5 30 illustrates this deformation of the rectangular section
montrée en A en un trapèze représenté en B. Cet effet occasionné par le pliage est une contrainte qui doit être prise en considération à la conception du bobinage car elle réduit la distance entre les fils dans le 35 bobinage du stator. shown in A in a trapezoid shown in B. This effect caused by bending is a constraint which must be taken into account in the design of the winding because it reduces the distance between the wires in the stator winding.
La présente invention a pour but de pallier de manière simple et économique les inconvénients qui The present invention aims to overcome in a simple and economical manner the drawbacks which
viennent d'être décrits.have just been described.
Pour atteindre ce but, le procédé selon 5 l'invention est caractérisé en ce que l'on réalise une épingle en forme d'un U à partir d'un tronçon de fil émaillé rond et en ce que l'on réalise la transformation de la section transversale ronde en une section transversale rectangulaire par une opération de 10 matriçage. To achieve this object, the method according to the invention is characterized in that a U-shaped pin is produced from a section of round enameled wire and in that the transformation of the round cross section into a rectangular cross section by a stamping operation.
Le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte une matrice comportant une empreinte de réception des épingles à section transversale ronde, qui présente la 15 forme de l'épingle présente après l'opération de transformation et un organe de poinçon destiné à The device for implementing the method according to the invention is characterized in that it comprises a matrix comprising an imprint for receiving pins of round cross section, which has the shape of the pin present after the transformation operation and a punch member intended for
déformer l'épingle reçue dans l'empreinte. deform the pin received in the impression.
Grâce à l'invention on ménage l'émail des conducteurs. En outre, si désiré, les têtes et les 20 extrémités libres des épingles peuvent avoir des sections différentes de celles des branches logées dans Thanks to the invention, the enamel of the conductors is spared. In addition, if desired, the heads and free ends of the pins may have different sections from those of the branches housed in
les encoches.the notches.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, The invention will be better understood and other aims,
caractéristiques, détails et avantages de celle-ci 25 apparaîtront plus clairement au cours de la description characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly during the description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un stator d'une machine électrique tournante, pourvu d'un bobinage à épingles standard; - la figure 2 montre une épingle à section transversale ronde; - la figure 3 illustre une épingle de section transversale rectangulaire utilisée pour la réalisation d'un bobinage du type de celui représenté sur la figure 1; - la figure 4 est une vue en coupe radiale, avec arrachement, d'un stator selon la figure 1; - la figure 5 illustre les sections transversales d'un tronçon de fil à section transversale rectangulaire avant et après la réalisation de l'épingle en forme d'un 10 U, selon l'état de la technique; - les figures 6 et 7 illustrent deux versions des sections transversales d'une épingle avant et après l'opération de matriçage selon l'invention; - les figures 8A, B, C sont des vues en 15 perspective des différents organes d'un dispositif d'outillage de matriçage selon l'invention, et - la figure 9 est une vue en perspective de la matrice du dispositif selon la figure 8, avec une Explanatory which will follow made with reference to the accompanying schematic drawings given solely by way of example illustrating an embodiment of the invention and in which: - Figure 1 is a perspective view of a stator of a rotary electric machine , fitted with a standard pin winding; - Figure 2 shows a pin with round cross section; - Figure 3 illustrates a pin of rectangular cross section used for the production of a winding of the type shown in Figure 1; - Figure 4 is a radial sectional view, with cutaway, of a stator according to Figure 1; - Figure 5 illustrates the cross sections of a section of wire with rectangular cross section before and after making the pin in the form of a 10 U, according to the prior art; - Figures 6 and 7 illustrate two versions of the cross sections of a pin before and after the stamping operation according to the invention; - Figures 8A, B, C are perspective views of the various members of a die-cutting tool device according to the invention, and - Figure 9 is a perspective view of the matrix of the device according to Figure 8 , with a
épingle obtenue par matriçage.pin obtained by stamping.
La figure 1 montre un induit sous la forme d'un stator typique d'une machine électrique tournante, à savoir d'un alternateur, dont le bobinage est formé par une pluralité de conducteurs électriques en forme d'épingle tel que représenté sur la figure 3, d'une 25 section transversale rectangulaire. Un tel alternateur doté d'un stator à épingles est décrit dans le document FR A 2 819 117 auquel on se reportera pour plus de précisions, sachant que le stator constitue l'induit de Figure 1 shows an armature in the form of a typical stator of a rotary electrical machine, namely an alternator, the winding of which is formed by a plurality of electrical conductors in the form of a pin as shown in the figure 3, of a rectangular cross section. Such an alternator provided with a pin stator is described in the document FR A 2 819 117 to which reference will be made for more details, bearing in mind that the stator constitutes the armature of
la machine.the machine.
Comme visible à la figure 3 chaque épingle 3 est globalement en forme de U et comporte donc deux branches issues d'une tête 10. Le corps de stator 5 de forme annulaire cylindrique, avantageusement constitué par un empilage de tôles, comporte, de façon connue en soi, 35 dans sa face radialement interne des encoches 7 axiales du type semi-fermé uniformément réparties sur cette surface, qui sont destinées et configurées chacune pour recevoir la portion médiane, indiquée en 9 sur la figure 3, de quatre branches de conducteurs en épingle 3. Les 5 portions de branche 9 sont juxtaposées dans la direction As shown in Figure 3 each pin 3 is generally U-shaped and therefore has two branches from a head 10. The stator body 5 of cylindrical annular shape, advantageously constituted by a stack of sheets, comprises, in known manner per se, in its radially internal face of the axial notches 7 of the semi-closed type uniformly distributed over this surface, which are each intended and configured to receive the middle portion, indicated at 9 in FIG. 3, of four branches of conductors in pin 3. The 5 portions of branch 9 are juxtaposed in the direction
radiale du stator.stator radial.
Comme le montre la figure 1, chaque conducteur en épingle 3 est engagé par une portion de branche 9 dans une encoche 7, tandis que l'autre portion médiane de 10 l'autre branche, désignée par la référence 9' sur la figure 3, est engagée dans une autre rainure décalée angulairement de la première. Pour constituer le bobinage, les conducteurs en épingle 3 destinés à former une phase de l'enroulement de stator sont montés en 15 série entre une entrée et une sortie. De chaque côté axial du stator, les bases ou têtes des épingles, indiquées en 10 sur la figure 3, forment un premier chignon 11 tandis que les extrémités libres des branches, indiquées en 12, sont connectées de façon 20 appropriée connues en soi, avantageusement par soudage, et constituent un chignon 13 à l'autre côté axial du stator. Il est évident que ce qui est expliqué est transposable au rotor d'un moteur électrique, tel celui d'un démarreur de véhicule automobile, constituant 25 l'induit de la machine électrique tournante; sachant As shown in FIG. 1, each hairpin conductor 3 is engaged by a portion of branch 9 in a notch 7, while the other middle portion of the other branch, designated by the reference 9 ′ in FIG. 3, is engaged in another groove angularly offset from the first. To form the winding, the pin conductors 3 intended to form a phase of the stator winding are connected in series between an input and an output. On each axial side of the stator, the bases or heads of the pins, indicated at 10 in FIG. 3, form a first bun 11 while the free ends of the branches, indicated at 12, are connected in an appropriate manner known per se, advantageously by welding, and constitute a bun 13 at the other axial side of the stator. It is obvious that what is explained can be transposed to the rotor of an electric motor, such as that of a motor vehicle starter, constituting the armature of the rotary electric machine; knowing
que le rotor comporte de manière connue un corps constitué par un paquet de tôles dotées d'encoches axiales pour recevoir les portions médianes des épingles en forme de U agencées pour former un premier et un 30 deuxième chignon de part et d'autre du corps du rotor. that the rotor comprises in a known manner a body consisting of a pack of sheets provided with axial notches for receiving the middle portions of the U-shaped pins arranged to form a first and a second bun on either side of the body of the rotor.
Pour réaliser un conducteur en épingle de section transversale rectangulaire, selon la figure 3, il est connu de réaliser en une première opération, par laminage à l'aide des rouleaux, à partir d'un fil 35 émaillé de section transversale circulaire, un fil présentant une section transversale rectangulaire. Dans une seconde opération, le conducteur en épingle selon la figure 3 est obtenu par pliage de ce fil préalablement formé. Ce procédé présente l'inconvénient qui est invoqué plus haut et consiste en le gonflement de l'épaisseur, indiqué en 15 sur la figure 5,situé vers l'intérieur du pli et donc de la tête 10. Ce gonflement diminue le passage de l'air sachant que dans un alternateur 10 conventionnel un ventilateur est implanté radialement en To produce a pin conductor of rectangular cross section, according to FIG. 3, it is known to produce in a first operation, by rolling with the help of rollers, from an enameled wire of circular cross section, a wire having a rectangular cross section. In a second operation, the hairpin conductor according to Figure 3 is obtained by folding this previously formed wire. This method has the drawback which is invoked above and consists in the swelling of the thickness, indicated at 15 in FIG. 5, located towards the inside of the fold and therefore of the head 10. This swelling reduces the passage of the air knowing that in a conventional alternator 10 a fan is located radially in
dessous du chignon il pour refroidir le stator 5. below the bun it to cool the stator 5.
Différemment de l'état de la technique, le procédé selon l'invention pour la formation des épingles en forme d'un U consiste à réaliser en une première étape, 15 à partir d'un fil rond entouré d'un revêtement en émail (non représenté spécifiquement), un conducteur en épingle tel que représenté sur la figure 2 et dont la Unlike the state of the art, the method according to the invention for the formation of pins in the shape of a U consists in carrying out in a first step, from a round wire surrounded by an enamel coating ( not shown specifically), a hairpin conductor as shown in Figure 2 and the
section transversale est toujours ronde. cross section is always round.
Puis, dans un dispositif outillage de matriçage 20 selon l'invention, l'épingle est transformée en une épingle dont les portions souhaitées sont configurées de façon à présenter une section transversale rectangulaire Then, in a die-cutting tool device 20 according to the invention, the pin is transformed into a pin whose desired portions are configured so as to have a rectangular cross section
d'épaisseur constante.of constant thickness.
L'outillage de matriçage selon l'invention 25 comporte, conformément aux figures 8A à 8C une semelle d'appui 17, une matrice 18 et un poinçon 19. La matrice 18 est en forme d'une plaque dans laquelle est usinée une empreinte 21 qui présente la forme de l'épingle 3 que l'on souhaite obtenir. La largeur du fil en U 30 constituant l'épingle est déterminée par la largeur a de l'empreinte. L'épaisseur du fil est définie par des butées axiales. La matrice 18 est destinée à être placée dans la semelle d'appui 17, de la manière illustrée sur la figure 9. Pour ce faire la semelle présente ici deux 35 cloisons longitudinales (non référencées) pour positionner la matrice 18 placée entre les deux cloisons. Le poinçon 19 présente également la forme d'une plaque sur laquelle est prévue une nervure 23 en forme de l'épingle que l'on souhaite obtenir. Cette 5 nervure 23 est destinée à s'engager lors du matriçage dans l'empreinte 21 et présente par conséquent une forme The die-forging tool according to the invention 25 comprises, in accordance with FIGS. 8A to 8C a support sole 17, a die 18 and a punch 19. The die 18 is in the form of a plate in which a recess 21 is machined which has the shape of the pin 3 that one wishes to obtain. The width of the U-shaped wire 30 constituting the pin is determined by the width a of the imprint. The thickness of the wire is defined by axial stops. The matrix 18 is intended to be placed in the support sole 17, as illustrated in FIG. 9. To do this, the sole has here two longitudinal partitions (not referenced) for positioning the matrix 18 placed between the two partitions. . The punch 19 also has the form of a plate on which is provided a rib 23 in the form of the pin which it is desired to obtain. This 5 rib 23 is intended to engage during stamping in the imprint 21 and therefore has a shape
complémentaire à cette empreinte.complementary to this footprint.
Lors du matriçage, on place une épingle en forme d'un U d'une section transversale ronde selon la figure 10 2 dans l'empreinte 21, qui a été mise en place préalablement dans la semelle d'appui 17. Puis on pose le poinçon 19 sur la matrice 18 et l'on pousse la nervure 23 du poinçon dans l'empreinte 21 ce qui provoque la déformation de l'épingle qui, sous l'effet 15 du poinçon 19, adoptera alors la forme de l'empreinte 21. During the forging, a pin in the shape of a U of a round cross section according to FIG. 10 2 is placed in the cavity 21, which was previously placed in the support sole 17. Then the punch 19 on the die 18 and the rib 23 of the punch is pushed into the imprint 21 which causes the deformation of the pin which, under the effect 15 of the punch 19, will then adopt the shape of the imprint 21 .
Il ressort de la description qui précède, que le It appears from the above description, that the
procédé selon l'invention pour la fabrication de conducteurs en forme d'épingle d'un bobinage de stator 20 et/ou de rotor d'une machine électrique tournante, implique la réalisation d'une ébauche en fil rond, formé selon la fibre neutre de la pièce en U à plat. Cette ébauche peut être obtenue par une machine spéciale et des outillages adaptés ou par une machine plus 25 universelle telle qu'une machine à coulisseaux multiples, travaillant le fil selon le cycle comprenant des opérations de déroulage, de redressage, de dénudage de certaines zones, si cela s'avère nécessaire, de coupe et de formage. L'opération suivante est l'insertion de 30 l'ébauche en fil rond dans l'outil de matriçage, la method according to the invention for manufacturing pin-shaped conductors of a stator winding 20 and / or rotor of a rotary electric machine, involves the production of a round wire blank, formed according to the neutral fiber of the flat U-shaped part. This blank can be obtained by a special machine and suitable tools or by a more universal machine such as a multi-slide machine, working the wire according to the cycle comprising operations of unwinding, straightening, stripping certain zones, if necessary, cutting and forming. The next operation is the insertion of the round wire blank into the matrix tool, the
fermeture de l'outil, l'aplatissement de l'épingle dans l'empreinte sous l'effet de la force de pression du poinçon, l'ouverture de l'outil et l'extraction du U. La figure 9 montre l'outil après l'ouverture, l'épingle 35 après le matriçage étant en train d'être sortie. closing of the tool, flattening of the pin in the cavity under the effect of the pressure force of the punch, opening of the tool and extraction of the U. Figure 9 shows the tool after opening, the pin 35 after the stamping being taken out.
L'invention présente de nombreux avantages. Ainsi lors de l'opération de matriçage, on observe une réduction de section transversale très faible, inférieure à 2 %. Par exemple, pour obtenir un fil 5 identique à celui indiqué plus haut à titre d'exemple de l'état de la technique, il suffit de partir d'un fil de 2,12 mm de diamètre sur cuivre. Le mouvement entre le fil et les parois de la matrice est donc très faible et la contrainte de cisaillement de l'émail négligeable. La 10 tenue de l'émail s'en trouve améliorée, ce qui permet par exemple de réaliser des sections plus plates, c'està-dire d'un rapport largeur/épaisseur plus élevé ou des plis sur chant dans la zone 10 de la figure 3, d'un The invention has many advantages. Thus during the stamping operation, a very small reduction in cross section is observed, less than 2%. For example, to obtain a wire 5 identical to that indicated above by way of example of the state of the art, it suffices to start with a wire of 2.12 mm in diameter on copper. The movement between the wire and the walls of the matrix is therefore very low and the shear stress of the enamel negligible. The strength of the enamel is improved, which makes it possible, for example, to produce flatter sections, that is to say of a higher width / thickness ratio or folds on edge in zone 10 of the Figure 3, of a
rayon plus faible.smaller radius.
L'outillage de matriçage peut être conçu pour former des pièces de section constante, identique aux pièces réalisables en fil laminé. Mais cet outillage permet aussi de réaliser des épingles présentant des zones de profils différents. En effet, il est de toute 20 façon préférable que les épingles présentent une section transversale rectangulaire dans leur portion engagée dans les encoches du paquet de tôle constituant le stator et/ou le rotor, notamment pour réduire les pertes par effet Joule et augmenter le taux de remplissage des 25 encoches. Dans la zone du pli, le fil est par contre libre et peut avoir une forme différente. Il peut rester rond si les distances entre le fil et les contraintes de refroidissement du chignon le permettent. Il peut être avantageux de lui donner une section transversale de 30 forme oblongue, de même épaisseur que dans la zone The die-forging tool can be designed to form parts of constant section, identical to the parts produced in rolled wire. However, this tool also makes it possible to produce pins having zones of different profiles. In fact, it is in any case preferable for the pins to have a rectangular cross section in their portion engaged in the notches of the sheet metal package constituting the stator and / or the rotor, in particular to reduce losses by Joule effect and increase the rate filling the 25 notches. On the other hand, in the fold area, the thread is free and may have a different shape. It can remain round if the distances between the wire and the cooling constraints of the bun allow it. It may be advantageous to give it an oblong cross section, of the same thickness as in the region
d'encoche, mais en laissant le fil se déformer librement en largeur, de la manière illustrée sur la figure 7. notch, but allowing the wire to deform freely in width, as illustrated in FIG. 7.
Ceci présente l'avantage qu'il n'y a pas de contraintes locales de l'émail sur les chants. On peut ainsi obtenir 35 des têtes d'épingle 10 avec un rayon de courbure faible. This has the advantage that there are no local constraints of the enamel on the edges. 35 pin heads 10 can thus be obtained with a small radius of curvature.
Cette forme est favorable au refroidissement et la réduction du bruit aérodynamique, dans la machine électrique tournante puisqu'il favorise l'écoulement du fluide de refroidissement traversant le chignon 11 du stator. L'invention permet encore de configurer les extrémités libres des épingles dans la zone 12 selon la figure 3 qui sont hors du paquet de tôle et sont destinées à être reliées d'une épingle à l'autre par 10 exemple par soudage ou sous soudo-brasage par résistance This shape is favorable for cooling and the reduction of aerodynamic noise in the rotating electric machine since it promotes the flow of the cooling fluid passing through the bun 11 of the stator. The invention also makes it possible to configure the free ends of the pins in the zone 12 according to FIG. 3 which are outside the sheet pack and are intended to be connected from one pin to the other, for example by welding or under welding. resistance brazing
pour former le chignon 13.to form the bun 13.
Les formes de l'empreinte 21 de la matrice 18 aux endroits appropriés peuvent être optimisées pour favoriser les opérations qui viennent d'être énoncées. 15 Si cela s'avère nécessaire ou souhaitable, il est également possible de dénuder avec précision les extrémités libres 12 des épingles lorsque que le fil est encore rond, ce qui est plus facile à faire que sur du fil rectangulaire. Comme l'allongement est faible, la 20 position de la zone dénudée sur le fil matricé est prévisible. L'invention est applicable à tout type de machine électrique tournante, notamment à des alternateurs pour véhicule automobile, en particulier à 6, 7, 8 ou 9 25 paires de pôles. L'invention concerne des bobinages triphasés ou à deux systèmes triphasés décalés ou à un nombre quelconque de systèmes triphasés décalés et des bobinages en épingles à 2, 4, 6 ou plus conducteurs par encoche. L'invention est également applicable de manière 30 précitée à un induit d'un moteur électrique, tel que The shapes of the imprint 21 of the matrix 18 in the appropriate places can be optimized to favor the operations which have just been stated. If necessary or desirable, it is also possible to precisely strip the free ends 12 of the pins when the wire is still round, which is easier to do than on rectangular wire. As the elongation is low, the position of the stripped area on the stamped wire is predictable. The invention is applicable to any type of rotary electrical machine, in particular to alternators for a motor vehicle, in particular to 6, 7, 8 or 9 pairs of poles. The invention relates to three-phase windings or to two offset three-phase systems or to any number of offset three-phase systems and to pin windings with 2, 4, 6 or more conductors by slot. The invention is also applicable in the aforementioned manner to an armature of an electric motor, such as
l'induit d'un démarreur de véhicule automobile. the armature of a motor vehicle starter.
Bien entendu il est avantageusement prévu des moyens pour éjecter l'épingle après l'opération de matriçage et d'une manière générale on automatise la Of course, means are advantageously provided for ejecting the pin after the forging operation and, in general, the
machine comprenant semelle d'appui 17. machine including support base 17.
le poinçon 19 la matrice et lapunch 19 the matrix and the
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