FR3002704A1 - Rotor de machine electrique rotative, machine electrique rotative comprenant un tel rotor et procede de fabrication d'un tel rotor - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un rotor (1) de machine électrique rotative, comprenant au moins deux paires de faisceaux (2) de fils électriques isolés, qui sont situés dans un corps isolant (3) de forme annulaire autour d'un axe principal (X), dans lequel lesdits faisceaux s'étendent en longueur dans un plan orthogonal audit axe principal, sont régulièrement répartis autour dudit axe principal et sont chacun courbés vers ledit axe principal de telle manière que leurs extrémités (2A, 2B) sont tournées à l'opposé dudit axe principal.

Description

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale le domaine des machines électriques rotatives à réluctance variable. Elle concerne plus particulièrement un rotor de machine électrique rotative. Elle concerne également une machine électrique rotative comprenant un tel rotor.

Elle concerne en outre un procédé de fabrication de ce rotor de machine électrique rotative. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE On connaît notamment du document GB2378323, un rotor d'une machine électrique rotative qui comprend un arbre primaire monté rotatif autour d'un axe longitudinal, et un corps annulaire monté fixe sur cet arbre primaire. Ce corps annulaire comprend deux plaques d'extrémité entre lesquelles est empilée une pluralité de plaques métalliques circulaires isolées les unes des autres. Chacune de ces plaques métalliques présente une ouverture centrale pour le passage dudit arbre primaire ainsi qu'une pluralité de découpes de forme allongée, régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal. Ces découpes sont plus précisément réparties sur quatre secteurs angulaires et présentent chacune une forme en arc de cercle. Elles forment alors des barrières de champ magnétique, si bien que le rotor présente quatre pôles magnétiques distincts. Lors du fonctionnement de cette machine électrique rotative, les courants de Foucault induits se diffusent dans chacune des plaques métalliques, ce qui réduit le rendement de cette machine électrique rotative. Le procédé de fabrication et d'assemblage des pièces constitutives de ce rotor est par ailleurs particulièrement onéreux et fastidieux à mettre en oeuvre, en raison notamment du nombre important de pièces à fabriquer et à assembler, ainsi que de la précision nécessaire pour mettre en oeuvre ces opérations. En effet, la réalisation des découpes formant les barrières de flux magnétique et l'empilement des plaques métalliques et des plaques d'extrémités sur l'arbre primaire constituent des opérations nécessitant une grande précision. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose un rotor de machine électrique rotative de fabrication simple, léger, facile à mettre en oeuvre, peu onéreux et permettant de limiter les pertes par courants de Foucault. Plus particulièrement, on propose selon l'invention un rotor de machine électrique rotative, comprenant au moins deux paires de faisceaux de fils électriques isolés qui sont situés dans un corps isolant de forme annulaire autour d'un axe principal, dans lequel lesdits faisceaux s'étendent en longueur dans un plan orthogonal audit axe principal, sont régulièrement répartis autour dudit axe principal et sont chacun courbés vers ledit axe principal de telle manière que leurs extrémités sont tournées à l'opposé dudit axe principal. Ainsi, grâce à l'invention, les courants de Foucault sont limités et canalisés de manière optimale par chaque fil électrique isolé des faisceaux. D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du rotor de machine électrique rotative conforme à l'invention sont les suivantes : - lesdits faisceaux sont tous formés d'un même fil électrique isolé enroulé autour dudit axe principal ; - lesdits faisceaux sont tous formés à partir d'un même fil électrique isolé enroulé autour dudit axe principal ; - lesdits faisceaux sont chacun formés d'une pluralité de fils électriques isolés et sont accolés bout-à-bout autour dudit axe principal ; - ledit corps isolant présente une face périphérique extérieure, et les fils 25 électriques isolés débouchent par leurs deux extrémités sur ladite face périphérique extérieure ; - il est prévu exactement deux paires de faisceaux de fils électriques isolés qui présentent ensemble une forme en croix ; et - il est prévu un arbre primaire engagé au travers d'une ouverture 30 centrale dudit corps isolant. L'invention concerne également une machine électrique rotative comprenant un stator qui délimite un espace intérieur et un rotor tel que décrit précédemment, situé dans ledit espace intérieur. Une telle machine électrique rotative présente un rendement optimal du fait que les courants Foucault sont limités et canalisés par les fils électriques isolés des faisceaux. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un tel rotor de machine électrique rotative, comprenant des étapes consistant à: a) déformer plastiquement une bobine de fil électrique isolé qui présente initialement une forme annulaire autour d'un axe principal, en appliquant des efforts de compression sensiblement dirigés vers ledit axe principal en au moins deux paires de points régulièrement répartis sur le contour extérieur de ladite bobine, afin que ladite bobine présente des branches chacune courbées vers ledit axe principal, et b) rapporter un corps isolant sur au moins une partie de la bobine déformée à l'étape a). D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du procédé de fabrication d'un rotor de machine électrique rotative conforme à l'invention sont les suivantes : - il comprend, après l'étape b), une étape c) consistant à découper les extrémités de chacune des branches de la bobine déformée à l'étape a) ; - à l'étape b), on loge au moins une partie de la bobine déformée à l'étape a) dans un moule, puis on injecte une matière isolante dans ledit moule ; et - il est prévu une étape de perçage d'une ouverture centrale dans ledit corps isolant et d'engagement d'un arbre primaire dans ladite ouverture centrale. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une bobine annulaire d'un fil électrique isolé nécessaire à la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un rotor de machine électrique rotative conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en perspective de la bobine de la figure 1 positionnée sur une presse de compression ; - la figure 3 est une vue schématique en perspective de la bobine de la figure 1 une fois déformée ; - la figure 4 est une vue schématique en perspective de la bobine déformée de la figure 3 sur laquelle un corps isolant a été rapporté ; - la figure 5 est une vue schématique en perspective d'un moule nécessaire à la mise en oeuvre du procédé de fabrication du rotor de la figure 1 ; et - la figure 6 est une vue schématique en perspective du rotor selon l'invention. Une machine électrique rotative peut être utilisée comme moteur pour convertir de l'énergie électrique en énergie mécanique, ou comme alternateur pour convertir de l'énergie mécanique en énergie électrique.

Ici, la machine électrique rotative présentée sera décrite comme présentant une fonction motrice, afin de transformer de l'énergie électrique fournie sous la forme d'un courant électrique, en une énergie mécanique de rotation d'un arbre primaire autour d'un axe de rotation. Bien entendu, la machine électrique rotative présentée présentera aussi une fonction génératrice, afin de transformer de l'énergie mécanique en une énergie électrique. Une telle machine électrique comporte classiquement un stator fixé sur un châssis et un rotor monté rotatif sur ce châssis. Le rotor et le stator sont montés l'un à l'intérieur de l'autre de manière concentrique et sont séparés par un espace d'air appelé entrefer. Sur la figure 6, on a représenté le rotor 1 d'une telle machine électrique rotative. Il s'agit ici d'un rotor 1 pour une machine électrique rotative à reluctance variable.

On entend par « reluctance », l'aptitude d'un matériau ferromagnétique à s'opposer à sa pénétration par un champ magnétique. Le stator d'une telle machine électrique à reluctance variable est alors par exemple composé d'une pluralité de bobines qui sont réparties autour du rotor et qui sont alimentées pour attirer une partie du rotor afin de le faire tourner.

Pour ce faire, comme cela sera exposé dans la suite du texte, le rotor 1 présente une anisotropie électromagnétique. On entend par « anisotropie » le fait que le rotor présente un axe selon lequel son inductance est faible et un autre axe selon lequel son inductance est élevée, ce qui définit alors les pôles magnétiques du rotor 1.

Comme le montre la figure 6, et selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le rotor 1 comprend au moins deux paires de faisceaux 2 de fils électriques isolés, qui sont situés dans un corps isolant 3 de forme annulaire autour d'un axe principal X. Selon l'invention, les faisceaux 2 s'étendent en longueur dans un plan orthogonal audit axe principal X, sont régulièrement répartis autour de l'axe principal X et sont chacun courbés vers cet axe principal X de telle manière que leur extrémités 2A, 2B sont tournées à l'opposé de cet axe principal X. Ainsi, grâce à l'invention, le flux de champ magnétique est canalisé par chacun des faisceaux 2 de fils électriques isolés, ce qui confère au rotor 1 ses propriétés d'anisotropie et ce qui permet de limiter la création de flux magnétiques parasites dans le rotor 1. Le rotor 1 comprend ici exactement quatre faisceaux 2 de fils électriques isolés accolés bout-à-bout autour de l'axe principal X.

Chaque faisceau 2 est constitué d'une pluralité de fils électriques isolés les uns des autres, sensiblement identiques, liés ensemble dans le sens de la longueur. Ici, chaque faisceau 2 présente une section transversale rectangulaire ou carrée, dont le nombre de fils dépend de la longueur du rotor.

Les fils électriques isolés sont ici en matière métallique conductrice. Ils sont plus particulièrement en alliage fer-silicium. Ils présentent chacun une section ronde et un diamètre compris ici entre 1 millimètre et 3 millimètres. Ces fils électriques sont isolés entre eux par une fine pellicule isolante, par exemple du type vernie thermo-adhésif.

En variante, chaque fil électrique isolé pourrait être formé d'une âme conductrice logée dans une gaine isolante. Encore en variante, chaque fil électrique isolé pourrait être constitué d'une fine lame isolée (on parle de « fils méplat »). Les quatre faisceaux 2 présentent chacun une même forme en arc de cercle, plus particulièrement ici en quart de cercle. Ils sont disposés en croix de manière que leurs extrémités 2A, 2B s'étendent tangentiellement et au contact des extrémités correspondantes 2B, 2A des deux faisceaux 2 voisins. Grâce à cette disposition en croix, le rotor 1 présente quatre pôles magnétiques situés aux extrémités des faisceaux 2, ici deux pôles situés sur un même axe Y1, et deux autres pôles situés sur un même axe Y2, orthogonal à l'axe Y1 (voir figure 6). Le corps isolant 3 annulaire est conçu pour loger ces quatre faisceaux 2 de fils électriques isolés. Il comprend deux faces principales 31 planes opposées qui s'étendent chacune dans un plan P perpendiculaire à l'axe principal X, et deux faces périphériques extérieure 32 et intérieure 34 cylindriques de révolution autour de l'axe principal X. La face périphérique intérieure 34 du corps isolant 3 délimite une ouverture centrale 33 agencée pour recevoir un arbre primaire (non représenté) monté rotatif sur le châssis de la machine électrique. Cette ouverture centrale 33 est traversante en ce sens qu'elle débouche sur les deux faces principales 31 du corps isolant 3. En variante, on pourrait envisager que cette ouverture centrale soit 15 borgne en ce sens qu'elle ne débouche que sur l'une des deux faces principales du corps isolant. Quoi qu'il en soit, la face périphérique intérieure 34 du corps isolant 3 présente un diamètre tel que les faisceaux 2 ne font pas saillie à l'intérieur de l'ouverture centrale 33 du corps isolant 3. 20 La face périphérique extérieure 32 présente en revanche un diamètre tel que les faisceaux 2 débouchent par leurs extrémités 2A, 2B sur cette face, sans faire pour autant saillie à l'extérieure de celle-ci. Enfin, les deux faces principales 31 sont écartées l'une de l'autre d'une distance telle que les côtés des faisceaux 2 affleurent ces deux faces. 25 Les deux faces principales 31 du corps isolant 3 sont séparées d'une distance correspondant à la longueur active du rotor. La face périphérique extérieure 32 du corps isolant 3 présente un diamètre extérieur correspondant au diamètre du stator auquel on a retranché l'entrefer (compris entre 0,2 et 1 mm). 30 La face périphérique intérieure 34 du corps isolant 3 présente un diamètre intérieur égal, au jeu de montage près, au diamètre de l'arbre primaire de la machine électrique. Le corps isolant 3 comprend par ailleurs des moyens de montage (non représentés) sur l'arbre primaire de la machine électrique. Ces moyens de montage sont bien connus de l'homme du métier, et consistent par exemple en des trous de réceptions de vis. Un montage en force ou un assemblage par collage est bien entendu aussi envisageable. Le corps isolant 3 est ici en résine constituée d'un ou de plusieurs 5 composants, par exemple de résine polyépoxyde (connue sous le nom d'époxy), ou encore en matière plastique. La matière du corps isolant 3 est telle qu'elle conserve ses caractéristiques structurelles de dureté depuis la température ambiante jusqu'à une température d'environ 150 degrés Celsius, pour résister aux échauffements 10 des faisceaux 2 de fils électriques isolés dus au fonctionnement de la machine électrique rotative. Sur les figures 1 à 6, on a représenté les différentes étapes du procédé de fabrication de ce rotor 1. Sur la figure 1, on a représenté une bobine 10 de fil électrique isolé 15 (également appelé toron). Cette bobine 10 est formée d'un fil électrique isolé enroulé selon une forme annulaire autour d'un axe principal X. Cette bobine 10 est obtenue préférentiellement à partir d'un unique fil électrique isolé qui est enroulé par une bobineuse à aiguilles sur un support d'enroulement dédié (non représenté). On pourrait également prévoir qu'elle soit obtenue à partir de 20 plusieurs fils électriques isolés. Ce fil électrique est ici isolé en ce sens qu'il est gainé par un vernis, ici du type thermo-adhésif, ce qui permet, après une opération de chauffage, à la bobine 10 de conserver sa forme annulaire lorsqu'elle est extraite du support d'enroulement. 25 Comme le montre la figure 2, il est prévu une étape a) de déformation de la bobine 10 telle que représentée sur la figure 1, en appliquant des efforts de compression (représentés par les flèches F1, F2, F3, F4) sensiblement dirigés vers l'axe principal X, en quatre points régulièrement répartis sur le contour extérieur de la bobine 10. 30 Cette opération est réalisée à l'aide d'un outil de compression, formé ici par une presse de compression 14. Comme cela apparaît sur la figure 4, cette presse de compression 14 comporte à cet effet un châssis (non représenté) sur lequel sont fixés quatre bras 15.

Chaque bras 15 présente une ouverture oblongue formant un rail dans lequel un pion 16 est monté à translation. Les bras 15 sont disposés à 90 degrés les uns des autres si bien que les pions 16 sont mobiles en translation par rapport au châssis, selon des axes de translation Ti T2, T3, T4 coplanaires qui passent par l'axe principal X et qui sont inclinés deux à deux d'un angle de 90 degrés. Les pions 16, sont ici revêtus d'une enveloppe protectrice en téflon® et sont conçus pour venir au contact du contour extérieur de la bobine 10, au niveau des quatre points précités, pour exercer des pressions de déformation équivalentes et synchronisées.

Cette presse de compression 14 permet donc de déformer la bobine 10 initialement annuaire afin d'obtenir une bobine déformée 17 telle que représentée sur la figure 3, présentant quatre branches 18 chacune courbées vers l'axe principal X. Cette bobine déformée 17 présente ici une forme en croix, avec quatre branches 18 symétriques deux à deux par rapport à l'axe principal X et quatre pointes 19 reliant les extrémités adjacentes des branches 18 voisines. Pour faciliter le maintien de la forme de la bobine 10, il peut être utilisé du fil thermocollant. Après le bobinage et la mise en forme, la bobine est mise dans un gabarit et chauffée pour procéder à l'adhésion du fil. Cette bobine déformée 17 peut être ensuite placée dans un élément de gabarit (non représenté) lui permettant de se refroidir tout en conservant sa forme. Comme le montre la figure 4, l'étape b) suivante consiste à rapporter le corps isolant 3 sur une partie de la bobine déformée 17.

Pour cela, on utilise un moule 50, tel que représenté sur la figure 5, qui présente une forme tubulaire. Ce moule 50 comprend plus particulièrement une paroi périphérique 52 cylindrique de révolution, qui est fermée d'un côté par un fond 51, et qui délimite un logement interne 53. Cette paroi périphérique 52 est ouverte du côté opposé au fond 51, pour permettre d'y rapporter la bobine déformée 17. La paroi périphérique 52 est par ailleurs prévue pour être fermée de ce même côté par un capot (non représenté). Quatre ouvertures de passage 54 sont ici pratiquées dans la paroi périphérique 52 pour permettre le passage des pointes 19 de la bobine déformée 17 lorsque celle-ci est insérée dans le logement interne 53. Lorsque la bobine déformée 17 est engagée dans le logement interne 53, sur le fond 51 du moule 50 et que les pointes 19 de la bobine déformée 17 font saillies du moule 50, ce dernier est refermé quasi-hermétiquement par le capot.

On y injecte alors la résine par une ou plusieurs buses de coulé (non représentées), jusqu'à un niveau souhaité. La quantité de résine est ici calculée de telle manière que lorsqu'elle est polymérisée, elle exerce une pression strictement positive sur les branches 18 de la bobine déformée 17. Cette pression s'exerce préférentiellement en direction de l'axe du rotor. Le moule 50 est ensuite placé dans un four de polymérisation permettant de polymériser la résine. Lorsque la résine est polymérisée, elle forme alors le corps isolant 3. Sur la figure 4, on a représenté la bobine déformée 17 et le corps isolant 3 tels qu'ils se présentent lorsqu'ils sont extraits du moule 50. On réalise ensuite une opération de perçage de l'ouverture centrale 33 dans le corps isolant 3 pour le passage de l'arbre primaire de la machine électrique. Il est ensuite prévu une étape c) de découpe des pointes 19 de la bobine déformée 17, ce qui permet d'obtenir le rotor 1 tel que représenté sur la figure 6. Cette étape c) de découpe des pointes 19 de la bobine déformée 17 est ici opérée après l'étape b). En variante, elle pourrait éventuellement être opérée avant celle-ci. Ces opérations de perçage de l'ouverture centrale 33 et de découpe des pointes 19 de la bobine déformée 17 sont ici réalisées de manière classique, par exemple en plusieurs opérations à l'aide d'une perceuse et d'une machine-outil du type tour d'usinage, ou encore en une seule opération d'estampage. Le corps isolant 3 est ensuite monté fixe sur l'arbre primaire par les moyens d'assemblage décrits précédemment.

Enfin, le rotor 1 est équilibré, par un enlèvement de matière sur l'arbre primaire et/ou sur le corps isolant 3, avant d'être positionné dans la machine électrique rotative. La mise en oeuvre d'un tel procédé de fabrication permet de fabriquer un rotor pour une machine électrique rotative à un coût réduit, du fait notamment du nombre réduit d'opérations à mettre en oeuvre, ces opérations pouvant par ailleurs être facilement industrialisées. De plus, une machine électrique comprenant un tel rotor présente un rendement optimal, notamment du fait que son rotor présente des pertes par courants de Foucault limitées et qu'il présente une masse réduite.

Selon une variante de réalisation non représentée du rotor, on pourrait envisager que les extrémités des fils électriques isolants ne débouchent pas sur la face périphérique extérieure du corps isolant, mais qu'elles soient légèrement en retrait de celle-ci. Selon une autre variante de réalisation, on pourrait envisager d'utiliser un rotor tel que représenté sur la figure 4, avec ses quatre pointes. Ainsi, les quatre faisceaux du rotor seraient formés d'un même fil électrique isolé enroulé autour de l'axe principal. On pourrait également envisager d'utiliser un rotor comprenant un nombre de paires de faisceaux de fils électriques isolés différents, par exemple, trois paires de faisceaux en forme d'étoile pour une machine électrique rotative à trois paires de pôles magnétiques. Selon une variante de réalisation du procédé de fabrication, on pourrait envisager de former le corps isolant par une injection de matière plastique.20

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Rotor (1) de machine électrique rotative, comprenant au moins deux paires de faisceaux (2) de fils électriques isolés qui sont situés dans un corps isolant (3) de forme annulaire autour d'un axe principal (X), dans lequel lesdits faisceaux (2) s'étendent en longueur dans un plan orthogonal audit axe principal (X), sont régulièrement répartis autour dudit axe principal (X) et sont chacun courbés vers ledit axe principal (X) de telle manière que leurs extrémités (2A, 2B) sont tournées à l'opposé dudit axe principal (X).
2. 2. Rotor (1) de machine électrique rotative selon la revendication 1, dans lequel lesdits faisceaux (2) sont tous formés d'un même fil électrique isolé enroulé autour dudit axe principal (X).
3. 3. Rotor (1) de machine électrique rotative selon la revendication 1, dans lequel lesdits faisceaux (2) sont chacun formés d'une pluralité de fils électriques isolés et sont accolés bout-à-bout autour dudit axe principal (X).
4. 4. Rotor (1) de machine électrique rotative selon la revendication 3, dans lequel ledit corps isolant (3) présente une face périphérique extérieure (32), et dans lequel les fils électriques isolés débouchent par leurs deux extrémités sur ladite face périphérique extérieure (32).
5. 5. Rotor (1) de machine électrique rotative selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel il est prévu exactement deux paires de faisceaux (2) de fils électriques isolés qui présentent ensemble une forme en croix.
6. 6. Machine électrique rotative comprenant un stator qui délimite un espace intérieur, caractérisée en ce qu'elle comporte également un rotor (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, situé dans ledit espace intérieur.
7. 7. Procédé de fabrication d'un rotor (1) de machine électrique rotative, 30 comprenant des étapes consistant à: a) déformer plastiquement une bobine (10) de fil électrique isolé qui présente initialement une forme annulaire autour d'un axe principal (X), en appliquant des efforts de compression sensiblement dirigés vers ledit axe principal (X) en au moins deux paires de points régulièrement répartis sur le contourextérieur de ladite bobine (10), afin que ladite bobine (10) présente des branches (18) chacune courbées vers ledit axe principal (X), et b) rapporter un corps isolant (3) sur au moins une partie de la bobine déformée (17) à l'étape a).
8. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel il comprend, après ladite étape b), une étape c) consistant à découper les extrémités de chacune des branches (18) de la bobine déformée (17) à l'étape a).
9. 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel, à l'étape b), on loge au moins une partie de la bobine déformée (17) à l'étape a) dans un moule (50), puis on injecte une matière isolante dans ledit moule (50).
10. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel il est prévu une étape de perçage d'une ouverture centrale (33) dans ledit corps isolant (3) et d'engagement d'un arbre primaire dans ladite ouverture centrale (33).