FR3050463A1

FR3050463A1 - Depot d'une couche de materiau electriquement isolant pour une machine electrique tournante

Info

Publication number: FR3050463A1
Application number: FR1653697A
Authority: FR
Inventors: Olivier Savinois
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-10-27
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: FR3050463B1; DE102017003812A1

Abstract

L'invention porte principalement sur un procédé de dépôt par cataphorèse d'une couche (59) de matériau électriquement isolant sur un corps d'un élément actif (48) de machine électrique tournante (10), caractérisé en ce qu'il comporte: -une étape de décapage (101) d'au moins une partie dudit corps d'élément actif (48), - une étape de dépôt (104) d'une couche d'adhésion (56) sur au moins une partie dudit corps de l'élément actif (48), -une étape de dépôt (106) de la couche (59) de matériau électriquement isolant par électrolyse sur ladite couche (59) d'adhésion, et -une étape de cuisson (109) de ladite couche (59) de matériau électriquement isolant.

Description

DÉPÔT D'UNE COUCHE DE MATERIAU ELECTRIQUEMENT ISOLANT POUR UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE

La présente invention porte sur un dépôt d'une couche de matériau électriquement isolant pour une machine électrique tournante. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des alternateurs pour véhicule automobile. Un tel alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible. Un alternateur réversible est appelé alterno-démarreur et permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. L'invention pourra également être mise en œuvre avec un moteur de type électrique.

De façon connue en soi, un alternateur ou un alterno-démarreur comporte un carter et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes, solidaire en rotation d'un arbre, et un stator qui entoure le rotor avec présence d'un entrefer. Le carter comporte un palier avant et arrière portant chacun centralement un roulement à billes pour le montage à rotation de l'arbre du rotor. Le palier arrière porte un porte-balais muni de balais destinés à venir frotter contre des bagues d'un collecteur pour assurer l'alimentation du bobinage rotorique.

Le stator comporte un corps en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches pour le montage du bobinage du stator. Le bobinage statorique comporte une pluralité d’enroulements de phase traversant les encoches du corps et formant un chignon avant et un chignon arrière de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'une couche d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme de barre, tels que des épingles, dont les extrémités sont reliées électriquement entre elles.

Lors de l'installation du bobinage à l'intérieur des espaces prévus à cet effet dans le corps de l'élément actif de la machine (stator ou rotor), le bobinage est soumis à des contraintes importantes susceptibles de détériorer le fil émaillé en arrachant partiellement la couche d'émail. De telles contraintes sont notamment observables lors de l'opération d'insertion du bobinage dans les encoches du stator ou lors de l'opération de conformage des chignons.

Or, si le fil formant le bobinage est localement à nu, il existe un risque de court-circuit entre les phases de bobinage et le corps de l'élément actif relié à la masse de l'appareil. Afin d'éviter l'apparition de court-circuit, un isolant électrique prenant la forme de papier isolant est positionné de façon connue en soi entre le fil émaillé du bobinage et le corps de l'élément actif considéré. Toutefois, le volume occupé par l'isolant électrique empêche de maximiser le taux de remplissage des encoches en cuivre pour optimiser les performances de la machine électrique ou, au contraire, oblige à diminuer la quantité de fer du corps de l’élément actif. L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé de dépôt par cataphorèse d'une couche de matériau électriquement isolant sur un corps d’un élément actif de machine électrique tournante, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de décapage d’au moins une partie dudit corps de l’élément actif, - une étape de dépôt d'une couche d'adhésion sur au moins une partie dudit corps de l’élément actif, - une étape de dépôt de la couche de matériau électriquement isolant par électrolyse sur ladite couche d'adhésion, et - une étape de cuisson de ladite couche de matériau électriquement isolant. L'invention permet ainsi de contrôler précisément l'épaisseur de la couche de matériau électriquement isolant déposée sur le corps de l'élément actif pour pouvoir effectuer un dépôt de faible épaisseur. On minimise ainsi le volume d'isolant occupé dans l'élément actif, ce qui permet d'augmenter le taux de remplissage en cuivre ou le volume de fer pour améliorer les performances magnétiques de la machine ou, à iso-performances, de réduire l'encombrement de la machine. L’utilisation d’un procédé de cataphorèse permet ici d’isoler électriquement le corps de l’élément actif et le bobinage électrique de l’élément actif au moyen d’une couche de matériau électriquement isolant. L’utilisation du dépôt par électrolyse permet l’utilisation d’une matière électriquement isolante qui se trouve initialement sous forme liquide. Cela permet d’homogénéiser le dépôt de la couche de matériau électriquement isolant afin d’éviter d’avoir des surépaisseurs de matière en particulier dans les angles du corps de l’élément actif. L’étape de dépôt de la couche d’adhésion permet une meilleure fiabilité du procédé en garantissant un meilleur accrochage de la couche de matériau électriquement isolant sur le corps de l’élément actif. L’étape de cuisson permet une polymérisation de la matière permettant le durcissement de la couche de matériau électriquement isolant afin de garantir une bonne résistance à l’usure de cette couche.

Selon une mise en œuvre, une épaisseur de ladite couche de matériau électriquement isolant déposée est inférieure à 80 micromètres, de préférence inférieure à 50 micromètres, par exemple de l'ordre de 25 micromètres plus ou moins 5 micromètres. Par exemple, l’épaisseur de la couche de matériau électriquement isolant est de 20 micromètres.

Selon une mise en œuvre, ladite étape de décapage est effectuée par trempage dans un bain contenant une solution alcaline. Cela permet d'éviter de détériorer la couche d'émail des conducteurs du bobinage en cas de suage du stator ou du rotor réalisé en tôle feuilletée.

Selon une mise en œuvre, ladite étape de dépôt de ladite couche d'adhésion est effectuée par phosphatation.

Selon une mise en œuvre, ladite étape de cuisson est effectuée à une température comprise entre 150 et 200 degrés Celsius. Par exemple, la température est de 180 degrés Celsius.

Ledit procédé pourra comporter une étape de rinçage mise en œuvre respectivement après l'étape de décapage, l'étape de dépôt de la couche d'adhésion, et l'étape de dépôt par électrolyse.

Selon une mise en œuvre, chaque étape de rinçage est effectuée par trempage du corps de l’élément actif dans un bain d'eau distillée filtrée par ultrason.

Selon une mise en œuvre, ledit procédé comporte en outre une étape de nettoyage à haute pression du corps de l’élément actif mise en œuvre respectivement avant l'étape de dépôt de la couche d'adhésion et l'étape de cuisson.

Selon une mise en œuvre, ladite couche de matériau électriquement isolant est déposée sur toute une surface externe dudit corps de l’élément actif. L'invention a également pour objet un élément actif de machine électrique tournante, ledit élément comportant: - un corps, - un bobinage électrique, - une couche de matériau électriquement isolant positionnée au moins entre le corps et le bobinage électrique de manière à les isoler électriquement l’un par rapport à l’autre, ladite couche de matériau électriquement isolant étant formée par un revêtement s’étendant sur ledit corps et présentant une épaisseur inférieure à 80 micromètres, de préférence inférieure à 50 micromètres. L'invention permet ainsi de contrôler précisément l'épaisseur de la couche de matériau électriquement isolant déposée sur le corps de l'élément actif pour pouvoir effectuer un dépôt de faible épaisseur. On minimise ainsi le volume d'isolant occupé dans l'élément actif, ce qui permet d'augmenter le taux de remplissage en cuivre ou le volume de fer pour améliorer les performances magnétiques de la machine ou, à iso-performances, de réduire l'encombrement de la machine.

Ce revêtement présente également l’avantage d’avoir une meilleure résistance à l’usure que le papier et présente un effet lubrifiant qui évite de détériorer l’émail du bobinage électrique lors de son insertion dans le corps de l’élément actif.

Selon une réalisation, l’épaisseur de la couche de matériau électriquement isolant est de l'ordre de 25 micromètres plus ou moins 5 micromètres. Par exemple, l’épaisseur de la couche de matériau électriquement isolant est de 20 micromètres.

Selon une réalisation, la couche de matériau électriquement isolant est formée d’un matériau électriquement isolant comportant un liant cationique et une pâte pigmentaire présentant des charges minérales enrobées d’une résine cationique.

Selon une réalisation, un coefficient de frottement de la couche de matériau électriquement isolant est inférieur à 0,43. Cela permet de faciliter l'insertion des conducteurs dans les encoches du stator ou du rotor de la machine électrique.

Selon une mise en œuvre, ladite couche de matériau électriquement isolant est présente sur toute une surface externe dudit corps de l’élément actif.

Selon une réalisation, l'élément actif est un rotor ou un stator de machine électrique tournante. L'invention porte en outre sur une machine électrique tournante de véhicule automobile, ladite machine comprenant au moins un élément actif tel que précédemment défini. La machine électrique tournante peut, par exemple, former un alternateur ou un alterno-démarreur ou encore une machine réversible. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.

La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une machine électrique tournante selon la présente invention;

La figure 2 montre une vue de dessus d'un corps de stator recouvert d'une couche de matériau électriquement isolant selon la présente invention;

Les figures 3a et 3b sont des vues en perspective suivant deux angles de vue différents d'une roue polaire recouverte d'une couche de matériau électriquement isolant selon la présente invention;

La figure 4 est un diagramme des étapes du procédé de dépôt d'une couche de matériau électriquement isolant selon la présente invention;

La figure 5 est une représentation schématique des différentes étapes du procédé selon la présente invention.

Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.

On a représenté sur la figure 1 un alternateur 10 compact et polyphasé, notamment pour véhicule automobile, apte à transformer de l'énergie mécanique en énergie électrique qui pourra être réversible. Un tel alternateur réversible, appelé alterno-démarreur, permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule.

Cet alternateur 10 comporte un carter 11 et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes 12 monté sur un arbre 13, et un stator 16, qui entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer 17 entre la périphérie externe du rotor 12 et la périphérie interne du stator 16.

Comme on peut le voir dans l’exemple de la figure 2, le stator 16 d'axe X correspondant à l'axe de rotation de la machine comporte un corps 19 consistant en un empilement axial de tôles planes. Par exemple, le corps 19 comporte des dents 18 réparties angulairement de manière régulière sur une périphérie interne d'une culasse 22. Ces dents 18 délimitent des encoches 23, de telle façon que chaque encoche 23 est délimitée par deux dents 18 successives. La culasse 22 correspond ici à la portion annulaire externe pleine du corps 19 qui s'étend entre le fond des encoches 23 et la périphérie externe du corps du stator.

Les encoches 23 débouchent axialement dans les faces d'extrémité axiales du corps 19. Les encoches 23 sont également ouvertes radialement vers l'intérieur du corps 19.

Des enroulements de phase sont insérés à l'intérieur des encoches 23 pour former un bobinage 26 présentant un chignon avant 20 et un chignon arrière 21 de part et d'autre du corps 19 du stator 16. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme de barre, tels que des épingles reliées électriquement entre elles par exemple par soudage. Ces enroulements sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle, dont les sorties sont reliées à au moins un pont redresseur comportant des éléments redresseurs tels que des diodes ou des transistors du type MOSFET.

Le rotor 12 comporte un corps 27 formé par deux roues polaires 24, 25 bien visibles en figure 3a et 3b. Chaque roue polaire 24, 25 présente un flasque 28 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes 29 par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes 29 d'une roue 24, 25 sont dirigées axialement vers le flasque 28 de l'autre roue. Chaque griffe 29 d'une roue polaire 24, 25 pénètre dans l'espace existant entre deux griffes 29 voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont imbriquées les unes par rapport aux autres.

Un noyau cylindrique 30 est intercalé axialement entre les flasques 28 des roues 24, 25. En l'occurrence, le noyau 30 consiste en deux demi-noyaux appartenant chacun à l'un des flasques 28. Ce noyau 30 porte à sa périphérie externe un bobinage d'excitation 31. L'arbre 13 pourra être emmanché à force dans l'alésage central des roues polaires 24, 25. Du côté de son extrémité avant, l'arbre 13 pourra comporter une partie filetée pour la fixation d'une poulie 57 (cf. figure 1). La poulie 57 appartient à un dispositif de transmission de mouvement entre l'alternateur 10 et le moteur thermique du véhicule automobile.

Par ailleurs, le carter 11 peut comporter des paliers avant 35 et arrière 36 assemblés entre eux. Les paliers 35, 36 sont de forme creuse et portent chacun centralement un roulement 37, 38 à billes pour le montage à rotation de l'arbre 16 du rotor. Le palier arrière 38 porte un porte-balais 40 muni de balais 41 destinés à venir frotter contre des bagues 44 d'un collecteur 45 pour assurer l'alimentation du bobinage du rotor 12.

En référence aux figures 1 à 3, la machine électrique tournante présente une couche 59 d’un matériau électriquement isolant formée sur un corps d’un élément actif 48 de la machine électrique.

Ce corps d’élément actif 48 pourra par exemple être constitué par le corps de stator 19 ou le corps de rotor 27. La couche 59 forme un revêtement électriquement isolant positionné au moins entre le corps 19, 27 et le bobinage électrique 26, 31 de manière à les isoler électriquement l’un par rapport à l’autre. La couche 59 s’étend au moins sur la partie du corps 19, 27 située en regard du bobinage 26, 31 correspondant.

La couche 59 présente une épaisseur inférieure à 80 micromètres, de préférence inférieure à 50 micromètres. L’épaisseur de la couche 59 est typiquement de l'ordre de 25 micromètres plus ou moins 5 micromètres. Par exemple, l’épaisseur de la couche 59 est de 20 micromètres.

De préférence, un coefficient de frottement de la couche 59 est inférieur à 0,43.

On décrit ci-après, en référence aux figures 4 et 5, le procédé de dépôt par cataphorèse de la couche 59 de matériau électriquement isolant sur un élément actif 48 de la machine électrique. Le traitement décrit pourra être appliqué simultanément à une pluralité d'éléments actifs 48 accrochés sur un support 50 monté mobile suivant un rail 51 pour passer d'un poste à l'autre (cf. figure 5).

Plus précisément, le procédé comporte une première étape 101 de décapage du corps de l'élément actif 48. Cette étape de décapage 101 est effectuée par trempage du corps de l'élément actif 48 dans un bain 53 contenant de préférence une solution alcaline. Cela permet d'éviter la détérioration de la couche d'émail des conducteurs du bobinage en cas de suage ultérieur du corps de stator 19 ou du corps de rotor 27 réalisé en tôle feuilletée.

Les éléments actifs 48 décapées sont ensuite rinçés au cours d'une étape 102 par exemple par trempage dans un bain d'eau distillée 54 filtrée par ultrason. Toutes les étapes de rinçage décrites ci-après pourront être mises en œuvre suivant ce même principe.

Lors d'une étape 103, les pièces subissent un nettoyage à haute pression par exemple par projection d'un fluide 55, par exemple de l'air ou de l'eau, à une pression de préférence comprise entre 10 et 15 bars.

Au cours d'une étape 104, une couche d'adhésion 56 est déposée par exemple par phosphatation. Cette couche d'adhésion 56 vise à améliorer l'adhésion de la couche électriquement isolante sur la surface externe du corps de l'élément actif 48. La couche d'adhésion 56 pourra être réalisée à base d'un alliage Fer-nickel ou Fer-Manganèse.

Vient ensuite une étape de rinçage 105 de la couche d’adhésion 56.

Au cours d’une étape 106, le dépôt de la couche de matériau électriquement isolant 59 sur la couche d'adhésion est effectué par électrolyse. A cet effet, le corps de l'élément actif 48 plongé dans un bain 60 de peinture hydrosoluble est parcouru par un courant pour permettre l'adhésion des particules de peinture sur la surface externe du corps de l'élément actif 48. Par exemple, le courant est tel qu’on ait une densité de courant dans le bain de l’ordre de 0,2 à 5 mA/cm2.

La peinture utilisée est par exemple un matériau à base d’un liant principal cationique et d’une pâte pigmentaire présentant des charges minérales enrobées d'une résine cationique telle qu’une résine époxy. La peinture peut, en outre, comprendre des solvants organiques et de l’eau déminéralisée. La quantité de solvants organiques comprise dans la peinture est, en général, inférieure à 5%.

Un tel procédé permet de contrôler précisément l'épaisseur de la couche isolante 59 déposée sur le corps de l'élément actif 48 pour pouvoir effectuer un dépôt de faible épaisseur. En effet, l’épaisseur de la couche isolante 59 déposée est inférieure à 80 micromètres, de préférence inférieure à 50 micromètres. De préférence, l’épaisseur de la couche isolante 59 déposée est de l'ordre de 25 micromètres plus ou moins 5 micromètres. Par exemple, l’épaisseur de la couche 59 est de 20 micromètres.

Vient ensuite une étape de rinçage 107 et une étape de nettoyage 108 à haute pression.

Les corps des éléments actifs 48 sont introduits dans un four 63 au cours d'une étape de cuisson 109 pour assurer la cuisson de la couche 59 de matériau électriquement isolant. L'étape de cuisson 109 est effectuée à une température comprise entre 150 et 200 degrés Celsius, par exemple de l’ordre de 180 degrés Celsius. La durée de la cuisson pourra par exemple être de l'ordre de 20 à 90 minutes pour 15 à 80 micromètres pour une résine par exemple de type époxy. A l'issue de l'étape de passage au four 109, on obtient un corps d’élément actif 48 ayant l'ensemble de sa surface externe recouverte de façon homogène de la couche isolante 59. Ainsi, pour le stator 16, l'ensemble de la surface externe de la culasse 22, des dents 18, et des encoches 23 correspondantes sont recouvertes de la couche isolante 59 représentée par des petits points sur la figure 2. Pour le rotor 12, l'ensemble de la surface externe des flasques 28, des griffes 29, et du noyau 30 sont recouvertes de la couche isolante 59 représentée par des petits points sur les figures 3a et 3b.

Dans une variante de réalisation, le procédé de dépôt par cataphorèse est réalisé seulement sur une partie du corps de l’élément actif 48. Ainsi, seule une partie du corps de l’élément actif 48 présente une couche de matériau électriquement isolant. Il s’agit de préférence de la partie du corps qui est en regard du bobinage électrique de l’élément actif 48. Par exemple, pour le stator 16 il s’agit des encoches 23 et pour le rotor 12 il s’agit du noyau 30 et des surfaces internes des griffes 29 et des flasques 28.

La présente invention trouve des applications en particulier dans le domaine des rotors et des stators pour alternateur, alterno-démarreur ou machine réversible de véhicule automobile. En particulier l’invention s’applique pour des machines électriques tournantes très basse tension c’est-à-dire inférieure à 100V. Cependant, la présente invention pourrait également s’appliquer à tout type de machine tournante.

Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de dépôt par cataphorèse d'une couche (59) de matériau électriquement isolant sur un corps d’un élément actif (48) de machine électrique tournante (10), caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de décapage (101) d’au moins une partie dudit corps de l’élément actif (48), - une étape de dépôt (104) d'une couche d'adhésion (56) sur au moins une partie dudit corps de l’élément actif (48), -une étape de dépôt (106) de la couche (59) de matériau électriquement isolant par électrolyse sur ladite couche (56) d'adhésion, et -une étape de cuisson (109) de ladite couche (59) de matériau électriquement isolant.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’une épaisseur de ladite couche (59) de matériau électriquement isolant déposée est inférieure à 80 micromètres, de préférence inférieure à 50 micromètres, par exemple de l'ordre de 25 micromètres plus ou moins 5 micromètres.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite étape (101) de décapage est effectuée par trempage dans un bain (53) contenant une solution alcaline.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite étape (104) de dépôt de ladite couche d'adhésion (56) est effectuée par phosphatation.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite étape de cuisson (109) est effectuée à une température comprise entre 150 et 200 degrés Celsius.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de rinçage (102, 105, 107) mise en œuvre respectivement après l'étape de décapage (101), l'étape de dépôt de la couche d'adhésion (104), et l'étape de dépôt par électrolyse (106).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque étape de rinçage (102, 105, 107) est effectuée par trempage du corps de l’élément actif (48) dans un bain d'eau distillée (54) filtrée par ultrason.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de nettoyage (103, 108) à haute pression du corps de l’élément actif (48) mise en œuvre respectivement avant l'étape de dépôt de la couche d'adhésion (104) et l'étape de cuisson (109).
9. Elément actif (48) de machine électrique tournante, ledit élément actif (48) comportant: - un corps (19, 27), - un bobinage électrique (26, 31), - une couche de matériau électriquement isolant (59) positionnée au moins entre le corps (19, 27) et le bobinage électrique (26, 31) de manière à les isoler électriquement l’un par rapport à l’autre, ladite couche de matériau électriquement isolant (59) étant formée par un revêtement s’étendant sur ledit corps (19, 27) et présentant une épaisseur inférieure à 80 micromètres, de préférence inférieure à 50 micromètres.
10. Elément actif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’épaisseur de la couche de matériau électriquement isolant (59) est de l'ordre de 25 micromètres plus ou moins 5 micromètres.
11. Elément actif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la couche de matériau électriquement isolant (59) est formée d’un matériau électriquement isolant comportant un liant cationique et une pâte pigmentaire présentant des charges minérales enrobées d’une résine cationique.
12. Elément actif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'un coefficient de frottement de la couche de matériau électriquement isolant (59) est inférieur à 0,43.
13. Elément actif selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que ladite couche (59) de matériau électriquement isolant est présente sur toute une surface externe dudit corps de l’élément actif (48).
14. Elément actif selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu’il est un rotor (12) ou un stator (16) de machine électrique tournante.
15. Machine électrique tournante de véhicule automobile, ladite machine comprenant au moins un élément actif (48) selon l’une quelconque des revendications 9 à 14.