FR3069729A1 - Rotor a cage injectee - Google Patents

Abstract

Rotor de machine électrique tournante comportant : - un paquet de tôles magnétiques, ces dernières comportant des ajours formant des encoches (4) au sein du paquet, - des barres (10) d'un premier matériau électriquement conducteur reçues dans une partie seulement des encoches, de sorte que certaines encoches (4) sont sans barre (10) à l'intérieur de l'encoche (4), - un deuxième matériau (20) électriquement conducteur, différent du premier, injecté dans au moins une partie des encoches.

Description

ROTOR A CAGE INJECTEE

La présente invention concerne les machines électriques tournantes et plus particulièrement les rotors de telles machines.

Arrière-plan

Les moteurs électriques asynchrones comportent, de façon conventionnelle, un paquet de tôles magnétiques traversé par des encoches. De l’aluminium est injecté sous pression pour former des barreaux qui sont reliés à l’extérieur du paquet de tôles par des anneaux de court-circuit.

Pour améliorer les performances électriques, il peut s’avérer intéressant de diminuer encore la résistivité électrique des barreaux en remplaçant l’aluminium par du cuivre. Toutefois, la température de fusion du cuivre étant bien supérieure à celle de l’aluminium, il devient difficile d’injecter du cuivre dans les encoches.

Une solution connue consiste ainsi à introduire des barres conductrices en cuivre dans les encoches et à injecter de l’aluminium sous pression pour remplir l’espace laissé libre à l’intérieur des encoches par les barres.

Les demandes WO2011015494, W02010100007, W02009038678,

US2011291516, WO2014067792, WO2011020788, W02015071156, WO2012041943, JPH10234166, CN1925280, JPH11206080, JP2005278373, JPH1028360 décrivent des rotors dont le paquet de tôles comporte des encoches recevant des barres de cuivre et dans lesquelles de l’aluminium est injecté sous pression.

Résumé

Une des difficultés qui se posent, lors de l’injection de l’aluminium, est le remplissage de la bague arrière, l’aluminium étant injecté par l’avant et devant gagner la bague arrière en circulant au travers des encoches, dont la section est réduite par la présence des barres de cuivre.

Or, un défaut de remplissage de la bague arrière entraîne une mise au rebut du rotor ou oblige à une reprise coûteuse.

Par ailleurs, la présence de barres de cuivre dans les encoches entraîne un surcoût qui rend la machine trop coûteuse pour certaines applications. Or, il pourrait être souhaitable d’améliorer les performances de la machine tout en conservant un coût acceptable pour l’application concernée.

Il existe un besoin pour remédier à tout ou partie des inconvénients ci-dessus.

L’invention y parvient grâce à un rotor de machine électrique tournante comportant :

- un paquet de tôles magnétiques, ces dernières comportant des ajours formant des encoches au sein du paquet,

- des barres d’un premier matériau électriquement conducteur reçues dans une partie seulement des encoches, de sorte que certaines encoches sont sans barre à l’intérieur de l’encoche,

- un deuxième matériau électriquement conducteur, différent du premier, injecté dans au moins une partie des encoches.

Selon l’invention, l’absence de barres dans certaines encoches permet de conserver une section importante pour le passage de l’aluminium injecté, et ainsi de faciliter le remplissage de la bague arrière.

De plus, la présence des barres dans certaines encoches améliore les performances électriques. Il est possible, en choisissant le nombre de barres rajoutées, d’obtenir un bon compromis entre l’accroissement des performances et le maintien d’un coût acceptable pour la machine.

Dans des exemples de réalisation, le rotor comporte plus d’encoches avec des barres que d’encoches sans barres. Dans d’autres variantes, c’est le contraire et le rotor comporte plus d’encoches sans barre qu’avec barre.

De multiples dispositions des barres au sein des encoches sont possibles. Par exemple, on peut faire alterner dans le sens circonférentiel une encoche sans barre et une encoche avec barre. On peut également faire alterner de façon plus générale ni encoches sans barre avec n₂ encoches avec barre, ni et n₂ étant des entiers strictement supérieurs à 1.

Le premier matériau est de préférence du cuivre, le deuxième matériau est de préférence de l’aluminium.

Description des figures

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 :

- les figures 1A et IB représentent de façon schématique, en section axiale, un exemple de rotor selon l’invention,

- les figures 2 à 4 représentent, de façon schématique, des portions de rotor réalisées conformément à l’invention,

- les figures 5A à 5D illustrent des variantes de réalisation d’encoches,

- les figures 6A et 6B illustrent des variantes de réalisation de tôles, et

- la figure 7 représente de façon schématique, en section axiale, une variante de rotor selon l’invention.

Rotor

On a représenté aux figures 1 A, IB et 2 un rotor 1 selon l’invention. Ce rotor 1 comporte un paquet de tôles magnétiques 2, montées sur un arbre 9, par exemple en acier, d’axe X.

Le paquet 2 est formé par la superposition de tôles magnétiques 113 dans lesquelles sont découpés des ajours 3.

La superposition des ajours 3 des tôles 113 forme, au sein du paquet 2, des encoches 4 qui s’étendent longitudinalement d’une extrémité axiale du paquet 2 à l’autre. Les encoches 4 peuvent être droites, c’est-à-dire que toutes les tôles 113 sont exactement superposées sans décalage angulaire d’une tôle 113 à la suivante. Toutefois, de préférence, les tôles 113 sont superposées en étant décalées angulairement légèrement d’une tôle à la suivante de telle sorte que les axes longitudinaux des encoches 4 suivent un trajet hélicoïdal autour de l’axe de rotation du rotor, de façon connue en soi.

Dans l’exemple illustré, toutes les tôles 113 sont identiques et les ajours 3 le sont également, de sorte que le paquet 2 comporte des encoches 4 identiques. Dans des variantes, le paquet 2 est formé par assemblage de tôles 113 qui ne sont pas rigoureusement toutes identiques en vue de face, de l’avant du paquet 2, de sorte que la section d’une encoche 4 peut présenter une forme qui varie lorsque l’on se déplace de l’extrémité avant de l’encoche 4 à l’extrémité arrière. En particulier, les tôles 113 peuvent être identiques lorsqu’elles sont découpées, mais être assemblées en retournant certaines tôles par rapport à d’autres, de telle sorte qu’elles génèrent une évolution de la section de l’encoche 4 lorsque l’on se déplace le long de l’axe de rotation.

Des anneaux de court-circuit 120 et 130 sont moulés en aluminium aux extrémités du paquet de tôles 2. Ces anneaux 120 et 130 sont d’une seule pièce avec l’aluminium coulé dans les encoches 4.

Encoches sans barre

Conformément à l’invention, le rotor comporte des encoches 4 qui sont remplies uniquement par le deuxième matériau injecté, à savoir l’aluminium. Le rotor comporte des barres 10 de cuivre uniquement dans certaines encoches. Dans l’exemple illustré, les encoches 4 sans barre alternent avec les encoches 4 avec barre 10.

L’aluminium est aussi injecté dans les encoches 4 avec barres dans l’espace laissé libre par les barres 10.

Dans les modes de réalisation illustrés aux figures 2, 4 et 5, une encoche sur 3 est sans barre dans le sens circonférentiel. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, une encoche sans barre et une encoche avec barre alternent dans le sens circonférentiel.

Encoches avec reliefs de friction

Certaines encoches peuvent présenter des reliefs de friction 5 agencés pour retenir par friction les barres 10 et des reliefs de blocage 30.

Ces reliefs de friction 5 sont par exemple visibles dans les variantes de réalisation des encoches des figures 5A à 5D.

Comme illustré, au moins une partie des ajours peut présenter sur au moins une partie de leur pourtour des reliefs 5, les barres 10 électriquement conductrices reçues dans les encoches 4 venant en appui par au moins une face principale 11 contre lesdits reliefs 5.

Ces reliefs 5 peuvent permettre de maintenir efficacement les barres à l’intérieur du paquet de tôles. Les reliefs 5 peuvent être réalisés très précisément lors du découpage des tôles, et permettent une plus grande tolérance de section des barres.

En particulier, lorsqu’un matériau 20 est injecté dans les encoches 4 autour des barres 10, ces dernières peuvent demeurer immobiles au sein du paquet. Les reliefs 5 peuvent également réduire la force à exercer sur les barres 10 pour les insérer dans le paquet de tôles, en réduisant la surface de contact entre les barres 10 et les tôles.

Les reliefs 5 peuvent encore, en diminuant la surface de contact entre les barres 10 et les tôles, réduire les courants inter-barres circulant dans les tôles et la perte d’énergie correspondante par effet Joule.

Les reliefs sont de préférence présents sur des grands côtés opposés 4a des encoches, ces grands côtés 4a s’étendant sensiblement radialement, et les barres conductrices 10 viennent en appui contre ces reliefs par deux faces principales opposées

11.

Les reliefs peuvent se présenter sous la forme de bossages, s’étendant de préférence sur sensiblement toute la dimension radiale d’une barre.

Les bossages peuvent présenter une amplitude h comprise entre 0,2 et 0,4 mm, par exemple de 0,3mm comme illustré à la figure 5A. Les bossages peuvent être de forme arrondie et présentent par exemple un rayon de courbure R à leur sommet compris entre 0,4 et 0,6mm, par exemple de 0,5mm.

Toutes les tôles du paquet peuvent être identiques.

Reliefs de blocage

Comme illustré aux figures 5 A et 5D, au moins une tôle du paquet peut présenter au moins un relief de blocage 30 venant en appui contre une face d’extrémité radialement extérieure 14 d’une barre 10 correspondante, mieux deux tels reliefs 30 opposés venant chacun en appui contre la même face d’extrémité.

Au moins une tôle du paquet peut présenter également au moins un relief de blocage 31 venant en appui contre une face d’extrémité radialement intérieure 13 d’une barre correspondante 10, comme illustré à la figure 5D. Ce relief de blocage 31 est de préférence centré sur le plan médian de symétrie de l’ajour correspondant.

Encoches avec reliefs de séparation

Comme illustré aux figures 5C et 5D, des reliefs de séparation 15 ou 15a peuvent s’étendre au sein des ajours et séparer les encoches 4 en des premiers 6 et deuxièmes 8 compartiments distincts, les premiers compartiments 6 étant radialement intérieurs par rapport aux seconds compartiments 8.

Les barres conductrice 10 du premier matériau peut être disposées dans les premiers ou les deuxièmes compartiments d’une partie au moins des encoches 4. Le deuxième matériau électriquement conducteur 20 peut alors être disposé dans les autres compartiments de ces encoches 4. Les reliefs de séparation 15 ou 15a qui s’étendent au sein des ajours empêchent les premier et deuxième matériaux de venir en contact. Ainsi, les phénomènes potentiels de corrosion sont éliminés.

Les reliefs de séparation 15 ou 15a peuvent être de différentes formes, étant réalisés par découpe avec la matière des tôles magnétiques.

Dans l’exemple de la figure 5C, les reliefs de séparation sont des ponts de matière 15 qui séparent chaque encoche 4 en des premier et deuxième compartiments 6 et 8 non communicants.

Dans la variante de la figure 5D, les reliefs de séparation sont constitués par des avancées 15a disposées en regard l’une de l’autre et qui ménagent entre elles un canal 16 suffisamment étroit pour empêcher un contact entre les premier et deuxième matériaux. Par exemple, lorsque les premiers compartiments 6 sont remplis par injection d’aluminium 20 en fusion, des canaux 6 ayant une largeur w inférieure à 0,6 mm et une hauteur H inférieure à 2 mm peuvent suffire pour empêcher l’aluminium 20 d’entrer dans les deuxièmes compartiments à travers les canaux 6.

Les barres conductrices 10 du premier matériau peuvent être insérées dans les premiers compartiments 6, le premier matériau étant de préférence du cuivre, le deuxième matériau 20 étant injecté dans les deuxièmes compartiments 8, ce deuxième matériau étant de préférence de l’aluminium. Une telle réalisation convient tout particulièrement à une machine destinée à être entraînée avec un courant de fréquence fixe. En effet, lorsque le moteur est connecté au réseau, le démarrage du moteur demande un courant élevé par rapport au point nominal. Le rapport entre le courant de démarrage et le courant nominal étant limité par les normes en vigueur, le but est de le réduire. Au démarrage, la partie de l’encoche qui génère la résistance électrique est surtout le haut de l’encoche, près de l’entrefer, en raison de l’effet de peau. Afin de limiter ce courant de démarrage, la résistance de la cage doit augmenter. Ainsi, le fait d’avoir le matériau de plus forte résistivité électrique plus près de l’entrefer permet de réduire le courant de démarrage.

Dans une variante de réalisation, les barres conductrices 10 du premier matériau sont insérées dans les deuxièmes compartiments 8, ce premier matériau étant de préférence du cuivre, le deuxième matériau 20 étant injecté dans les premiers compartiments 6, ce deuxième matériau 20 étant de préférence de l’aluminium. Une telle réalisation convient plus particulièrement à un moteur connecté à un variateur, pour un entraînement à vitesse variable. Dans ce cas, le courant de démarrage n’est pas une contrainte. Le fait de positionner le matériau de moindre résistivité électrique dans le compartiment plus près de l’entrefer et le cas échéant d’introduire une ouverture, notamment sous forme de fente, du côté de l’entrefer qui est dépourvu de matériau conducteur électrique, permet de réduire les pertes électriques. De plus, la présence d’une barre dans la partie supérieure de l’encoche empêche le deuxième matériau de s’écouler par l’ouverture éventuelle de l’encoche du côté de l’entrefer lors de l’injection.

Barres creuses

Une ou plusieurs des barres peuvent être creuses.

Dans les variantes des figures 3 et 4, les barres sont creuses et présentent une cavité intérieure longitudinale 17 qui est remplie par le deuxième matériau 20 injecté.

Le fait que les barres 10 soient creuses améliore encore davantage le remplissage de la cavité servant à mouler l’anneau de court-circuit arrière, lorsque l’injection a lieu par l’avant.

De plus, la quantité totale de cuivre utilisée peut être moindre, ce qui permet de réduire le coût de la machine.

Le deuxième matériau 20 qui est injecté au sein des barres 10 se trouve protégé du contact avec l’oxygène de l’air par le matériau des barres 10, sauf aux extrémités axiales de celles-ci. On limite de cette façon les phénomènes de corrosion à l’interface entre les premier et deuxième matériaux.

Les barres 10 présentent de préférence, en section transversale, un contour fermé, qui peut être non circulaire.

De préférence, le deuxième matériau 20 remplit les encoches également à l’extérieur des barres 10, notamment lorsque les barres 10 n’occupent pas toute la section des encoches 4.

Les barres 10, creuses ou non, peuvent s’étendre sur toute la dimension radiale des encoches, comme dans la figure 3. En particulier, les barres peuvent avoir une section transversale qui est sensiblement de même forme que les encoches.

En variante, les barres, creuses ou non, ont une dimension radiale qui est moindre que celle des encoches, comme dans la figure 4.

Les barres 10, creuses ou non, peuvent s’étendre sur au moins la longueur du paquet de tôles.

Toutes les encoches 4 du rotor peuvent comporter des barres creuses 10 avec le deuxième matériau 20 injecté à l’intérieur. En variante, certaines encoches peuvent ne pas comporter de barre, étant dans ce cas entièrement remplies par le deuxième matériau 20. Le rotor comporte par exemple plus d’encoches avec des barres que d’encoches sans barre, ou inversement.

Encoches secondaires

Comme illustré aux figures 6A et 6B, les ajours peuvent former au sein du paquet n encoches principales 4 tel que définies ci-dessus et m encoches secondaires 40, radialement intérieures par rapport aux encoches principales, avec n et m entiers non nuis et ri>m.

Des barres 10 du premier matériau conducteur électrique, de préférence du cuivre, sont disposées dans au moins une partie des encoches principales 4 et un deuxième matériau conducteur électrique 20, différent du premier, de préférence de l’aluminium, est injecté dans les encoches secondaires 40.

On bénéficie grâce aux encoches secondaires 40 d’une plus grande section de passage pour le deuxième matériau conducteur 20, lors de l’injection. Ce dernier étant injecté depuis l’avant, le fait d’avoir une section de passage plus grande assure la réalisation sans défaut de l’anneau de court-circuit arrière.

Les encoches secondaires 40 sont disjointes des encoches principales 4 dans l’exemple de la figure 6A.

Dans la variante illustrée à la figure 6B, chaque encoche secondaire 40 communique avec une encoche principale 4.

Chaque encoche secondaire 40 peut être centrée sur un plan médian d’une encoche principale 4.

Le rapport nlm entre le nombre d’encoches principales 4 et le nombre d’encoches secondaires 40 est par exemple égal à 2 ou 3.

Les encoches secondaires 40 ont de préférence une étendue angulaire, mesurée autour de l’axe de rotation du rotor, supérieure à celle d’une encoche principale 4.

Eléments de blocage

La machine peut comporter des goupilles ou rivets 70 insérés dans les encoches au contact des barres.

Comme illustré à la figure 5C, ces goupilles ou rivets 70 sont disposés dans le fond des encoches 4, pour venir en appui contre la face d’extrémité radialement intérieure 13 des barres 10.

Les goupilles ou rivets 70 peuvent être de forme conique.

Tôles de garde

Le paquet peut comporter, comme représenté à la figure 7, au moins une tôle de garde 110 à Tune au moins de ses extrémités axiales, de préférence à chacune des extrémités axiales. Des barres 10, mieux toutes les barres, viennent en appui à une extrémité axiale contre cette tôle de garde 110.

La présence de la ou des tôles de garde 110 permet un maintien à au moins une extrémité des barres 10, par appui contre la ou les tôles de garde 110.

Au moins une tôle de garde 110, et de préférence chaque tôle de garde, est réalisée avec des ajours 220 qui permettent l’injection à travers la tôle de garde 110 du deuxième matériau 20 dans le paquet 2 de tôles 113. Ainsi, la présence des tôles de garde 110 ne gêne pas outre mesure l’injection du deuxième matériau 20, tout en contribuant au maintien efficace des barres introduites dans les encoches jusqu’à l’opération d’injection.

La ou les tôles de garde 110 peuvent comporter au moins un relief de maintien 221 se superposant au moins partiellement aux barres 10 pour les retenir axialement. Ce relief de maintien 221 peut être réalisé de diverses manières.

Dans des exemples de réalisation, le ou chaque relief de maintien 221 est formé par deux avancées en regard, par encoche recevant une barre 10. Ces avancées se superposent aux barres. Dans des variantes de réalisation, le ou chaque relief de maintien 221 comporte un pont de matière par encoche recevant une barre 10.

Fabrication du rotor

Pour fabriquer le rotor, on peut découper les tôles 113 avec une presse équipée d’un poinçon ou au laser et former, lors du découpage, des ajours 3 correspondant aux encoches 4 et, le cas échéant, aux encoches secondaires 40, et les bossages 5.

Ensuite, les tôles 113 sont superposées pour former le paquet 2, puis les barres sont insérées dans les encoches 4 à force. Lors de l’insertion, la présence des bossages 5 facilite l’avancement des barres 10 au sein du paquet 2 de tôles 13 et, le cas échéant, des goupilles ou rivets 70 sont insérés dans le fond des encoches 4 pour bloquer les barres 10 avant l’injection. Une fois les barres 10 mises en place, on peut procéder dans une presse à l’injection du deuxième matériau 20, à savoir l’aluminium. On réalise, lors de l’injection, les anneaux de court-circuit par moulage.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.

Par exemple, les encoches peuvent avoir d’autres formes, de même que les barres.

D’autres matériaux que le cuivre et l’aluminium peuvent être utilisés.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Rotor de machine électrique tournante comportant :

   - un paquet (2) de tôles magnétiques (113), ces dernières comportant des ajours (3) formant des encoches (4) au sein du paquet (2),

   - des barres (10) d’un premier matériau électriquement conducteur reçues dans une partie seulement des encoches, de sorte que certaines encoches (4) sont sans barre (10) à l’intérieur de l’encoche (4),

   - un deuxième matériau (20) électriquement conducteur, différent du premier, injecté dans au moins une partie des encoches.
2. 2. Rotor selon la revendication 1, comportant plus d’encoches (4) avec barre (10) que d’encoches (4) sans barre (10).
3. 3. Rotor selon l’une des revendications 1 et 2, une encoche (4) sans barre (10) se situant entre deux encoches (4) avec barre (10).
4. 4. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, le premier matériau étant du cuivre.
5. 5. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, le deuxième matériau (20) étant de l’aluminium.
6. 6. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, des anneaux de court-circuit (120, 130) étant moulés avec le deuxième matériau (20).
7. 7. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins certaines barres (10) étant creuses.
8. 8. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des tôles de garde (110) immobilisant axialement les barres (10) avant l’injection du deuxième matériau (20).
9. 9. Machine électrique tournante, comportant un rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes.