FR3069733A1 - Rotor a cage injectee - Google Patents

Abstract

Rotor de machine tournante électrique, comportant : - un paquet de tôles magnétiques (113) traversé par des encoches, les tôles étant réalisées par découpage par un poinçon s'appliquant sur une première face (113a) des tôles en direction d'une deuxième face (113b) opposée à la première, - des barres d'un premier matériau électriquement conducteur reçues dans les encoches, - un deuxième matériau électriquement conducteur, différent du premier matériau, injecté dans les encoches, le paquet de tôles comportant des tôles dont les premières faces (113a) ou les deuxièmes faces (113b) sont disposées en regard l'une de l'autre, de façon à générer sur les barres un cisaillement assurant leur maintien avant l'injection du deuxième matériau.

Description

ROTOR A CAGE INJECTEE

La présente invention concerne les machines tournantes électriques 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

Il existe un besoin pour maintenir les barres au sein du paquet de tôles pendant la manipulation du rotor avant l’injection et pendant l’injection de l’aluminium.

L’invention vise à répondre à ce besoin et y parvient grâce à un rotor de machine tournante électrique, comportant :

- un paquet de tôles magnétiques traversé par des encoches, les tôles étant réalisées par découpage par un poinçon s’appliquant sur une première face des tôles en direction d’une deuxième face opposée à la première,

- des barres d’un premier matériau électriquement conducteur reçues dans les encoches,

- un deuxième matériau électriquement conducteur, différent du premier matériau, injecté dans les encoches, le paquet de tôles comportant des tôles dont les premières faces ou dont les deuxièmes faces sont disposées en regard l’une de l’autre, de façon à générer sur les barres un cisaillement assurant leur maintien avant l’injection du deuxième matériau.

Grâce à l’invention, les barres peuvent être maintenues efficacement au sein du paquet de tôles sans qu’il soit nécessaire de prévoir d’autres moyens. L’invention permet d’économiser la réalisation de tôles de garde spécifiques ou la modification de l’outil d’injection. On profite dans l’invention de la déformation naturelle des tôles lors de la découpe par poinçonnage, pour en les retournant générer une force d’accrochage des barres.

Le paquet de tôles peut comporter au moins deux sous-ensembles de tôles en contact l’un de l’autre, toutes les tôles étant disposées au sein d’un premier sous-ensemble avec leur première face orientée vers la même extrémité axiale du rotor et toutes les tôles du deuxième sous-ensemble étant disposées au sein de ce deuxième sous-ensemble avec leur première face orientée vers l’autre extrémité axiale du rotor.

Le rotor peut comporter au moins trois sous-ensembles de tôles, avec un premier sous-ensemble disposé entre les deux autres, toutes les tôles du premier sous-ensemble ayant leur première face orientée vers une même extrémité axiale du rotor, et toutes les tôles des deux autres sous-ensembles ayant leur première face orientée vers l’extrémité opposée.

De préférence, les sous-ensembles sont décalés angulairement les uns par rapport aux autres, autour de l’axe de rotation du rotor.

De préférence, les barres sont maintenues par la friction engendrée par retournement des sous-ensembles du paquet de tôles.

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

L’invention a encore pour objet un procédé de fabrication d’un rotor comportant les étapes consistant à :

- fabriquer par poinçonnage des tôles magnétiques de rotor, à l’aide d’un poinçon s’appliquant sur une première face des tôles,

- former le paquet de tôles du rotor avec des sous-ensembles de tôles ayant chacun toutes les premières faces des tôles orientées de la même façon, au moins deux sousensembles ayant les premières faces de leurs tôles orientées dans des directions opposées, insérer à force des barres du premier matériau dans les encoches du paquet de tôles, les barres étant immobilisées par le cisaillement engendré par le retournement des tôles au sein du paquet, injecter le deuxième matériau dans les encoches.

Description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention pourront ressortir à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

- la figure 1 est une coupe axiale schématique et partielle d’un exemple de rotor selon l’invention,

- la figure 2 est une coupe partielle et schématique illustrant la découpe d’une tôle,

- la figure 3 représente de façon schématique en perspective un exemple de paquet de tôles et une barre à insérer dans une encoche,

- la figure 4 représente le détail IV de la figure 3,

- la figure 5 est une vue analogue à la figure 2 d’une variante de réalisation,

- les figures 6A à 6D illustrent des variantes de réalisation d’encoches, et

- les figures 7 à 9 représentent des variantes de réalisation de cages de rotor selon l’invention.

Rotor

On a représenté à la figure 1 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.

Le rotor 1 comporte des barres 10 en cuivre, introduites dans les encoches 4, et un matériau 20, tel que de l’aluminium, injecté dans les encoches 4 dans l’espace laissé libre par les barres 10.

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.

Paquet de tôles

Chaque tôle magnétique 113 est découpée à l’aide d’un poinçon P comme illustré à la figure 1.

Le poinçon P s’applique contre une première face 113a de la tôle, et forme par découpage des ajours 3. Ces derniers traversent ainsi la tôle sur toute son épaisseur e, entre la première face 113a et la deuxième face 113b, opposée.

Conformément à l’invention, le paquet 2 comporte au moins deux sous-ensembles 2a et 2b de tôles dont les tôles 113 sont inversées, comme illustré à la figure 3.

Au sein du sous-ensemble 2a, toutes les tôles 113 sont orientées avec leur première face 113a dirigée vers la gauche sur la figure 4, tandis qu’au sein du sous-ensemble 2b c’est le contraire.

Etant donné que le poinçonnage crée une déformation de la tôle au niveau des ajours, le fait de retourner les tôles génère un cisaillement des barres 10 insérées dans les encoches 4, qui immobilise ces dernières.

Dans la variante de la figure 5, des tronçons de barres 10 sont introduits dans des sous-ensembles correspondants avant que ces derniers ne soient retournés.

Encoches avec reliefs de friction

Certaines encoches peuvent présenter des reliefs de friction 5 participant à la retenue des barres 10.

Comme illustré aux figures 6A à 6D, au moins une partie des ajours peut présenter sur au moins une partie de leur pourtour des reliefs de friction 5, les barres 10 électriquement conductrices reçues dans les encoches 4 venant en appui par au moins une face principale 11 contre lesdits reliefs.

Ces reliefs 5 peuvent permettre de maintenir efficacement les barres 10 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 fabrication des barres.

En particulier, lorsqu’un matériau 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 pour les insérer dans le paquet de tôles, en réduisant la surface de contact entre les barres 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 5 sont de préférence présents sur des grands côtés opposés 4a des encoches 4 qui sont orientés sensiblement radialement. Les barres conductrices 10 viennent en appui contre ces reliefs 5 par deux faces principales 11 opposées.

Les reliefs peuvent se présenter sous la forme de bossages, répartis de préférence sur sensiblement toute la dimension radiale d’une barre 10.

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

Toutes les tôles du paquet peuvent être identiques ou non.

Encoches avec reliefs de blocage

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 d’une barre correspondante, mieux deux tels reliefs opposés venant chacun en appui contre la même face d’extrémité, comme représenté aux figures 6A et 6C.

Au moins une tôle du paquet peut présenter également au moins un relief de blocage 31 venant en appui contre une face d’extrémité 13 radialement intérieure d’une barre correspondante, comme illustré à la figure 6B. 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 6B et 6D, 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 6B, 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 6D, 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 6B et 6C, les barres 10 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 facilite 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 9. 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 7.

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.

Nombre de barres inférieur au nombre d’encoches

Dans la variante illustrée à la figure 7, les barres 10 sont présentes dans une partie seulement des encoches 4.

L’absence de barres 10 dans certaines encoches 4 permet de conserver une section totale plus importante pour le passage de l’aluminium injecté, et ainsi de faciliter le remplissage de la bague arrière lorsque l’injection se fait par l’avant.

La présence de barres 10 en un matériau de moindre résistance électrique tel que du cuivre dans certaines encoches améliore les performances électriques. Il est possible, en choisissant le nombre de barres rajoutées, d’optimiser l’accroissement des performances au regard du coût de la machine, le cuivre étant plus coûteux que l’aluminium.

Le rotor peut comporter plus d’encoches 4 avec des barres 10 que d’encoches 4 sans barre 10. Dans d’autres variantes, c’est le contraire et le rotor comporte plus d’encoches 4 sans barre 10 qu’avec barre 10.

De multiples dispositions des barres au sein des encoches 4 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.

Encoches secondaires

Comme illustré aux figures 8 et 9, les ajours peuvent former au sein du paquet n encoches principales 4 telles que définies ci-dessus et m encoches secondaires 40, radialement intérieures par rapport aux encoches principales, avec n et m entiers non nuis et n>m.

On bénéficie grâce aux encoches secondaires 40 d’une plus grande section de passage pour le deuxième matériau conducteur, 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 9.

Dans la variante illustrée à la figure 8, chaque encoche secondaire 40 communique avec une encoche principale 4.

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

Le rapport n/m 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 du centre du paquet de tôles, supérieure à celle d’une encoche principale 4.

Fabrication du rotor

Pour fabriquer le rotor, on découpe les tôles 113 avec une presse équipée d’un poinçon comme expliqué précédemment et l’on forme, lors du découpage, des ajours 3 correspondant aux encoches 4 et, le cas échéant, aux encoches secondaires 40, et les bossages 5 éventuels.

Ensuite, les tôles 113 sont superposées en formant un paquet 2 avec des sousensembles 2a et 2b de tôles 113 ayant chacun toutes les premières faces des tôles orientées de la même façon, au moins deux sous-ensembles ayant les premières faces de leurs tôles orientées dans des directions opposées.

Puis les barres 10 sont insérées à force dans les encoches du paquet 2 de tôles 113. Le cisaillement engendré par le retournement des tôles 113 permet d’immobiliser les barres 10 au sein du paquet 2.

Lors de l’insertion, la présence des bossages 5 peut faciliter l’avancement des barres 10 au sein du paquet 2 de tôles 13. 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 120 et 130 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 (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Rotor de machine tournante électrique, comportant :

   - un paquet (2) de tôles magnétiques (113) traversé par des encoches, les tôles étant réalisées par découpage par un poinçon (P) s’appliquant sur une première face (113a) des tôles en direction d’une deuxième face (113b) opposée à la première,

   - des barres (10) d’un premier matériau électriquement conducteur reçues dans les encoches,

   - un deuxième matériau (20) électriquement conducteur, différent du premier matériau, injecté dans les encoches, le paquet de tôles comportant des tôles dont les premières faces (113a) ou les deuxièmes faces (113b) sont disposées en regard l’une de l’autre, de façon à générer sur les barres un cisaillement assurant leur maintien avant l’injection du deuxième matériau.
2. 2. Rotor selon la revendication 1, le paquet de tôles comportant au moins deux sous-ensembles (2a,2b) de tôles en contact l’un de l’autre, toutes les tôles étant disposées au sein d’un premier sous-ensemble (2a) avec leur première face (113a) orientée vers la même extrémité axiale du rotor et toutes les tôles du deuxième sous-ensemble (2b) étant disposées au sein de ce deuxième sous-ensemble avec leur première face (113a) orientée vers l’autre extrémité axiale du rotor.
3. 3. Rotor selon la revendication 2, comportant au moins trois sous-ensembles de tôles, avec un premier sous-ensemble (2b) disposé entre les deux autres (2a), toutes les tôles du premier sous-ensemble ayant leur première face orientée vers une même extrémité axiale du rotor, et toutes les tôles des deux autres sous-ensembles ayant leur première face orientée vers l’extrémité opposée.
4. 4. Rotor selon l’une des revendications 2 et 3, les sous-ensembles étant décalés angulairement les uns par rapport aux autres, autour de l’axe de rotation du rotor.
5. 5. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, les barres (10), s’étendant sur au moins la longueur du paquet de tôles.
6. 6. Rotor selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, les barres étant maintenues par la friction engendrée par retournement des sous-ensembles (2a, 2b) du paquet de tôles.
7. 7. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, les tôles (113) étant superposées en étant décalées angulairement légèrement d’une tôle à la suivante de telle

   Il sorte que les axes longitudinaux des encoches (4) suivent un trajet hélicoïdal autour de l’axe de rotation du rotor.
8. 8. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, le premier matériau étant du cuivre.

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9. 9. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, le deuxième matériau étant de l’aluminium.
10. 10. Procédé de fabrication d’un rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant les étapes consistant à :

    - fabriquer par poinçonnage des tôles magnétiques (113) de rotor, à l’aide d’un

    10 poinçon (P) s’appliquant sur une première face (113a) des tôles,

    - former le paquet de tôles du rotor avec des sous-ensembles (2a, 2b) de tôles ayant chacun toutes les premières faces des tôles orientées de la même façon, au moins deux sous-ensembles ayant les premières faces de leurs tôles orientées dans des directions opposées,
11. 15 - insérer à force des barres (10) du premier matériau dans les encoches du paquet de tôles, les barres étant immobilisées par le cisaillement engendré par le retournement des tôles au sein du paquet,

    - injecter le deuxième matériau (20) dans les encoches.