FR3069735A1 - Rotor a cage injectee - Google Patents

Abstract

Rotor de machine électrique tournante, comportant : - un paquet de tôles magnétiques (113) définissant une première série (60) d'encoches (4) et une deuxième série (80) d'encoches (4) reliées entre elles par un premier passage radial (16), les encoches (4) de la deuxième série (80) d'encoches étant radialement extérieures aux encoches (4) de la première série (60) d'encoches et débouchant par un deuxième passage radial (18) sur la surface radialement extérieure du paquet de tôles (113), - des barres (10) d'un premier matériau conducteur électrique reçues dans au moins une partie des encoches (4), - un deuxième matériau (20) électriquement conducteur, différent du premier, injecté dans les encoches (4).

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.

La demande WO2011015494 divulgue un rotor comportant des encoches ayant une région radialement intérieure dans laquelle est disposée une barre conductrice et une région radialement extérieure remplie par un matériau conducteur injecté

La demande WO2011020718 divulgue un rotor dans lequel les barres conductrices sont enveloppées au moins partiellement dans la direction radiale par un matériau conducteur injecté.

La demande JPH11206080 divulgue un rotor dans lequel les encoches débouchant vers l’extérieur comportent des barres disposées contre l’ouverture des encoches pour empêcher la sortie de l’aluminium dans la direction radiale vers l’extérieur.

La demande JP2005278373 divulgue des encoches débouchant vers l’extérieur dans lesquelles les barres conductrices sont entourées par l’aluminium injecté.

Les demandes W02010100007, W02009038678, US2011291516,

WO2014067792, W02015071156, WO2012041943, JPH10234116, CN1925280 et 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.

Il existe un besoin d’améliorer encore la performance des machines électriques tournantes.

Résumé

L’invention a pour objet un rotor de machine électrique tournante, comportant :

- un paquet de tôles définissant une première série d’encoches et une deuxième série d’encoches reliées entre elles par un premier passage radial, les encoches de la deuxième série d’encoches étant radialement extérieures aux encoches de la première série d’encoches et débouchant par un deuxième passage radial sur la surface radialement extérieure du paquet de tôles,

- des barres d’un premier matériau conducteur électrique reçues dans au moins une partie des encoches,

- un deuxième matériau électriquement conducteur, différent du premier, injecté dans les encoches.

Grâce à l’invention, le premier ou le deuxième matériau conducteur peut venir plus près de la surface radialement extérieure du paquet de tôles, ce qui permet d’améliorer la performance électrique de la machine. L’invention permet aussi de réduire les pertes générées sur les surfaces du rotor, ainsi que réchauffement.

Le deuxième passage radial peut avoir une longueur inférieure à celle du premier. Ce mode de réalisation est plus favorable dans le cadre d’une machine à vitesse variable.

Dans une variante, le deuxième passage radial peut avoir une longueur supérieure à celle du premier. Cette variante est plus favorable dans le cadre d’une machine à vitesse fixe.

Les premiers et deuxièmes passages peuvent avoir des largeurs constantes.

Le premier passage peut avoir sensiblement la même largeur que le deuxième passage.

La largeur du premier passage est de préférence comprise entre 1mm et 4mm, et sa longueur est de préférence comprise entre 2mm et 15mm.

La largeur du deuxième passage est de préférence comprise entre 1mm et 4mm et sa longueur est de préférence comprise entre 1mm et 8mm.

Dans une variante, la largeur du deuxième passage augmente en approchant la surface radialement extérieure du paquet de tôles.

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

Les encoches de la première série d’encoches peuvent avoir en section transversale des bords droits divergeant en éloignement du centre du rotor.

Les encoches de la deuxième série d’encoches peuvent avoir une section transversale sensiblement circulaire.

Les barres peuvent occuper sensiblement toute la section des encoches de la première série d’encoches. Les barres peuvent comporter des nervures engagées dans les premiers et/ou deuxièmes passages. Ces nervures peuvent correspondre à la forme des premiers et/ou deuxièmes passages respectifs.

Dans une variante, les barres occupent sensiblement toute la section des encoches de la deuxième série d’encoches.

Le rotor peut comporter des encoches secondaires remplies du deuxième matériau.

Les encoches secondaires peuvent communiquer avec les encoches de la première série d’encoches.

Dans une variante, les encoches secondaires sont sans communication avec les encoches de la première série d’encoches.

L’invention a encore pour objet une machine comportant un rotor selon l’invention.

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,

- les figures 2 à 5 représentent en vue partielle des variantes de réalisation des cages de rotor selon l’invention,

- la figure 6 représente une variante de réalisation d’encoche, et

- la figure 7 représente de façon schématique, en section axiale, une variante de réalisation 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 2 de tôles magnétiques 113, 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.

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.

Conformément à l’invention, les tôles comportent une première série 60 d’encoches 4 et une deuxième série 80 d’encoches 4 reliées entre elles par un premier passage radial 16.

Dans les exemples des figures 2 et 3, les encoches 4 de la deuxième série 80 d’encoches 4 sont radialement extérieures aux encoches 4 de la première série 60 d’encoches 4 et débouchent sur la surface radialement extérieure du paquet de tôles 113. Les barres 10 du premier matériau sont disposées dans la deuxième série d’encoches tandis que le deuxième matériau est injecté dans la première série d’encoche.

Les encoches 4 de la deuxième série 80 d’encoches débouchent sur la surface radialement extérieure du paquet de tôles 113 par un deuxième passage radial 18.

Dans l’exemple de la figure 2, les premier et deuxième passages radiaux 16 et 18 ont des largeurs wi et h’2 sensiblement constantes et identiques. Les barres comportent des nervures 101 engagée dans les premiers et les deuxièmes passages et qui correspondent respectivement à la forme des premiers et des deuxièmes passages.

Dans l’exemple de la figure 3, les deuxièmes passages radiaux 18 ont une forme divergente vers la surface radialement extérieure. Par rapport à l’exemple de la figure 2, cette solution permet d’avoir une augmentation de la surface de cuivre, ce qui réduit résistance électrique et donc les pertes par effet Joule. Cela permet d’améliorer le rendement de la machine. Les barres comportent des nervures 101 engagées dans les premiers passages.

La longueur Λ du premier passage 16 est de préférence comprise entre 2mm et 15mm. La longueur h du deuxième passage 18 est de préférence comprise entre 1mm et 8mm.

Les machines illustrées aux figures 2 et 3 conviennent plus particulièrement à un entraînement à vitesse variable, dans lequel le moteur est connecté à un variateur. Ce dernier permet de limiter le courant de démarrage, qui n’est ainsi plus une contrainte. La présence de cuivre dans le haut des encoches 4 permet d’éviter le passage de l’aluminium dans les deuxièmes passages radiaux 18 lors de l’injection. La présence de cuivre dans le haut des encoches permet également de réduire les pertes harmoniques dans les encoches et donc de gagner en rendement et en réduction de réchauffement.

Dans les variantes illustrées aux figures 4 et 5, les barres 10 du premier matériau sont disposées dans la première série d’encoches tandis que le deuxième matériau est injecté dans la deuxième série d’encoche. Ces machines conviennent plus particulièrement à vitesse fixe. La présence d’aluminium dans la deuxième série d’encoches permet de limiter le courant de démarrage du fait de la résistance électrique plus élevée de l’aluminium comparativement à celle du cuivre.

Encoches avec reliefs de friction

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

Comme illustré à la figure 6, au moins une partie des ajours peuvent 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, ces grand côtés 4a s’étendant sensiblement radialement et les barres conductrices 10 venant en appui contre ces reliefs 5 par deux faces principales 11 opposées.

Les reliefs 5 peuvent se présenter sous la forme de bossages, s’étendant 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 0,4mm, par exemple de 0,3mm, et le rayon de courbure R à leur sommet est par exemple compris entre 0,4 et 0,6mm, étant par exemple de 0,5mm, comme illustré à la figure 7A.

Toutes les tôles du paquet peuvent être identiques ou non.

Encoches avec reliefs de blocage

Comme illustré à la figure 6, les encoches d’au moins une tôle du paquet peuvent présenter au moins un relief de blocage 30 venant en appui contre une face d’extrémité radialement extérieure d’une barre 10 correspondante, mieux deux tels reliefs opposés 30 venant chacun en appui contre la même face d’extrémité.

Les encoches d’au moins une tôle du paquet peuvent également présenter au moins un relief de blocage 31 venant en appui contre une face d’extrémité radialement intérieure 13 d’une barre correspondante, comme illustré à la figure 4, ce relief de blocage 31 étant de préférence centré sur le plan médian de symétrie de l’ajour correspondant.

Barres creuses

Une ou plusieurs des barres peuvent être creuses.

Dans la variante illustrée à la figure 4, la barre 10 du premier matériau présente une cavité intérieure longitudinale 17 qui est remplie par le deuxième matériau.

Le fait que les barres 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, 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, notamment lorsque les barres n’occupent pas toute la section des encoches.

Les barres 10, creuses ou non, peuvent s’étendre sur toute la dimension radiale des encoches 4. En particulier, les barres 10 peuvent avoir une section transversale qui est sensiblement de même forme que les encoches 4.

En variante, les barres 10, creuses ou non, ont une dimension radiale qui est moindre que celle des encoches.

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

Encoches secondaires

Comme illustré aux figures 4 et 5, les ajours peuvent former au sein du paquet n encoches principales 4 telles que définies 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 4.

Dans la variante illustrée à la figure 5, 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 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 de l’axe de rotation du rotor, supérieure à celle d’une encoche principale 4.

Goupilles de blocage

Dans une variante, la machine comporte des goupilles 70 insérées dans les encoches 8 au contact des barres 10.

Comme illustré à la figure 6, les goupilles 70 sont disposées dans le fond des encoches 4, pour venir en appui chacune contre une face d’extrémité 13 radialement intérieure d’une barre 10.

Les goupilles 70 peuvent être chacune de forme conique afin de faciliter l’insertion des barres 10.

Tôles de garde

Le paquet peut comporter, comme illustré à la figure 7, au moins une tôle de garde 110 à l’une au moins de ses extrémités axiales, de préférence à chaque extrémité du paquet 2 de tôles 113.

Ces tôles de garde 110 sont configurées pour permettre d’une part l’injection d’aluminium dans les encoches 4 du paquet 2 de tôles magnétiques 113 et d’autre part pour retenir axialement les barres 10 dans les encoches 4, les barres venant en appui à leurs extrémités sur les tôles de garde 110.

Ces tôles de garde 110 peuvent aussi protéger les extrémités axiales des barres 10 de l’oxygène de l’air et ainsi éviter les phénomènes de corrosion à l’interface entre l’aluminium et le cuivre.

La ou les tôles de garde 110 peuvent être réalisées 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. La ou les tôles de garde 110 peuvent comporter au moins un relief de maintien

221 se superposant au moins partiellement aux barres pour les retenir axialement. Ce ou ces reliefs de maintien 221 peuvent être réalisés de diverses manières.

Par exemple, le ou les reliefs de maintien 221 peuvent comporter deux avancées en regard par encoche recevant une barre. Dans des variantes, le ou les reliefs de maintien 221 comportent un pont de matière par encoche recevant une barre.

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 première et deuxième séries d’encoches 4 et, le cas échéant, les encoches secondaires 40 et les bossages 5.

Ensuite, les tôles 113 sont superposées pour former le paquet 2 puis les barres 10 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 113 et, le cas échéant, des goupilles 70 sont insérées dans le fond des encoches 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 peut réaliser, 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 (16)

1. REVENDICATIONS

   1. Rotor de machine électrique tournante, comportant :

   - un paquet (2) de tôles magnétiques (113) définissant une première série (60) d’encoches (4) et une deuxième série (80) d’encoches (4) reliées entre elles par un premier passage radial (16), les encoches (4) de la deuxième série (80) d’encoches étant radialement extérieures aux encoches (4) de la première série (60) d’encoches et débouchant par un deuxième passage radial (18) sur la surface radialement extérieure du paquet (2) de tôles (H3),

   - des barres (10) d’un premier matériau conducteur électrique reçues dans au moins une partie des encoches (4),

   - un deuxième matériau (20) électriquement conducteur, différent du premier, injecté dans les encoches (4).
2. 2. Rotor selon la revendication 1, le deuxième passage radial (18) ayant une longueur (Zi) inférieure à celle (/2) du premier (16).
3. 3. Rotor selon la revendication 1, le deuxième passage radial (18) ayant une longueur (/7) supérieure à celle de (/2) du premier (16).
4. 4. Rotor selon l’une des revendications 2 et 3, le premier passage (16) ayant sensiblement la même largeur (μί, w) que le deuxième passage (18).
5. 5. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, le deuxième passage (18) étant divergent vers la surface radialement extérieure du paquet (2).
6. 6. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, le premier matériau étant du cuivre.
7. 7. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, le deuxième matériau (20) étant de l’aluminium.
8. 8. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, les encoches (4) de la première série (60) d’encoches (4) ayant en section transversale des bords droits divergeant en éloignement du centre du rotor.
9. 9. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, les encoches (4) de la deuxième série (80) d’encoches (4) ayant une section transversale sensiblement circulaire.
10. 10. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, les barres (10) occupant sensiblement toute la section des encoches (4) de la première série (10) d’encoches.
11. 11. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, les barres (10) occupant sensiblement toute la section des encoches (4) de la deuxième série (80) d’encoches.
12. 12. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des encoches secondaires (40) remplies du deuxième matériau (20).

    5
13. 13. Rotor selon la revendication 11, les encoches secondaires (40) communiquant avec les encoches de la première série d’encoches.
14. 14. Rotor selon la revendication 11, les encoches secondaires (40) étant sans communication avec les encoches de la première série d’encoches.
15. 15. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, les barres 10 comportant des nervures (101) engagées dans les premiers (16) et/ou deuxièmes passages (18) respectifs.
16. 16. Machine électrique tournante comportant un rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes.