FR3104849A1 - Rotor de machine électrique tournante - Google Patents

Abstract

Rotor de machine électrique tournante Rotor (1) de machine électrique, tournant autour d’un axe de rotation (X), le rotor comportant : - un arbre (5) disposé sur l’axe de rotation (X) ayant une surface extérieure, la surface extérieure présentant au moins un aplat (21) et au moins une zone cylindrique (22), - une masse rotorique (3) s’étendant selon l’axe de rotation (X) et disposée autour de l’arbre (5), comportant au moins une languette (20) coopérant avec l’aplat (21) de l’arbre (5), ladite au moins une languette (20) subissant une déformation plastique lors de l’insertion de la masse rotorique (3) sur l’arbre (5). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Rotor de machine électrique tournante

La présente invention concerne le domaine des machines électriques tournantes et plus particulièrement les rotors de telles machines. L’invention s’intéresse notamment au montage du rotor sur un arbre de la machine, et en particulier à la liaison entre l’arbre et une masse rotorique du rotor.

L’invention porte plus particulièrement sur les machines synchrones ou asynchrones, à courant alternatif. Elle concerne notamment les machines de traction ou de propulsion de véhicules automobiles électriques (Battery Electric Vehicle) et/ou hybrides (Hybrid Electric Vehicle–Plug-in Hybrid Electric Vehicle), telles que voitures individuelles, camionnettes, camions ou bus. L’invention s’applique également à des machines électriques tournantes pour des applications industrielles et/ou de production d’énergie, notamment navales, aéronautiques ou éoliennes.

Il est connu de réaliser un rotor comportant une liaison entre l’arbre et le reste du rotor. Dans EP 2 549 624, cette liaison comporte une déformation radiale de dents.

Dans JP2006217770, la surface extérieure de l’arbre est dépourvue d’aplat.

Dans FR3068184, l’arbre du rotor est cylindrique.

Cependant, dans le cas de machines destinées à tourner à des vitesses de rotation élevées, il existe un risque que la masse rotorique du rotor ne s’étire sous l’effet de la vitesse, phénomène également nommé dilatation centrifuge. Dans le cas où la masse rotorique est fixée par serrage sur l’arbre de la machine, il faut alors augmenter le serrage, afin de garantir une pression de contact suffisante à haute vitesse. Des efforts d’emmanchement trop élevés peuvent dans certains cas conduire à une déformation de l’arbre, et une déformation des tôles hors plan peut se manifester par des déformations axiales irrégulières de la masse rotorique.

On peut également avoir des interférences électromagnétiques plus importantes, et un risque plus important de détachement brutal, en cas de couple trop élevé ou de chocs.

Il existe donc un besoin pour bénéficier d’un rotor de machine électrique tournante permettant une mise en place aisée et moins coûteuse, et une utilisation plus simple et plus sûre.

L’invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, grâce à un rotor de machine électrique, tournant autour d’un axe de rotation X, le rotor comportant :
- un arbre disposé sur l’axe de rotation ayant une surface extérieure, la surface extérieure présentant au moins un aplat et au moins une zone cylindrique,
- une masse rotorique s’étendant selon l’axe de rotation et disposée autour de l’arbre, comportant au moins une languette coopérant avec l’aplat de l’arbre, ladite au moins une languette subissant une déformation plastique lors de l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre.

Par «aplat», on désigne une zone aplatie de la surface extérieure de l’arbre, c’est-à-dire une zone dont la courbure est moins accentuée que la surface extérieure d’un arbre cylindrique. On ne sort pas du cadre de l’invention si l’aplat comporte des reliefs. L’existence de tels reliefs peut être indépendante ou non de la coopération entre les aplats et les languettes.

Le ou les aplats de l’arbre peuvent être en contact avec la ou les languettes de la masse rotorique, sans être en contact avec le reste de la masse rotorique. Les aplats n’ont pas besoin d’être fabriqués précisément puisque la ou les languettes permettent de maintenir un contact entre la masse rotorique et l’arbre. Le coût de production de ce rotor est donc faible.

Les zones cylindriques permettent notamment le centrage de la masse rotorique sur l’arbre.

La configuration du rotor selon l’invention ne modifie pas les performances électromagnétiques de la machine électrique qui comporte le rotor.

Dans un mode de réalisation, les languettes peuvent se déformer hors d’un plan perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor. L’angle de déformation, c’est-à-dire l’angle entre un plan de la languette et un plan perpendiculaire à l’axe de rotation, est compris entre 0° et 25°, plus préférentiellement entre 1° et 15°, mieux entre 1° et 5°.

Pour l’essentiel, la languette se déforme axialement et ne se déforme pas circonférentiellement, ni radialement.

Dans un mode de réalisation, la ou les languettes peuvent subir en plus de la déformation plastique une déformation élastique. Une première déformation élastique de la ou des languettes peut avoir lieu avant leur déformation plastique lors de l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre. Une telle déformation élastique facilite ainsi l’insertion.

La déformation élastique permet de maintenir en contact les languettes avec les aplats de l’arbre. Le contact peut être maintenu même lorsque le rotor tourne à des vitesses élevées. Grâce à cette déformation plastique, la ou les languettes vont s’ajuster naturellement pour ne pas laisser de jeu entre les languettes et l’aplat avec lequel elles coopèrent.

Lorsque le rotor tourne à des vitesses peu élevées, par exemple en dessous de 10 00 tours/min, le couple est transmis par les zones cylindriques qui entrainent alors en rotation la masse rotorique.

En revanche, à vitesse élevée, par exemple au-delà de 10 000 tours/min , les forces centrifuges du rotor réduisent les forces de pression sur les surfaces cylindriques qui peuvent alors ne plus être en contact avec la masse rotorique. Le contact entre la masse rotorique et l’arbre peut alors être assuré par les languettes qui, grâce à leur déformation élastique, s’ajustent pour rester en contact avec l’aplat avec lequel elle coopère. À haute vitesse les languettes, en association avec les aplats, participent donc également à la transmission du couple.

La ou les languettes participent à l’entraînement en rotation de la masse rotorique par l’arbre ou de l’arbre par la masse rotorique. La coopération entre la ou les languettes et les aplats permet de rendre l’arbre et la masse rotorique solidaires en rotation. La déformation plastique des languettes permet l’existence d’une précontrainte dans les moyens de transmission de couple, laquelle favorise la solidité de la liaison entre l’arbre et la masse rotorique. On évite ainsi le risque de détachement brutal, même en cas de couple élevé. La ou les languettes peuvent se déformer lors de l’utilisation du rotor, mais sans induire de jeu avec l’arbre. On assure une transmission de couple très efficace quelle que soit la vitesse de rotation, sans précontraintes excessives sur la masse rotorique.

La mise en œuvre de l’invention permet d’éviter d’avoir besoin de dimensionnements très précis et d’un usinage de grande précision, grâce à une déformation importante des languettes au-delà de la limite élastique. L’absence de jeu entre la masse rotorique et l’arbre permet néanmoins les inversions de couple nécessaires. Le coût de fabrication en est donc diminué. Un dimensionnement judicieux permet de garantir la transmission du couple, tout en limitant l’effort de montage.

En particulier, le montage est facilité car un alignement très précis entre les languettes de la masse rotorique et les aplats de l’arbre n’est pas nécessaire.

La ou les languettes sont formées sur la masse rotorique. Cette configuration est avantageuse notamment quand la masse rotorique peut se déformer plus facilement que l’arbre, dans la mesure où la languette subit une déformation plastique. C’est par exemple le cas lorsque la masse rotorique est formée d’un empilement de tôles. La languette est de préférence formée dans un alésage central de la masse rotorique destiné à recevoir l’arbre du rotor. La déformation de la ou des languettes peut être favorisée par le feuilletage de la masse rotorique, chaque tôle de la masse rotorique pouvant se déformer indépendamment de ses voisines.

La ou les zones plates et la ou les languettes peuvent être configurées de manière à permettre une transmission de couple dans les deux sens, quel que soit le sens de rotation du rotor, aussi bien avec un couple positif, en cas d’accélération, qu’avec un couple négatif, en cas de freinage.

Aplat

L’arbre peut comporter un ou plusieurs aplats. En particulier il peut comporter par exemple un, deux, trois, quatre ou cinq aplats.

Dans un mode de réalisation, l’arbre peut comporter un nombre pair d’aplat. Les aplats sont par exemple disposés symétriquement par rapport à un plan contenant l’axe de rotation du rotor.

Dans un mode de réalisation, la portion angulaire à la surface extérieure de l’arbre occupée par chaque aplat peut être comprise entre 5 % et 50 %, de préférence entre 10 % et 35%, mieux de l’ordre de 20 % de la circonférence de l’arbre.

Dans un mode de réalisation, les portions angulaires de tous les aplats sont égales. Dans un autre mode de réalisation, chaque aplat présente une portion angulaire différente d’un autre aplat.

La portion angulaire à la surface extérieure de l’arbre occupée par la totalité des aplats peut être comprise entre 10 % et 99%, de préférence entre 20 % et 80%, mieux de l’ordre de 60 % de la circonférence de l’arbre.

La portion angulaire à la surface extérieure de l’arbre occupée par chaque zone cylindrique peut être comprise entre 2 % et 50%, de préférence entre 4 % et 35%, mieux de l’ordre de 6 % de la circonférence de l’arbre.

La portion angulaire à la surface extérieure de l’arbre occupée par la totalité des zones cylindriques peut être comprise entre 4 % et 99%, de préférence entre 8 % et 40%, mieux de l’ordre de 25 % de la circonférence de l’arbre.

Languette

Dans un mode de réalisation, au moins une languette peut présenter un premier et un deuxième bord latéral. Les premier et deuxième bord latéraux peuvent être courbés, ayant notamment chacun des rayons de courbure différents.

Les languettes peuvent avoir une largeurlcomprise entre 1 mm et 20 mm, de préférence entre 1,5 mm et 4 mm, plus préférentiellement entre 2 mm et 4 mm, mieux de l’ordre de 2,2 mm.

Dans un mode de réalisation, le premier bord latéral présente un rayon de courbure supérieur à celui du deuxième bord latéral. Par exemple, le rayon de courbure du premier bord latéral est entre 1,5 et 10 fois plus grand que le rayon de courbure du deuxième bord latéral, mieux entre 3 et 7 fois, encore mieux 5 fois plus grand que le rayon de courbure du deuxième bord latéral.

Le bord latéral qui présente un rayon de courbure plus petit peut subir moins de déformation lors de l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre. Lorsqu’on observe la languette suivant l’axe radial de la machine, on observe une inclinaison de la languette par rapport au plan de la tôle portant la languette. L’angle d’inclinaison β du bord latéral de rayon de courbure le plus faible par rapport au plan de tôle est compris entre 0.5 ° et 15°, de préférence entre 0.5° et 3°, mieux de l’ordre de 2.5°. La présence d’une telle inclinaison augmente la résistance mécanique de la languette.

Dans un autre mode de réalisation, les deux bords latéraux présentent le même rayon de courbure.

Dans un mode de réalisation, au moins une languette peut présenter une forme générale de T. De préférence, chaque languette présentant une forme générale de T coopère seule avec un aplat. La languette peut par exemple être disposée de telle sorte que sa ligne médiane est perpendiculaire au plan de l’aplat lorsqu’observée en section transversale. La barre transversale du T est par exemple en appui sur l’aplat. De préférence, les languettes ayant une forme générale de T peuvent être centrées sur l’aplat.

Dans un mode de réalisation, au moins une languette comporte deux bords latéraux parallèles. Au niveau de l’aplat, les bords latéraux sont reliés par un bord qui est parallèle à l’aplat. Dans ce mode de réalisation, la ou les languettes ont une forme sensiblement rectangulaire.

Dans un mode de réalisation, au moins une languette peut présenter une forme générale de C.

Une même tôle peut comporter des languettes de formes différentes. Par exemple, une même tôle peut comporter une languette en forme générale de T qui coopère avec un aplat et une paire de languette ayant des bords latéraux présentant des rayons de courbures distincts qui coopère avec un autre aplat symétrique du premier par rapport à l’axe du rotor.

Chaque aplat peut coopérer avec une, deux ou trois languettes. En variante, chaque aplat peut coopérer avec plus de trois languettes, par exemple avec quatre ou cinq languettes.

Par exemple, chaque aplat peut coopérer avec une paire de languettes. On entend par «paire de languettes» deux languettes disposées côte à côte et qui coopèrent avec un même aplat.

En variante, chaque aplat peut coopérer avec un triplet de languettes. On entend par «triplet de languettes» trois languettes disposées côte à côte et qui coopèrent avec un même aplat.

Les languettes d’une même paire ou d’un même triplet peuvent être toutes identiques. En variante, les languettes d’une même paire ou d’un même triplet peuvent être différentes.

Les languettes, paire ou triplet de languettes peuvent être disposées symétriquement par rapport à un plan contenant l’axe de rotation du rotor. En variante, les languettes, paire ou triplet de languettes peuvent ne pas être disposées symétriquement par rapport à l’axe de rotation du rotor.

Les languettes, lorsque le rotor est observé en section transversale, peuvent être équiréparties autour de l’axe de rotation du rotor. En variante, elles peuvent ne pas être équiréparties.

Les paires ou triplets de languettes, lorsque le rotor est observé en section transversale, peuvent être équiréparties autour de l’axe de rotation du rotor. En variante, ils peuvent ne pas être équiréparties.

Dans un mode de réalisation, lorsque le rotor est observé en section transversale, chaque aplat peut coopérer avec une seule languette, par exemple une languette en forme de T. Dans un mode de réalisation, l’arbre peut comporter deux aplats et deux languettes, chaque aplat coopérant avec une languette. En variante encore, l’arbre peut comporter trois aplats et trois languettes, chaque aplat coopérant avec une languette. En variante encore, l’arbre peut comporter quatre aplats et quatre languettes, chaque aplat coopérant avec une languette.

En variante, l’arbre peut comporter quatre aplats et deux languettes, deux des aplats coopérant avec une languette. En variante, l’arbre peut comporter cinq aplats et cinq languettes, chaque aplat coopérant avec une languette.

La masse rotorique peut comporter deux paires de languettes en section transversale. L’arbre peut comporter deux aplats et deux paires de languettes, chaque aplat coopérant avec une paire de languettes. En variante, l’arbre peut comporter trois aplats et trois paires de languettes, chaque aplat coopérant avec une paire de languettes. En variante, l’arbre peut comporter quatre aplats et quatre paires de languettes, chaque aplat coopérant avec une paire de languettes. En variante, l’arbre peut comporter quatre aplats et deux paires de languettes, deux des aplats coopérant avec une paire de languettes.

En variante, l’arbre peut comporter deux aplats, une languette et une paire de languettes. Par exemple, la languette coopère avec un des deux aplats et la paire de languettes coopère avec l’autre.

En variante, les aplats de l’arbre peuvent coopérer chacun avec un nombre de languette différent et/ou avec des languettes ayant une forme différente de l’aplat adjacent.

Dans un mode de réalisation, l’arbre comporte cinq aplats qui coopèrent chacun avec une languette, une paire ou un triplet de languettes de forme différente.

Un aplat, lorsque le rotor est observé en section transversale, peut ne coopérer avec aucune languette.

Lorsqu’une languette seule coopère avec un aplat, la languette est de préférence centrée sur l’aplat. On entend par «centrée» le fait que la ligne médiane de la languette soit confondue avec la ligne médiane de l’aplat en section transversale.

En variante, elle peut être excentrée par rapport à la ligne médiane de l’aplat. Dans le mode de réalisation où un aplat coopère avec une paire de languettes, les languettes sont disposées de préférences de manière symétrique par rapport à la ligne médiane de l’aplat. Elles sont de préférences placées plus proche des bords de l’aplat que de sa ligne médiane. En variante, elles peuvent être placées plus proche de la ligne médiane que des bords latéraux de l’aplat. Dans un autre mode de réalisation, lorsqu’un aplat coopère avec un triplet de languettes, la languette centrale peut être centrée sur l’aplat et les deux autres languettes peuvent être disposées de part et d’autre.

Les languettes peuvent par exemple être disposées de telle sorte que leur ligne médiane est perpendiculaire au plan de l’aplat, lorsque le rotor est observé en section transversale.

Dans un mode de réalisation, les portions cylindriques peuvent présenter un épaulement à au moins une extrémité axiale. L’épaulement peut être formé par une portion de l’arbre ayant un diamètre inférieur au reste de l’arbre. Cet épaulement permet de faciliter l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre. Cet épaulement peut comporter un chanfrein d’entrée. Le chanfrein peut s’étendre longitudinalement. Ce chanfrein permet de favoriser l’entrée de la languette lors de l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre.

Dans un mode de réalisation, seules les portions cylindriques présentent un épaulement à une de leur extrémité axiale. Dans un autre mode de réalisation, les portions cylindriques et les aplats peuvent comporter un tel épaulement.

Refroidissement

Dans un mode de réalisation, un fluide de refroidissement peut circuler dans des évidements ménagés par les languettes dans l’alésage central de la masse rotorique.

Par exemple, l’évidemment ménagé par une paire de languette peut présenter une forme de lunule. Une telle forme d’évidemment permet de faire passer une quantité de liquide de refroidissement suffisante pour refroidir efficacement le rotor. Le liquide de refroidissement peut ainsi circuler plus facilement entre l’arbre et les paquets de tôles.

Le liquide de refroidissement peut être de l’huile. En variante, le liquide de refroidissement peut être de l’eau.

Tôles

Dans un mode de réalisation, la masse rotorique peut être formée d’un empilement de tôles, au plus 50%, plus préférentiellement au plus 40%, mieux au plus 30% des tôles comportant au moins une languette.

La masse rotorique peut être formée d’un empilement de tôles, notamment de tôles toutes sensiblement identiques, à savoir au moins identiques du côté de l’arbre. Les tôles sont magnétiques. Les tôles de la masse rotorique peuvent être toutes identiques du coté de leur coopération avec l’arbre. En particulier, la masse rotorique peut ne pas être massive. Les languettes peuvent être réalisées d’un seul tenant avec les tôles.

L’empilement de tôles de la masse rotorique peut comporter des tôles disposées dans un sens et des tôles retournées dans l’autre sens. Les tôles peuvent être retournées par paquets, l’empilement de tôles de la masse rotorique comportant une alternance de paquets de tôles disposées dans un sens et de paquets de tôles retournées dans l’autre sens. On obtient ainsi une répartition plus homogène des contraintes dans le rotor. Les performances de la machine en sont améliorées, notamment en termes de vibrations, de bruit, et d’ondulations de couple.

Dans un mode de réalisation, lorsque le rotor selon l’invention est observé dans un plan contenant l’axe de rotation, l’alternance entre les tôles de la masse rotorique comportant au moins une languette et celles en étant dépourvues, au niveau d’une languette, peut être régulière.

Dans un mode de réalisation, une ou plusieurs tôles dépourvues de languettes sont disposées entre deux tôles comportant au moins une languette. On peut disposer une tôle dépourvue de languette entre deux tôles comportant au moins une languette. En variante, on peut disposer une tôle comportant au moins une languette entre deux tôles dépourvues de languette. Par exemple, on peut disposer deux tôles dépourvues de languette entre deux tôles comportant au moins une languette.

En variante, les tôles comportant au moins une languette peuvent être adjacentes entre elles. Dans un mode de réalisation, on peut disposer deux tôles dépourvues de languette entre deux pairs de tôles comportant au moins une languette. Par exemple, deux tôles centrales dépourvues de languette sont entourées par deux paires de tôles qui en comportent et qui sont disposés de part et d’autre. En variante, deux tôles centrales peuvent comporter des languettes et deux paires de tôles qui en sont dépourvues sont disposés de part et d’autre.

Cette alternance de tôles comportant des languettes et de tôles qui en sont dépourvues permet aux languettes de se déformer hors du plan de tôle.

Une même masse rotorique peut être composée de paquets de tôles présentant chacun une alternance différente de tôle comportant au moins une languette et de tôles dépourvues de languettes. L’alternance des tôles peut ne pas être régulière lorsque l’on se déplace le long de l’axe de la machine. En variante, tous les paquets de tôles de la masse rotorique peuvent présenter la même alternance de tôle comportant au moins une languette et de tôles en étant dépourvues.

En variante, l’alternance entre les tôles de la masse rotorique comportant au moins une languette et celles en étant dépourvues peut-être irrégulière.

Pour reproduire cette alternance, on peut utiliser des tôles identiques comportant un nombre de languettes, paire ou triplet de languettes inférieur au nombre d’aplats sur l’arbre, les tôles étant tournées d’un angle sensiblement égal à 90° autour de l’axe de rotation du rotor par rapport à la tôle adjacente.

Dans un mode de réalisation, lorsqu’on observe, avant l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre, une languette en superposition avec un aplat, la languette peut dépasser au-dessus de l’aplat au minimum d’une distanced _min supérieure à 0,1 mm, de préférence supérieure à 0,2 mm, mieux de l’ordre de 0,5 mm.

Une telle valeur minimale permet de s’assurer que la languette est suffisamment longue pour ne pas s’éroder lors de l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre.

Dans un mode de réalisation, lorsqu’on observe, avant l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre, une languette en superposition avec un aplat, la languette peut dépasser au-dessus de l’aplat au maximum d’une distanced _max inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 1 mm, mieux de l’ordre de 0,5 mm. Une telle valeur maximale permet de s’assurer que la languette est suffisamment courte pour pouvoir se déformer lors de l’insertion.

La tolérance pour la découpe des tôles est par exemple de l’ordre de 0,07 mm.

La tolérance pour la fabrication de l’arbre est par exemple de l’ordre de 0,025 mm.

Rotor

Le rotor peut comporter des aimants permanents, avec notamment des aimants surfaciques ou enterrés. Le rotor peut être à concentration de flux. Il peut comporter une ou plusieurs couches d’aimants disposées en I, en U ou en V.

En variante, il peut s’agir d’un rotor bobiné ou à cage d’écureuil, ou d’un rotor à réluctance variable.

Le nombre de pôles P au rotor est par exemple compris entre 4 et 48, étant par exemple de 4, 6, 8, 10 ou 12.

Le diamètre du rotor peut être inférieur à 400 mm, mieux inférieur à 300 mm, et supérieur à 50 mm, mieux supérieur à 70 mm, étant par exemple compris entre 100 et 200 mm.

Les logements des aimants permanents peuvent être réalisées entièrement par découpage dans les tôles. Chaque tôle de l’empilement de tôles peut être monobloc.

Chaque tôle est par exemple découpée dans une feuille d’acier magnétique ou contenant de l’acier magnétique, par exemple de l’acier de 0,1 à 1,5 mm d’épaisseur. Les tôles peuvent être revêtues d’un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein de l’empilement. L’isolation électrique peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles, le cas échéant.

En variante, la masse rotorique peut être fabriquée à partir d’une poudre magnétique compactée ou agglomérée.

La masse magnétique rotorique peut comporter des pôles saillants. Les pôles peuvent être d’un seul tenant avec le reste de la masse rotorique, ou rapportés sur celle-ci.

L’arbre peut être réalisé dans un matériau magnétique, ce qui permet avantageusement de diminuer le risque de saturation dans la masse rotorique et d’améliorer les performances électromagnétiques du rotor.

En variante, le rotor comporte un arbre amagnétique sur lequel est disposée la masse rotorique. L’arbre peut être réalisé au moins en partie dans un matériau de la liste suivante, qui n’est pas limitative : acier, inox, titane ou tout autre matériau amagnétique

La masse rotorique peut dans un mode de réalisation être disposée directement sur l’arbre amagnétique, par exemple sans jante intermédiaire. En variante, notamment dans le cas où l’arbre n’est pas amagnétique, le rotor peut comporter une jante entourant l’arbre du rotor et venant prendre appui sur ce dernier.

La masse rotorique peut comporter un ou plusieurs trous pour alléger le rotor, permettre son équilibrage ou pour l’assemblage des tôles rotoriques la constituant. Des trous peuvent permettre le passage de tirants maintenant solidaires entre elles les tôles.

Les tôles peuvent être découpées dans un outil à la suite les unes des autres. Elles peuvent être empilées et clipsées ou collées dans l’outil, en paquets complets ou sous-paquets. Les tôles peuvent être encliquetées les unes sur les autres. En variante, le paquet de tôles peut être empilé et soudé en dehors de l’outil.

La masse rotorique peut présenter un contour extérieur qui est circulaire ou multilobé, une forme multilobée pouvant être utile par exemple pour réduire les ondulations de couple ou les harmoniques de courant ou de tension.

Le rotor peut être monté en porte à faux ou non, par rapport aux roulements utilisés pour guider l’arbre.

Le rotor peut être réalisé en plusieurs tronçons alignés suivant la direction axiale, par exemple au moins deux tronçons. Chacun des tronçons peut être décalé angulairement par rapport aux morceaux adjacents (« step skew » en anglais).

Machine et stator

L’invention a encore pour objet une machine électrique tournante comportant un rotor selon l’invention et un stator.

Le stator peut comporter des conducteurs électriques, au moins une partie de ces conducteurs électriques, voire une majorité de ces conducteurs électriques, étant en forme d’épingle en U ou en I.

La vitesse maximale de rotation de la machine peut être élevée, étant par exemple supérieure à 10 000 tr/min, mieux supérieure à 12 000 tr/min, étant par exemple de l’ordre de 14 000 tr/min à 15 000 tr/min, voire même de 20 000 tr/min ou de 25 000 tr/min. La vitesse maximale de rotation de la machine peut être inférieure à 100 000 tr/min, voire à 60 000 tr/min, voire encore inférieure à 40 000 tr/min, mieux inférieure à 30 000 tr/min.

La machine peut comporter un seul rotor intérieur ou, en variante, un rotor intérieur et un rotor extérieur, disposés radialement de part et d’autre du stator et accouplés en rotation.

La machine peut être insérée seule dans un carter ou insérée dans un carter de boite de vitesse. Dans ce cas, elle est insérée dans un carter qui loge également une boîte de vitesse.

La machine comporte un stator. Ce dernier comporte des dents définissant entre elles des encoches. Le stator peut comporter des conducteurs électriques, au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, pouvant être en forme d'épingle en U ou en I.

Les encoches peuvent être au moins partiellement fermée. Une encoche partiellement fermée permet de ménager une ouverture au niveau de l’entrefer, qui peut servir par exemple à la mise en place des conducteurs électriques pour le remplissage de l’encoche. Une encoche partiellement fermée est notamment ménagée entre deux dents qui comportent chacune des épanouissements polaires au niveau de leur extrémité libre, lesquels viennent fermer l’encoche au moins en partie.

En variante, les encoches peuvent être entièrement fermées. Par « encoche entièrement fermée », on désigne des encoches qui ne sont pas ouvertes radialement vers l’entrefer.

Dans un mode de réalisation, au moins une encoche, voire chaque encoche, peut être continûment fermée du côté de l’entrefer par un pont de matière venu d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. Toutes les encoches peuvent être fermées du côté de l’entrefer par des ponts de matière fermant les encoches. Les ponts de matière peuvent être venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. La masse statorique est alors dépourvue de découpe entre les dents et les ponts de matière fermant les encoches, et les encoches sont alors continûment fermées du côté de l’entrefer par les ponts de matière venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche.

En outre, les encoches peuvent également être fermées du côté opposé à l’entrefer par une culasse rapportée ou d’un seul tenant avec les dents. Les encoches ne sont alors pas ouvertes radialement vers l’extérieur. La masse statorique peut être dépourvue de découpe entre les dents et la culasse.

Dans un mode de réalisation, chacune des encoches est de contour continûment fermé. Par « continûment fermé », on entend que les encoches présentent un contour fermé continu lorsqu’elles sont observées en section transversale, prise perpendiculairement à l’axe de rotation de la machine. On peut faire le tour complet de l’encoche sans rencontrer de découpe dans la masse statorique.

La masse statorique peut être réalisée par empilement de tôles magnétiques, les encoches étant venues par découpage des tôles. La masse statorique peut en variante être réalisée par taillage dans une masse de poudre magnétique frittée ou agglomérée. La fermeture des encoches du côté de l’entrefer est obtenue par des ponts de matière venus d’un seul tenant avec le reste des tôles ou du bloc formant la masse statorique.

Le stator peut être dépourvu de cales magnétiques rapportées de fermeture des encoches. On élimine ainsi le risque de détachement accidentel de ces cales.

Le stator peut comporter des bobines disposées de manière répartie dans les encoches, ayant notamment des conducteurs électriques disposés de manière rangée dans les encoches. Par « réparti », on entend qu’au moins l’une des bobines passe successivement dans deux encoches non adjacentes.

Les conducteurs électriques peuvent ne pas être disposés dans les encoches en vrac mais de manière ordonnée. Ils sont empilés dans les encoches de manière non aléatoire, étant par exemple disposés en rangées de conducteurs électriques alignés. L’empilement des conducteurs électriques est par exemple un empilement selon un réseau hexagonal dans le cas de conducteurs électriques de section transversale circulaire.

Le stator peut comporter des conducteurs électriques logés dans les encoches. Des conducteurs électriques au moins, voir une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingles, de U ou de I. L’épingle peut être en forme de U (« U-pin » en anglais) ou droite, étant en forme de I (« I-pin » en anglais).

Dans l’invention, chaque conducteur électrique peut comporter un ou plusieurs brins (« wire » ou « strand » en anglais). Par « brin », on entend l’unité la plus élémentaire pour la conduction électrique. Un brin peut être de section transversale ronde, on peut alors parler de ‘fil’, ou en méplat. Les brins en méplat peuvent être mis en forme en épingles, par exemple en U ou en I. Chaque brin est revêtu d’un émail isolant.

Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage unique, notamment entier ou fractionnaire. Par « bobinage unique », on entend que les conducteurs électriques sont reliés électriquement ensemble dans le stator, et que les connexions entre les phases sont faites dans le stator, et non pas à l’extérieur du stator, par exemple dans une boite à bornes. Un bobinage est constitué d’un nombre de phases m décalées dans l’espace de telle façon que lorsqu’elles sont alimentées par un système de courant multi-phasé, elles produisent un champ tournant. Le bobinage peut être entier ou fractionnaire. Le bobinage peut être entier à pas avec ou sans raccourcissement, ou en variante fractionnaire. Dans un mode de réalisation, les conducteurs électriques forment un bobinage fractionnaire, notamment à pas raccourci.

Le bobinage peut être ondulé. La mise en série des conducteurs électriques peut être faite en bobinage dit ondulé. Par « bobinage ondulé », on entend un bobinage dans lequel les conducteurs électriques d’une même phase et d’un même pôle sont reliés électriquement l’un à l’autre de façon que, pour une voie d’enroulement, le courant électrique de la phase circule dans les conducteurs électriques en tournant autour de l’axe de rotation de la machine toujours dans un seul sens. Pour une voie d’enroulement, les conducteurs électriques d’une même phase et d’un même pôle ne se chevauchent pas lorsqu’observés perpendiculairement à l’axe de rotation de la machine.

Le bobinage peut comporter une seule voie d’enroulement ou plusieurs voies d’enroulement. Dans un « conducteur électrique », le courant circule d’une même phase par voie d’enroulement. Par « voie d’enroulement », on entend l’ensemble des conducteurs électriques de la machine qui sont parcourus par un même courant électrique d’une même phase. Ces conducteurs électriques peuvent être connectés entre eux en série ou en parallèle ou en série-parallèle. Dans le cas où on a une seule voie, les conducteurs électriques sont connectés en série. Dans le cas où on a plusieurs voies, les conducteurs électriques de chaque voie sont connectés en série, et les voies sont connectées en parallèle.

Les conducteurs électriques peuvent ainsi former un bobinage distribué. Le bobinage peut ne pas être concentré ou bobiné sur dent.

Dans une variante de réalisation, le stator est à bobinage concentré. Le stator peut comporter des dents et des bobines disposées sur les dents. Le stator peut ainsi être bobiné sur dents, autrement dit à bobinage non réparti.

Les dents du stator peuvent comporter des épanouissements polaires. En variante, les dents du stator sont dépourvues d’épanouissements polaires.

Le stator peut comporter une carcasse extérieure entourant la culasse.

Les dents du stator peuvent être réalisées avec un empilage de tôles magnétiques, recouvertes chacune d’un vernis isolant, afin de limiter les pertes par courants induits.

Procédé de fabrication

L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un rotor selon l’invention, comportant les étapes suivantes :
(a) fournir un arbre de rotor dont la surface extérieure présente au moins un aplat et au moins une zone cylindrique, et une masse rotorique comportant au moins une languette,
(b) monter la masse rotorique sur l’arbre du rotor, par insertion de la masse rotorique sur l’arbre, ladite au moins une languette subissant une déformation plastique provoquée par les aplats.

L’assemblage d’un rotor selon l’invention peut se faire avec les méthodes classiques d’assemblage. Un tel rotor s’adapte aux machines existantes pour réaliser l’assemblage.

Dans un mode de réalisation, l’étape (a) de fourniture d’un arbre peut être précédée d’une étape d’usinage de l’arbre pour former au moins une zone cylindrique.

L’arbre peut être forgé. Par exemple, il peut s’agir d’un arbre prismatique. Les aplats peuvent être formés pendant le forgeage et les zones cylindrique peuvent être formées pendant l’usinage. En variante les aplats peuvent être formés pendant l’usinage et les zones cylindrique peuvent être formées pendant le forgeage.

Les tôles peuvent être poinçonnées et empilées pour former un paquet de tôle au cours d’une même étape. Par exemple, ces deux opérations peuvent être réalisées automatiquement par la même machine.

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

la figure 1 est une vue en coupe transversale, schématique et partielle d’un rotor réalisé conformément à l’invention,

la figure 2 est une vue de détail du rotor de la figure 1,

la figure 3 est une vue schématique et en perspective d’un détail du rotor de la figure 1,

la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 illustrant l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre,

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

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

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

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

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

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

la figure 6a est une vue analogue à la figure 1 d’une variante de réalisation,

la figure 6b est une vue analogue à la figure 1 d’une variante de réalisation,

la figure 6c est une vue analogue à la figure 1 d’une variante de réalisation,

la figure 7a est une vue schématique d’une alternance de tôle d’un rotor selon l’invention,

la figure 7b est une vue analogue à la figure 7a d’une variante de réalisation,

la figure 7b est une vue analogue à la figure 7a d’une variante de réalisation,

la figure 8 est une vue d’une languette en superposition avec un aplat, avant l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre.

Description détaillée

On a illustré aux figures 1 et 2 un rotor intérieur 1 de machine électrique tournante, la machine comportant également un stator extérieur non représenté. Le stator permet de générer un champ magnétique tournant d’entraînement du rotor 1 en rotation, dans le cadre d’un moteur synchrone, et dans le cas d’un alternateur, la rotation du rotor induit une force électromotrice dans les bobinages du stator.

Le rotor 1 représenté à la figure 1 comporte une masse magnétique rotorique 3 s’étendant axialement selon l’axe de rotation X du rotor, cette masse rotorique étant par exemple formée par un paquet de tôles magnétiques empilées selon l’axe X, les tôles étant par exemple identiques et superposées exactement. Elles peuvent être maintenues entre elles par clipsage, par des rivets, par des tirants, des soudures ou toute autre technique. Les tôles magnétiques sont de préférence en acier magnétique. Toutes les nuances d’acier magnétique peuvent être utilisées.

La masse rotorique 3 comporte un alésage central pour le montage sur un arbre 5. L’arbre peut, dans l’exemple considéré, être réalisé dans un matériau amagnétique, par exemple en inox amagnétique ou en aluminium, ou au contraire être magnétique.

Conformément à l’invention, l’arbre 5 comporte des aplats 21 et des zones cylindriques 22. Dans l’exemple représenté à la figure 1, l’arbre 5 présente une section transversale sensiblement carrée. Les sommets du carré sont usinés afin de former les zones cylindriques 22.

La masse rotorique 3 comporte des languettes 20 subissant une déformation plastique lors de l’insertion de la masse rotorique 3 sur l’arbre 5. La tôle de la masse rotorique 3 représentée à la figure 1 comporte deux paires de languettes 20 disposées symétriquement par rapport à l’axe de rotation X du rotor. Chaque paire de languettes 20 coopère avec un aplat 21. L’arbre 5 comporte deux aplats 21 qui ne coopère avec aucune languette. La masse rotorique présente des évidements 23 qui permettent de faire circuler un fluide de refroidissement.

La figure 3 illustre une partie de la masse rotorique 3 qui est insérée sur un arbre 5. La masse rotorique 3 est composée d’un empilement de tôles. Sur l’exemple représenté, une tôle sur deux comporte une languette 20 visible sur la figure. Les languettes 20 de chaque paire sont en appui contre l’aplat 21. Les zones cylindriques 22 sont en contact avec la masse rotorique 3.

A une de ses extrémités axiale, l’arbre 5 comporte un épaulement 32. Cet épaulement 32 permet de faciliter l’insertion de la masse rotorique 3 sur l’arbre 5.

La figure 4 est une représentation schématique d’une partie de la masse rotorique 3 au moment de l’insertion sur l’arbre 5. L’arbre 5 comporte deux zones, une zone 25 située à une extrémité distale et une zone 26 qui comporte un aplat. Le diamètre de l’arbre 5 dans la zone 25 est inférieur à celui dans la zone 26. Lorsqu’une languette 20’ franchit la frontière entre la zone 25 et la zone 26, celle-ci est déformée hors du plan de tôle. La déformation est dû au fait qu’avant l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre, une languette en superposition avec un aplat dépasse l’aplat. Le mouvement d’insertion permet donc d’appliquer une force axiale sur les languettes pour les déformer hors d’un plan perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor.

On va maintenant décrire plus en détail différentes formes possible pour une languette 20.

Dans le mode de réalisation illustré à la figure 5a, un aplat 21 coopère avec une languette 20 présentant une forme de T. La languette 20 est centrée sur l’aplat 21. La barre transversale 201 du T de la languette 20 est en appui contre l’aplat 21.

Dans le mode de réalisation illustré à la figure 5b, un aplat 21 coopère avec une paire de languette 20. Chaque languette 20 présentant des premier 20a et deuxième 20b bords latéraux. Les premier et deuxième bord latéraux 20a, 20b sont courbés. Dans l’exemple représenté, le rayon de courbure du premier bord latéral 20a est inférieur au rayon de courbure du deuxième bord 20b latéral.

Dans l’exemple représenté à la figure 5c, un aplat 21 coopère avec une paire de languettes 20. Les languettes 20 sont sensiblement rectangulaires. Les deux languettes 20 de la paire sont reliées par un bord 30 parallèle à l’aplat 21.

Dans l’exemple représenté à la figure 5d, un aplat 21 coopère avec un triplet de languettes 20. Les languettes 20 sont sensiblement rectangulaires. Chaque languette 20 du triplet est reliée à la languette adjacente par un bord 30 parallèle à l’aplat 21.

Dans l’exemple représenté à la figure 5e, un aplat 21 coopère avec une paire de languettes 20. Les languettes 20 sont sensiblement rectangulaires. L’évidement 31 formé dans la tôle entre les deux languettes de la paire présente sensiblement une forme de U.

Dans l’exemple représenté à la figure 5f, un aplat 21 coopère avec une paire de languettes 20. Les languettes 20 présentent à elles deux une forme de C.

On va maintenant décrire plus en détail différentes formes d’arbre coopérant avec différentes formes de languettes.

Dans le mode de réalisation représenté à la figure 6a, l’arbre 5 présente une section transversale sensiblement carrée. Les sommets sont arrondis pour former les zones cylindriques 22. Les côtés constituent les aplats 21. L’arbre 5 comporte donc quatre aplats 21. La tôle de la masse rotorique 3 représentée comporte quatre languettes 20 identiques. Chaque languette 20 présente une forme de T. Chaque languette 20 coopère avec un aplat 21.

Dans le mode de réalisation représenté à la figure 6b, l’arbre 5 présente une section transversale sensiblement pentagonale. Les sommets sont arrondis pour former les zones cylindriques 22. Les côtés forment les aplats 21. L’arbre 5 comporte donc cinq aplats 21. La tôle de la masse rotorique 3 représentée comporte une languette 20 présentant une forme générale en T, trois paires de languettes 20 présentant chacune une forme différente parmi celles présentées ci-dessus et un triplet de languettes 20 sensiblement rectangulaires. Chaque aplat 21 coopère donc avec soit une languette soit un ensemble de languettes (paire ou triplet) différent de celui avec lequel coopère l’aplat adjacent.

Dans le mode de réalisation représenté à la figure 6c, l’arbre 5 présente une section transversale sensiblement carrée. Les sommets sont arrondis pour former les zones cylindriques 22. Les côtés constituent les aplats 21. L’arbre 5 comporte donc quatre aplats 21. La tôle de la masse rotorique 3 représentée comporte quatre triplets identiques de languettes 20. Toutes les languettes 20 sont identiques. Les languettes 20 présentent toutes une forme sensiblement rectangulaire. Chaque triplet de languette 20 coopère avec un aplat 21. Pour chaque triplet, la languette centrale est centrée sur l’aplat 21 et les deux autres languettes sont disposées de part et d’autre.

On va maintenant décrire plus en détail différentes alternances possibles de tôles au niveau d’une languette.

On a représenté aux figures 7a, 7b et 7c un ensemble 24 de tôles. Cet ensemble 24 est composé de tôles 241 qui comportent des languettes et de tôles 240 qui en sont dépourvues. L’alternance entre les deux types de tôles est régulière dans l’ensemble 24.

Dans l’exemple représenté à la figure 7a, on dispose une tôle 240 dépourvue de languette 20 entre deux tôles 241 comportant au moins une languette 20. Dans l’ensemble 24, une tôle 240 dépourvue de languette est encadrée par deux tôles qui en comportent. Dans l’exemple représenté, les tôles situées aux extrémités de l’ensemble 24 comportent des languettes.

Dans l’exemple représenté à la figure 7b, on dispose deux tôles 240 dépourvues de languette 20 entre deux tôles 241 comportant au moins une languette 20. Dans l’ensemble 24, deux tôles 240 dépourvue de languette sont encadrées par deux tôles qui en comportent. Dans l’exemple représenté, les tôles situées aux extrémités de l’ensemble 24 comportent des languettes.

Dans l’exemple représenté à la figure 7c, on dispose deux tôles 240 dépourvues de languette 20 entre deux tôles 241 comportant au moins une languette 20. Dans l’ensemble 24, deux tôles 240 dépourvues de languette sont encadrées par deux paires de tôles qui en comportent. Dans cet exemple, une tôle 241 comportant une languette peut être adjacente à une autre tôle 241 comportant une languette. Dans l’exemple représenté, les tôles situées aux extrémités de l’ensemble 24 comportent des languettes.

Les exemples d’alternances de tôles présentées ci-dessus permettent de laisser suffisamment d’espace pour que les languettes 20 puissent se déformer axialement.

On a représenté à la figure 8 une languette 20 en superposition avec un aplat 21 observé selon l’axe de rotation X du rotor. La languette 20 dépasse de l’aplat 21 d’une distancedcomprise entred _min etd _max .De préférence,dest de l’ordre de 0,5 mm.

Une telle distancedpermet de s’assurer que la languette est suffisamment longue pour ne pas s’éroder lors de l’insertion de la masse rotorique sur l’arbre et qu’elle est suffisamment courte pour pouvoir se déformer lors de l’insertion. De plus, ce choix de longueurdtient compte des tolérances de fabrication de l’arbre t_aet celles de la découpe des tôles t_t. Ainsi, même en prenant en compte ces tolérances, la coopération entre la languette 20 et l’aplat 21 peut être assurée.

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

Claims (14)

1. Rotor (1) de machine électrique, tournant autour d’un axe de rotation (X), le rotor comportant :
   - un arbre (5) disposé sur l’axe de rotation (X) ayant une surface extérieure, la surface extérieure présentant au moins un aplat (21) et au moins une zone cylindrique (22),
   - une masse rotorique (3) s’étendant selon l’axe de rotation (X) et disposée autour de l’arbre (5), comportant au moins une languette (20) coopérant avec l’aplat (21) de l’arbre (5), ladite au moins une languette (20) subissant une déformation plastique lors de l’insertion de la masse rotorique (3) sur l’arbre (5).
2. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, les languettes (20) se déformant hors d’un plan perpendiculaire à l’axe de rotation (X) du rotor (1).
3. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, la ou les languettes (20) subissant en plus de la déformation plastique une déformation élastique.
4. Rotor selon la revendication précédente, la portion angulaire à la surface extérieure de l’arbre (5) occupée par chaque aplat (21) étant comprise entre 5 % et 50%, de préférence entre 10 % et 35%, mieux de l’ordre de 20 % de la circonférence de l’arbre (5).
5. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins une languette (20) présentant un premier (20a) et un deuxième (20b) bord latéral, les premier et deuxième bord latéraux (20a, 20b) étant courbés, ayant notamment chacun des rayons de courbure différents.
6. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins une languette (20) présentant une forme générale de T.
7. Rotor selon la revendication précédente, les portions cylindriques (22) présentant un épaulement (32) à au moins une extrémité axiale.
8. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, un fluide de refroidissement circulant dans des évidements (23) ménagés par les languettes (20) dans l’alésage central de la masse rotorique (3).
9. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, la masse rotorique (23) étant formée d’un empilement de tôles, au plus 50%, plus préférentiellement au plus 40%, mieux au plus 30% des tôles (241) comportant au moins une languette (20).
10. Rotor selon la revendication précédente, lorsqu’observée dans un plan contenant l’axe de rotation (X), l’alternance entre les tôles (241) de la masse rotorique (3) comportant au moins une languette (20) et celles (240) en étant dépourvues, au niveau d’une languette (20), étant régulière.
11. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, lorsqu’on observe, avant l’insertion de la masse rotorique (3) sur l’arbre (5), une languette (20) en superposition avec un aplat (21), la languette (20) dépasse au-dessus de l’aplat (21) au minimum d’une distanced _min supérieure à 0,1 mm, de préférence supérieure à 0,2 mm, mieux de l’ordre de 0,5 mm, et dépasse au maximum d’une distanced _max inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 1 mm, mieux de l’ordre de 0,5 mm.
12. Machine électrique tournante comportant un rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un stator.
13. Procédé de fabrication d’un rotor (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, comportant les étapes suivantes :
    (a) fournir un arbre (5) de rotor dont la surface extérieure présente au moins un aplat (21) et au moins une zone cylindrique (22) et une masse rotorique (3) comportant au moins une languette (20),
    (b) monter la masse rotorique (3) sur l’arbre (5) du rotor, par insertion de la masse rotorique (3) sur l’arbre (5), ladite au moins une languette (20) subissant une déformation plastique provoquée par les aplats (21).
14. Procédé de fabrication d’un rotor selon la revendication précédente, l’étape (a) de fourniture d’un arbre (5) étant précédée d’une étape d’usinage de l’arbre (5) pour former au moins une zone cylindrique (22).