WO2001034850A2 - Tole de machine tournante electrique a grains orientes - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to the field of electric rotating machines.
  • Lights or notches 51 are produced in this rotor sheet 50 for the passage of the electric armature conductors, for example the bars of a cage squirrel.
  • the rotor sheet 60 comprises a cylinder head part 70 comprising a plurality of sectors 71 and elements 80 of notch circuit, the latter having a general T shape. Two elements 80 adjacent form between them, when assembled with the corresponding sectors 71, a light or notch 90 for the passage of one or more electrical armature or inductor conductors which can be easily electrically isolated from adjacent sheets.
  • Each sector 71 has a first lateral edge 72 provided with a mortise
  • Each sector 71 further comprises, on its radially outer edge, a cutout 76, for example in the form of a dovetail, intended to receive the end of an element 80 of complementary shape.
  • the orientation of the cutting tool, relative to the metal sheet determines the orientation of the grains of the strip thus cut.

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Abstract

Tôle rotorique (10) comprenant une partie de culasse et un circuit d'encoches définissant des encoches pour le passage d'un ou plusieurs conducteurs électriques d'induit ou d'inducteur. Ladite tôle comporte un ou plusieurs éléments (71; 80) ayant des grains d'orientation choisie.

Description

Tôle de machine tournante électrique à grains orientés
La présente invention concerne le domaine des machines tournantes électriques.
Le stator et/ou le rotor de telles machines sont réalisés de manière conventionnelle par empilage de tôles d'un métal perméable au champ magnétique, de manière à limiter les pertes par courants induits.
Chaque tôle statorique ou rotorique comporte une partie périphérique radialement intérieure ou extérieure, appelée partie de culasse et, d'un côté de cette dernière, des logements pour le passage de conducteurs électriques d'induit ou d'inducteur.
Dans le cas d'un stator extérieur, la partie de culasse est radialement extérieure et chaque tôle peut comporter du côté radialement intérieur des encoches pour le passage des conducteurs électriques.
Dans le cas d'un rotor intérieur, la partie de culasse est radialement intérieure et chaque tôle peut comporter du côté radialement extérieur des lumières ou encoches pour le passage du ou des conducteurs électriques.
Dans certaines machines connues, la partie de culasse et le circuit d'encoches définissant les encoches pour le passage du ou des conducteurs électriques d'induit ou d'inducteur sont réalisés d'un seul tenant par découpage d'une feuille d'un métal perméable au champ magnétique.
On connaît par le brevet britannique GB 1 395 742 un procédé de fabrication d'un stator dans lequel le circuit d'encoches est constitué par des éléments rapportés.
La demande de brevet japonais JP 07 06 7272 décrit une structure similaire dans laquelle les éléments rapportés sont constitués par des dents dont les grains sont orientés de manière à offrir une perméabilité élevée au champ magnétique dans la direction radiale.
A la connaissance de la société déposante, les rotors connus sont réalisés d'un seul tenant par découpe d'une feuille de métal.
L'invention vise notamment à augmenter le rendement des machines électriques tournantes comportant un empilage de tôles rotoriques comprenant chacune une partie de culasse et un circuit d'encoches définissant des encoches pour le passage d'un ou plusieurs conducteurs électriques. Elle y parvient par le fait que la tôle de rotor intérieur ou extérieur comporte un ou plusieurs éléments ayant des grains d'orientation choisie.
La partie de culasse peut être ainsi avantageusement réalisée par assemblage de secteurs ayant des grains d'orientation choisie. En variante, la partie de culasse comporte une bande cintrée, cette bande ayant été découpée dans une feuille de métal dont les grains ont une orientation connue.
Les éléments du circuit d'encoches, la bande et/ou les secteurs précités sont avantageusement découpés dans des feuilles de métal ayant des grains d'orientation connue, de sorte que l'orientation des grains de chaque bande, secteur et/ou de chaque élément du circuit d'encoches peut être aisément déterminée en choisissant simplement l'orientation de la feuille de métal par rapport à l'outil de découpe.
On peut ainsi réaliser grâce à l'invention une tôle rotorique dont les grains de la partie de culasse et/ou du circuit d'encoches ont une orientation adaptée à la direction des lignes de champ magnétique en vue d'augmenter le rendement de la machine tournante. De plus, dans les machines tournantes connues, chaque tôle rotorique est monobloc, ce qui entraîne une perte de matière lors de sa fabrication.
Grâce à l'invention, les pertes de matière sont réduites, puisque les secteurs ou les éléments du circuit d'encoches peuvent être découpés côte à côte en utilisant pratiquement toute la surface de la feuille de métal. Les secteurs peuvent avoir des grains ayant sensiblement la même orientation circonférentielle.
Toujours dans une réalisation préférée, les éléments du circuit d'encoches ont des grains ayant sensiblement la même orientation.
De préférence, chaque élément du circuit d'encoches est suffisamment étroit angulairement pour que l'orientation de ses grains soit sensiblement constante en tout point.
Avantageusement, la tôle rotorique ou statorique comporte au moins autant de secteurs ou d'éléments de circuit d'encoches que d'encoches.
Les secteurs sont avantageusement assemblés par complémentarité de formes, par exemple par une liaison de type queue d'aronde ou sont assemblés par soudage.
De préférence, les éléments du circuit d'encoches sont rapportés sur la partie de culasse. Le circuit d'encoches est avantageusement formé au moyen d'une pluralité de dents indépendantes.
On peut réaliser grâce à l'invention une tôle rotorique dans laquelle la partie de culasse a des grains d'orientation différente de celle des éléments du circuit d'encoches, dans le but d'adapter au mieux l'orientation locale des grains à la direction des lignes de champ magnétique lors du fonctionnement de la machine.
L'invention a encore pour objet un rotor réalisé avec un empilage de tôles rotoriques telles que définies ci-dessus.
L'invention a encore pour objet un paquet de tôles rotoriques telles que définies ci-dessus.
L'invention a encore pour objet une machine tournante comportant un rotor tel que défini plus haut, constituant un moteur ou un alternateur, sa puissance étant inférieure à 30 kW par exemple.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une tôle rotorique ou statorique, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes consistant à :
- fournir une feuille de métal perméable au champ magnétique ayant des grains d'orientation connue,
- découper dans cette feuille de métal une ou plusieurs bandes ou des éléments individuels constituant au moins partiellement la partie de culasse et/ou des éléments de circuit d'encoches, l'orientation de l'outil de découpe par rapport à la feuille de métal étant choisie de manière à adapter l'orientation des grains de chaque élément ou bande à la direction des lignes de champ magnétique,
- cintrer les éléments individuels ou la ou les bandes de manière à leur faire prendre la configuration définitive qu'ils auront au sein du stator ou du rotor Dans une mise en œuvre du procédé, celui-ci comporte l'étape consistant à assembler les éléments précédemment découpés entre eux ou avec d'autres éléments, de manière à constituer le rotor ou le stator.
Toujours dans une mise en œuvre du procédé, celui-ci comporte l'étape consistant à : - superposer des bandes constituant des parties de culasse et les cintrer pour former la culasse, ou - cintrer des bandes pour constituer des parties de culasse et les superposer pour former la culasse, ou
- conformer en hélice une bande et accoler les spires pour former la culasse. Avantageusement, le procédé comporte l'étape consistant à découper les éléments de circuit d'encoches de manière à ce que ces derniers aient sensiblement la même orientation des grains.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs, et à l'examen du dessin annexé sur lequel :
- la figure 1 représente une tôle statorique conforme à l'art antérieur,
- la figure 2 représente une tôle statorique comportant des secteurs obtenus par la mise en œuvre du procédé selon un aspect de l'invention,
- la figure 3 représente une tôle rotorique conforme à l'art antérieur, - la figure 4 représente une tôle rotorique conforme à un aspect de l'invention,
- les figures 5 à 8 illustrent la réalisation de secteurs par cintrage,
- la figure 9 illustre le cintrage d'un paquet de tôles superposées, et
- la figure 10 illustre la formation de la culasse par enroulement d'une bande. La tôle statorique 1 représentée sur la figure 1 comporte une partie périphérique ou partie de culasse 2, pourvue de son côté radialement intérieur d'un circuit d'encoches définissant une pluralité de dents 3, lesquelles ménagent entre elles des encoches 4 pour le passage des fils 5 de l'inducteur ou de l'induit.
Les extrémités des dents 3 ménagent entre elles des fentes 6, par lesquelles les fils 5 peuvent être introduits dans les encoches 4. La partie de culasse 2 et le circuit d'encoches 3 constituent un ensemble monobloc réalisé par découpage d'une feuille de métal perméable au champ magnétique, dont les grains peuvent avoir ou non une orientation particulière.
Dans le cas où les grains ont une orientation donnée, la tôle statorique présente une anisotropie qui affecte le rendement et peut provoquer l'apparition de phénomènes parasites.
Dans le cas où les grains n'ont pas d'orientation particulière, la tôle statorique est isotrope mais l'isotropie est obtenue au prix d'une perméabilité plus faible au champ magnétique, ce qui affecte le rendement.
La tôle statorique 10, représentée sur la figure 2, comporte une partie de culasse 20, constituée ici par une pluralité de secteurs 21 et un circuit d'encoches 30 constitué par une pluralité de dents 31, assemblées chacune avec un secteur 21. Les secteurs 21 sont réalisés par découpage dans une feuille d'un métal perméable au champ magnétique, dont les grains ont une orientation connue, et cintrage.
On a illustré sur les figures 5 à 8 la formation d'un secteur.
Comme on peut le voir, chaque secteur se présente initialement sous la forme d'une bande plus ou moins longue découpée dans une feuille de métal, présentant par exemple deux bords s'étendant initialement dans la même direction longitudinale L et s'étendant après cintrage dans la même direction circonférentielle C.
Selon la longueur des éléments avant cintrage, un nombre plus ou moins important de secteurs seront nécessaires pour former la partie de culasse.
Dans le cas de la figure 6, quatre secteurs sont nécessaires. Dans le cas de la figure 7, deux secteurs sont nécessaires et dans le cas de la figure 9, un seul secteur est nécessaire.
Les secteurs peuvent comporter à leurs extrémités longitudinales des moyens d'assemblage par complémentarité de forme, comme cela sera précisé plus loin.
En variante, les secteurs ne comportent à leurs extrémités longitudinales aucun moyen d'assemblage par complémentarité de forme, l'assemblage des secteurs entre eux s'effectuant par soudage par exemple.
On comprend qu'en choisissant l'orientation de l'outil de découpe par rapport à cette feuille de métal, on peut réaliser les secteurs 21 avec une orientation des grains prédéterminée, identique pour chacun d'eux. On choisira de cette façon l'orientation des grains de chaque secteur 21 de manière à l'adapter au mieux à l'orientation des lignes de champ magnétique dans la partie de culasse 20 lors du fonctionnement de la machine. Le cintrage permet d'orienter circonférentiellement les grains de la tôle d'une manière continue, ce qui contribue à augmenter le rendement. L'invention permet ainsi de réaliser une partie de culasse 20 ayant des propriétés magnétiques sensiblement indépendantes de la position angulaire autour de l'axe de rotation du rotor, tout en partant d'une feuille de métal ayant des grains orientés dans une direction connue.
Dans l'exemple de réalisation décrit, chaque secteur 21 comporte deux bords latéraux opposés 22 et 23, s'étendant sensiblement comme des rayons, le bord 22 étant muni d'une mortaise 24 en forme de queue d'aronde et le bord 23 d'un tenon 25 de forme complémentaire, de sorte que deux secteurs 21 adjacents peuvent être assemblés par complémentarité de formes.
Chaque secteur 21 comporte, sur son bord radialement intérieur, une découpe 26 qui peut être par exemple en forme de queue d'aronde et qui permet l'assemblage d'une dent 31 associée par complémentarité de formes. Les dents 31 sont réalisées par découpe d'une feuille de métal perméable au champ magnétique, dont les grains ont une orientation connue.
En choisissant l'orientation de l'outil de découpe par rapport à cette feuille, on peut déterminer l'orientation des grains dans chaque dent 31.
On choisira ainsi l'orientation des grains de chaque dent 31 pour l'adapter au mieux à la direction des lignes de champ magnétique lors du fonctionnement de la machine.
Les secteurs 21 peuvent avoir des grains d'orientation différente de celle des grains des dents 31 adjacentes.
On peut également réaliser les secteurs 21 et les dents 31 par découpe de feuilles de métaux différents, ayant des propriétés magnétiques différentes.
Dans l'exemple décrit, deux secteurs 21 adjacents forment lorsqu'assemblés, entre leurs découpes 26 respectives, le fond 27 d'une encoche.
On peut, sans sortir du cadre de la présente invention, réunir les extrémités 35 de deux dents 31 adjacentes pour fermer les encoches et diminuer la pulsation de flux vue du rotor, le bruit en fonctionnement et améliorer le passage du flux dans les dents 31.
On remarquera que les dents 31 étant rapportées sur les secteurs 21, la mise en place des enroulements de l'inducteur ou de l'induit peut s'effectuer autrement qu'en faisant passer les fils au travers des fentes formées entre les extrémités des dents.
On a représenté, sur la figure 3, une tôle rotorique 50 conforme à l'art antérieur, réalisée d'un seul tenant par découpe d'une feuille de métal.
Des lumières ou encoches 51 sont réalisées dans cette tôle rotorique 50 pour le passage des conducteurs électriques d'induit, par exemple les barres d'une cage d'écureuil.
La tôle rotorique 60 conforme à l'invention, représentée sur la figure 4, comporte une partie de culasse 70 comprenant une pluralité de secteurs 71 et des éléments 80 de circuit d'encoches, ces derniers ayant une forme générale en T. Deux éléments 80 adjacents forment entre eux, lorsqu 'assemblés avec les secteurs 71 correspondants, une lumière ou encoche 90 pour le passage d'un ou plusieurs conducteurs électriques d'induit ou d'inducteur qui peuvent être facilement isolés électriquement des tôles adjacentes.
Les secteurs 71 sont réalisés par découpe d'une feuille de métal perméable au champ magnétique, dont l'orientation des grains est connue.
En choisissant l'orientation de l'outil de découpe par rapport à cette feuille de métal, on peut réaliser les secteurs 71 avec l'orientation des grains voulue.
Cette orientation est choisie en fonction de la direction des lignes de champ magnétique dans la tôle rotorique, de manière à améliorer le rendement de la machine. Chaque secteur 71 comporte un premier bord latéral 72 pourvu d'une mortaise
73 en forme de queue d'aronde et un deuxième bord latéral opposé 74, pourvu d'un tenon 75 ayant une forme complémentaire de la mortaise 73.
Chaque secteur 71 comporte en outre, sur son bord radialement extérieur, une découpe 76, par exemple en forme de queue d'aronde, destinée à recevoir l'extrémité d'un élément 80 de forme complémentaire.
Les éléments 80 sont réalisés par découpe d'une feuille de métal d'un matériau perméable au champ magnétique, ayant une orientation des grains connue.
En choisissant l'orientation de l'outil de découpe par rapport à celle des grains de cette feuille, on peut réaliser les éléments 80 avec l'orientation des grains voulue. Cette orientation est adaptée au mieux à la direction des lignes de champ magnétique dans la tôle rotorique lors du fonctionnement de la machine, de manière à rendre le rendement maximal.
Les éléments 80 et les secteurs 71 présentent avantageusement des grains ayant des orientations différentes et sont, le cas échéant, réalisés dans des matériaux ayant des propriétés magnétiques et/ou mécaniques différentes.
Les secteurs 71 sont avantageusement réalisés par cintrage d'un élément rectiligne, de la manière illustrée aux figures 5 à 8 par exemple. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits.
On peut notamment réaliser l'assemblage des secteurs par complémentarité de formes autrement qu'au moyen de liaisons de type queue d'aronde ou par soudage. On peut également réaliser leur assemblage par un montage en force ou au moyen d'un ou plusieurs organes de maintien annexes.
Les éléments de circuit d'encoches peuvent être réalisés avec des formes différentes de celles représentées sur le dessin et peuvent être assemblés avec la partie de culasse par complémentarité de formes ou par un montage en force ou au moyen d'un ou plusieurs organes de maintien annexes.
Dans les exemples décrits, le circuit d'encoches et la culasse sont constitués chacun par un assemblage d'éléments individuels.
On ne sort pas du cadre de la présente invention lorsque le circuit d'encoches est monobloc et la culasse est réalisée par un assemblage d'éléments individuels, ou lorsque la culasse est monobloc et le circuit d'encoches est réalisé par un assemblage d'éléments individuels.
En particulier, la culasse peut être réalisée en superposant un paquet de bandes rectilignes découpées chacune dans une feuille de métal dont les grains ont une orientation connue, de manière à avoir des grains d'orientation choisie. Les bandes superposées et coupées à la bonne longueur sont ensuite cintrées pour former la culasse, comme illustré à la figure 9.
On peut encore réaliser la culasse en découpant une bande rectiligne de grande longueur dans une feuille de métal dont les grains ont une orientation connue.
L'orientation de l'outil de découpe, par rapport à la feuille de métal, détermine l'orientation des grains de la bande ainsi découpée.
Cette bande est ensuite conformée en hélice à spires jointives, pour former la culasse, comme illustré à la figure 10.
L'orientation des grains de la bande ainsi conformée est connue en tout point, étant fonction de l'orientation initiale et des modifications d'orientation introduites par le cintrage, lesquelles peuvent être aisément déterminées par l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Tôle pour rotor extérieur ou intérieur comprenant une partie de culasse et un circuit d'encoches définissant des encoches pour le passage d'un ou plusieurs conducteurs électriques, caractérisée par le fait qu'elle comporte un ou plusieurs éléments (21 ; 31 ; 71 ; 80) ayant des grains d'orientation choisie.
2. Tôle selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que le ou les éléments sont découpés dans des feuilles de métal ayant des grains d'orientation connue, de sorte que l'orientation des grains de chaque élément peut être déterminée en choisissant simplement l'orientation de la feuille de métal par rapport à l'outil de découpe.
3. Tôle selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le circuit d'encoches comporte des éléments (31 ; 80) découpés dans des bandes de feuilles de métal ayant des grains d'orientation choisie.
4. Tôle selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les éléments (31 ; 80) de circuit d'encoches ont des grains de même orientation.
5. Tôle selon l'une quelconque des trois revendications immédiatement précédentes, caractérisée par le fait que les éléments (31 ; 80) de circuit d'encoches ont des grains d'orientation différente de celle (21 ; 71) de la partie de culasse adjacente (20 ; 70).
6. Tôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la partie de culasse (20 ; 70) est réalisée par assemblage de secteurs (21 ; 71) ayant des grains d'orientation choisie.
7. Tôle selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que les secteurs (21 ; 71) ont des grains orientés circonférentiellement.
8. Tôle selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée par le fait que la partie de culasse est constituée de secteurs assemblés par complémentarité de formes, de préférence par une liaison de type queue d'aronde ou par soudage.
9. Tôle selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins autant de secteurs que d'encoches.
10. Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que la partie de culasse comporte une bande cintrée, cette bande ayant été découpée dans une feuille de métal dont les grains ont une orientation connue.
11. Tôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte des éléments de circuit d'encoches rapportés sur la partie de culasse.
12. Tôle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le circuit d'encoches est réalisé au moyen d'une pluralité de dents (31) indépendantes.
13. Paquet de tôle rotorique réalisé avec un empilage de tôles rotoriques telles que définies dans l'une quelconque des revendications 1 à 12.
14. Rotor réalisé avec un empilage de tôles rotoriques telles que définies dans l'une quelconque des revendications 1 à 12.
15. Machine tournante comportant un rotor tel que défini dans la revendication 14.
16. Machine selon la revendication immédiatement précédente, caractérisée par le fait qu'elle constitue un moteur.
17. Machine selon la revendication 15, caractérisée par le fait qu'elle constitue un alternateur.
18. Machine selon l'une quelconque des revendications 16 ou 17, caractérisée par le fait que sa puissance est inférieure à 30 kW.
19. Procédé de fabrication d'une tôle rotorique ou statorique, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes consistant à :
- fournir une feuille de métal perméable au champ magnétique ayant des grains d'orientation connue,
- découper dans cette feuille de métal un ou plusieurs éléments individuels ou une ou plusieurs bandes constituant au moins partiellement la partie de culasse et/ou des éléments de circuit d'encoches, l'orientation de l'outil de découpe par rapport à la feuille de métal étant choisie de manière à adapter l'orientation des grains de chaque élément ou bande à la direction des lignes de champ magnétique,
- cintrer les éléments individuels ou la ou les bandes de manière à leur faire prendre la configuration définitive qu'ils auront au sein du stator ou du rotor.
20. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre l'étape consistant à assembler les éléments individuels précédemment découpés entre eux ou avec d'autres éléments de manière à constituer le rotor ou le stator.
21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre l'étape consistant à : - superposer des bandes constituant des parties de culasse et les cintrer pour former la culasse, ou
- cintrer des bandes pour constituer des parties de culasse et les superposer pour former la culasse, ou
- conformer en hélice une bande et accoler les spires pour former la culasse.
22. Procédé selon l'une des revendications 19 à 21, caractérisé par le fait qu'il comporte l'étape consistant à découper les éléments de circuit d'encoches de manière à ce que ces derniers aient sensiblement la même orientation des grains.
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