Brevet FR2044790A1 — publié le 19710226

20iA790 L'invention, rentrant dans le secteur des machines électriques ou moteurs électriques tournants, concerne une disposition d'isolement destinée à une machine électrique exigeant un isolement particulièrement élevé, par exemple en ce qui concerne 5 l'isolation de protection ; elle concerne aussi un procédé d'établissement d'une telle disposition d'isolement. Les normes d'isolement des différents pays en ce qui concerne les appareils électriques, en particulier les moteurs, sont devenues plus strictes avec les années et par suite il est 10 devenu plus difficile de se conformer à ces normes de façon économique. Il est vrai qu'il est possible d'agrandir les appareils pour obtenir les épaisseurs d'isolement, les espacements d'isolement et les lignes de fuite (parcours de courant de fuite) qui sont nécessaires. Mais on a besoin alors de plus de matière, 15 l'appareil prend de plus grandes dimensions et dans le cas de moteurs de faible puissance, le poids par unité de puissance et la puissance par unité de volume deviennent notablement moins satisfaisants ; le rendement diminue également. En outre, dans bien des cas, il n'est pas possible d'augmenter les dimensions 20 d'un moteur, car les dimensions d'installation sont fixées. Il est déjà connu, pour des applications déterminées, d'utiliser une couche, isolante qui recouvre complètement le stator d'une machine électrique, y compris les têtes d'enroulement et jusqu'à l'entrefer. Les procédés connus d'établissement d'une 25 telle disposition d'isolement partent d'un dispositif de stator muni d'enroulements insérés qui, en général, ont déjà été imprégné* une fois. Pour protéger,•pour certaines utilisations, ce dispositif dé stator déjà terminé contre l'humidité ou la corrosion, un procédé consiste à le gainer de matière synthétique 30 en une opération supplémentaire. Dans un autre procédé, on coule une résine appropriée dans le dispositif de stator et simultanément, on fixe au moyen de la résine de coulée deux flasques de palier en métal. Ce dernier mode, de construction est particulièrement destiné à un moteur qui doit fonctionner sous l'eau. 35 Toutefois, l'inconvénient de ces dispositions d'isole ment connues est qu'habituellement l'entrefer du moteur est si petit que l'isolement assuré par la distance d'air entre stator et rotor n'est pas suffisant, par exemple comme isolation de protection et qu'il risque de s'établir par le rotor une liaison 4-0 électrique avec les pièces du stator. 70 16223 CL 20^790 C'est pourquoi, dans les appareils électriques où un isolement strict est exigé, il est aujourd'hui usuel d'utiliser une enveloppé de matière synthétique qui isole complètement l'appareil ; cela se fait par exemple pour les outils électri-5 ques (perceuses, etc...). Mais ces enveloppes de matière synthétique dissipent mal la chaleur engendrée par l'appareil et étant donné leur mauvaise stabilité mécanique, elles nécessitent de grandes dimensions. En outre, il faut le plus souvent les renforcer par-des couches intérealaires appropriées de mé-10 ta-1 pour obtenir la stabilité de forme voulue et, 4f: PÏUS*.. étant donné la nécessité d'avoir de bonnes propriétés mécaniques pour la matière isolante, on est limité à des matériaux déterminés dont les propriétés d'isolement électriques ne sont pas -idéales dans tous les cas. Aussi le constructeur préféra^^^àsns 15 la plupart des cas, utiliser des enveloppes ou au moins des parties d'enveloppe en métal. C'est pourquoi l'un des buts de l'invention est de fournir une disposition perfectionnée d'Isolement qui permet, en particulier dans les moteurs électriques de faible puissance, 20 d'améliorer les propriétés d'isolement sans augmenter notable-" ment les dimensions de l'appareil. Pour la solution du problème, il -suffirait en principe de n'isoler électriquement que les parties électriquement actives. Mais étant donné que le résultat désiré doit être atteint, 25 de préférence, justement dans le cas d'un moteur électrique de faible'puissance et qu'un isolement de protection des conducteurs. d""encoche entraînerait alors un taux de remplissage d'encoches excessivement faibie-ainsi que d'autres inconvénients sérieux, le prihci'pe général de la solution, appliqué à une machi-JO ne électrique de faible puissance, consiste à-isoler directement les parties électriquement e1r magnétiquement actives du stator et du rotor vis—à—vis des autres, parties'métalliques de l'enveloppe qui arrivent à l'extérieur. Cependantdans les 'machin e s de - f àib le puissance, en 35 J -incluant pfâr exemple les moteurs-à pôles fendus, on rencontre le cas d'un enroulement: à disposition concentrée sur1 un corps > - • moulé-de bobiné:-ou,/par exémplè^-celui'd'un rotor massif à cou-> rants de Foucaultr'ôù -la partie électriquement active est-en nême "tempë' magné.tiquémént*- active.. - - - - ' 40 Selon l'invention, on-'résout donc le-problème, dans une GOPY 70 16223 5 2044790 machine électrique de faible puissance, par le fait que les parties électriquement et magnétiquement actives du stator et du rotor sont directement isolées à l'intérieur du moteur, par des coucb.es isolantes, vis-à-vis de l'arbre, du flasque de 5 palier et d'autres parties métalliques du moteur. Dans un moteur à rotor extérieur, on obtient une construction particulièrement avantageuse si le paquet de tôles du stator et l'enroulement qui.lui est lié sont isolés, par une couche isolante, des autres parties métalliques du moteur et si 10 la partie magnétiquement active du rotor extérieur qui coopère avec le stator est isolée des parties métalliques porteuses du rotor extérieur. En cas d'isolement défectueux du stator' s'il se formait un shuntage conducteur sur l'entrefer,'il ne pourrait en résulter de dommage car, dé son côté; la partie magnétiquement 15 active du rotor est également isolée et, par suite, aucune liaison électrique ne peut en partir vers l'extérieur. Dans des machines ou appareils électriques présentant des bobines moulées sur mandrins, on obtient une construction " particulièrement avantageuse si le mandrin de bobine constitue 20 lui-même une couche isolante qui sépare du reste de la carcasse la partie électriquement active. A cet effet, on donne de préférence au mandrin de bobine une structure telle qu'il présente une section en U dont les extrémités de branches présentent, sur leurs côtés tournés l'un vers l'autre, des surfaces ondulées et 25 l'espacement situé au-dessus de l'enroulement, entre les branches ainsi constituées, est rempli de matière isolante. Grâce à la-surface ondulée, on obtient ainsi une ligne de fuite notablement accrue à travers lé.._3.oint. - capillaire notablement plus long,- par exemple, en zig-zag ou en labyrinthe., qui répond aux 30 conditions imposées plus sévères. 3}.'autres détails et perfectionnements avantageux de l'invention apparaîtront dans les exemples d'exécution, décrits ci-après -et représentés'-gar..les dessins- sur;.lesquels- . ; .la figure L montre un premier'.exemple" d'exécution d'un 55 moteur à, rotor extérieur présentant une disposition d.'isolement ;.selon l'invention -;. ' .. ." •. -. " , . la, figure 2 .montre un- .moteur à rotor intérieur muni d'une disposition- d-'.isolement selon l'invention '; :. la figure 3 montre un. moteur à pôles- fendus, muni d'une 4-0. disposition d'isolement selon l'invention, et ^ CCffl 70 16223 4 2044790 la figure 4 montre un deuxième exemple d'exécution d'un moteur à rotor extérieur conçu selon l'invention. La figure 1 montre un moteur à rotor extérieur, c'est-à-dire un moteur dont le rotor 1 est disposé à la périphérie et 5 est lié à ion arbre central S- Le rotor extérieur 1 présente une partie électromagnétiquement active 2 qui est séparée de la structure porteuse du rotor 1 par une couche isolante selon l'invention, 3- Cette partie active 2 peut être par exemple un cylindre de .cage, un anneau de matière hystérétique ou un anneau lOen fer à courants de Foucault. La structure porteuse 1 peut être avantageusement au moins en partie.en matière synthétique. La couche 3- présente des bords en saillie ^ et 5 qui servent à allonger les parcours de courant de fuite et les distances d'air entre la partie électromagnétiquement active 2 et la par-15 tie porteuse 1 et donc à satisfaire les normes. Sans le rotor 1 sont prévus des évidements 6 destinés au passage de l'air ; ces évidements 6 sont situés entre des nervures 7 portent au centre, grâce à un coussinet 9, l'arbre 8 qui est monté dan* un fourreau porte-paliers 13. 20 Le stator 10 comporte un paquet de tôles 11 muni de têtes d'enroulement 12 avec un enrobage d'au moins 1 mm d'épaisseur de matière. Entre le paquet de tôles 11 et le fourreau porte-paliers 13 se trouve une autre couche isolante 14 qui sépare directement du reste de lai carcasse les parties électro-25 magnétiquement actives du. stator, de sorte que le moteur ne risque pas d'être mis sous tension par suite de défectuosités électriques du stator. Egalement on voit qu'en cas de contact entre le paquet de tôles 11 et la partie 2, magnétiquement active, du rotor on ne court pas de danger, car la couche isolante 3 isole 30 cette partie 2 vis-à-vis de la partie porteuse 1 et à cause des bords en.saillie 4, 5 le contact avec la partie 2 n'est pas possible. De même que la couche 3, la couche isolante 14 peut être une pièce coulée, injectée, collée ou pressée ou bien un 35 tube isolant préfabriqué. Les têtes d'enroulement 12 reçoivent une coiffe de protection 15 pour assurer un isolement suffisant vis-à-vis des pièces de carter voisines. Si l'on emploie un tube isolant 14, il peut être avantageusement coulé conjointement avec les coiffes d'isolement de protection' 15, en une même opéra-40 tion avec ou sans fourreau porte-palier 13 rapporté. Dans la 70 16223 5 2044790 masse de la pièce dsimprégnation et d'isolation 15 on forme, ou insère avantageusement des pièces de refroidissement 15 ayant la forme de talons ou de nervures. Ces pièces de refroidissement servent à augmenter la surface à refroidir et à créer des 5 tourbillons dans l°air de refroidissement„ L'obstacle à l'évacuation de la chaleur3 constitué par les couches isolantes 3» 14 et 15 selon l'invention, est compensé par l'augmentation de la ventilation accrue, les canaux- de projection d'air 6, l'accroissement de surface dû aux 10 nervures 16 et le meilleur tourbillonnement de l'air, Quand on utilise, pour former l'enveloppe 1 du rotor, des parties en matière, synthétique, la convection de la chaleur doit être également renforcée à partir de cette enveloppe. La figure 2 montre un moteur à rotor intérieur. Les 15 parties électriquement et magnétiquement actives 22 et 21 de son stator sont entourées d'une couche protectrice isolante 23 et isolées du carter 24 et des flasques de palier 30. La figure 2 montre, en ses moitiés supérieure et inférieure, des coupes longitudinales ds constructions différentes. Dans le haut, la 20 couche isolante 23 qui entoure les parties actives du stator sert à les isoler du carter 24 qui est relié aux flasques de palier par des pinces la recouvrant en direction axiale et dont les extrémités recourbées et élastiques s'engagent dans des creux des flasques de palier. Dans le bas, on a représenté un 25 carter présentant des ailettes de refroidissement 25 coulées par dessus. Le rotor 26 nécessite seulementtimê couche isolante 27 (de préférence un tube isolant préfabriqué) par dessus 1'arbre 28 pour isoler du reste du carter sa partie magnétiquement active 26 et 1 ' anneau' de court-circuit 29. L ' arbre 28 du 30 rotor 26 est monté dans des paliers 32 des flasques de palier 30. La figure 2 montre en outre deux constructions différentes du rotor. Dans l'une d'elles, à gauche, des ailettes de refroidissement 31 sont coulées ou encastrées sur un anneau de court-circuit 29. 35 Pour beaucoup de modes de construction, il serait avan tageux qu'un élargissement conique du tube isolant 27 partant de 1 ' extrémité du paquet de - tôles s ' étende entre 1 ' arûaeau de court-circuit à ailettes coulées 31 et le palier 32. Etant donné que le tube isolant 27 s'élargissant ainsi serait situé entre, le 40 palier 32 et l'anneau de court-circuit ou les ailettes de refroi- 70 16223 2044790 dissement 31 > on n'aurait pas besoin de respecter entièrement la distance d'air prescrite entre le palier et les parties d'anneau de court-circuit. Un chapeau isolant annulaire posé sur l'anneau de court-circuit et qui pourrait par exemple porter 5 lui-même de petites ailettes radiales de ventilation- permettrait également (par exemple?) de ramener l'espacement entre les flasques métalliques de palier et les parties d'anneau de court-circuit d'un rotor à cage à une valeur plus petite que la distance d'air prescrite en principe* 10 La figure 3 montre en coupe une partie d'un moteur à rotor intérieur à pôles fendus dans lequel des bobines moulées 42 sont disposées sur un corps de bobine en .ïï, 41. L'enroulement 42 est bobiné à peu. près complètement dans la section du corps de bobine 41, à part ses extrémités de branches 43 qui sont 15 nervurées ou ondulées et il procure un remplissage élevé du cuivre. Une matière d'enrobage 44 entoure çomplètement de matière isolante la section de cuivre, de sorte qu'entre le corps 41 et la matière d'enrobage 44, il pourrait tout au plus se constituer un joint capillaire pouvant être considéré comme un parcours 20 de fuite. Grâce à une structure selon l'invention, par exemple sinueuse, on peut facilement donner à ce joint capillaire une longueur plus grande que celle du parcours de fuite exigé. La figure 4 montre un deuxième exemple d'exécution d'un moteur à rotor extérieur selon l'invention. Dans cet exem-25 pie, le rotor 51 est formé- en partie par une pièce de matière synthétique. La partie électromagnétiquement active 52 est insérée dans la partie 51» en étant protégée des contacts. Par contre, le fond 53 clu rotor est en tôle d'acier et offre donc la stabilité mécanique nécessaire ; il a une forme en plateau 30 ou cuvette et est noyé dans la matière injectée de la carcasse de matière synthétique 51 et relié à un arbre 60 qui est monté dans un manchon à paliers 54. Le manchon porte-paliers 5^ constitue ici une pièce coulée sous pression ; sur celui-ci est fixé le; paquet de tôles 55 muni de l'enroulement 56 et "que l'on peut 35 entourer, sur le manchon à paliers 54,.de matière isolante 57 coulée ou injectée, les encoches annulaires 58 prévues sur le manchon 54 assurant une liaison sûre entre le manchon 5^- et le paquet de tôles 55'• Mais le paquet d* enroulement peut aussi être . entouré séparément, à l'intérieur et à l'extérieur, d'une matiè— 40 re isolante injectée ou coulée et être ensuite fixé sur le COPY 70 16223 n l 2044790 manchon à paliers 54-» Comme on l'a représenté^ revêtement isolant 57 de la tête d'enroulement est muni, sur son côté tourné vers le fond 53 du rotor, de nervures 59 dirigées radialement et servant à augmenter la dissipation de chaleur. 5 Ainsi, la disposition d'isolement selon l'invention est simple à réaliser et permet de satisfaire même des normes d'isolement strictes, surtout en ce qui concerne la longueur des entrefers et des parcours de fuite (lignes de fuite). Dans bien des cas, avec la structure selon l'invention, il n'est pas né-10 cessaire d'augmenter les dimensions du moteur et la puissance nominale peut rester à peu près la même pour une température limite donnée. L'imprégnation et 1'isolation^protection peuvent être réalisées en une seule opération ; en même temps, la résistance à la corrosion est notablement améliorée, surtout en 15 atmosphère corrosive. Quand on utilise des fils doublement vernis, les enroulements peuvent servir, pour beaucoup de cas d'application, sans isolement de séparation de phases et de séparation de bobines, puisque l'imprégnation appliquée est mieux que' normale. En même temps, les couches séparatrices isolantes as-20 surent un bon amortissement, des bruits à l'endroit même où ils se produisent, c'est-à-dire que l'on obtient en outre leur très bon amortissement. Grâce aux pièces de refroidissement encastrées dans la couche isolante, la surface de refroidissement est. augmentée et la turbulence de l'air de refroidissement à 25 l'endroit des têtes d'enroulement est accrue. La dissipation de chaleur de la tête d'enroulement est améliorée. Les paliers du moteur et l'arbre sont isolés de la chaleur engendrée par l'enroulement de stator par la-.couche isolante entre le manchon porte-paliers et le paquet" de tôles, ce qui fait que le moteur 30 se passe largement d'entretien (plus grande durée dès paliers). En outre, des'mesures individuelles d'isolation assurent une moindre longueur axiale de construction. ' L'application de l'invention à un moteur à rotor extérieur à hystérésis est particulièrement' avantageuse. Dans un 35 moteur à rotor intérieur,- on peut en effet utiliser sans inconvénient des bobines moulées comportant ûn corps de bobine et l'isolement de protection .peut'alors être assuré par là structure donnée selon l'invention aux corps de bobine. Mais l'application de bobines moulées avec corps de bobine entraîne en principe 40 certaines difficultés, dans le cas d'un moteur à rotor extérieur. COPV 16223 8 2044790 L'inconvénient concernant l'isolement, à savoir que dans le cas d'un rotor extérieur on ne peut pratiquement pas utiliser de corps de bobine, perd de son importance par l'application de la disposition d'isolement selon l'invention. 5 Quand on choisit convenablement les matières isolantes, on peut obtenir dans un moteur à rotor intérieur une réduction particulièrement poussée du'bruit du fonctionnement. La fermeture en labyrinthe selon l'invention et l'enrobage de corps de bobine munis de bobines moulées permettent de respecter les 10 parcours de fuite exigés et même des ligaes de fuite plus grandes 9 sans qu'il soit nécessaire pour autant .d * augmenter notablement les dimensions de profil bobines moulées. Les dispositions selon l'invention peuvent aussi s'appliquer à des appareils autres que des machines électriques, 15 par exemple à des systèmes d'aimants de traction. 70 16223 O ✓ 2044790 REVENDICATIONS 1. Disposition d'isolement pour appareil électrique en forme de machine électrique comportant une enveloppe ou carcasse avec des parties métalliques et exigeant un isolement élevé, 5 par exemple une isolation de protection, caractérisé en ce que les parties électriquement et magnétiquement actives du stator et du rotor sont directement isolées par des couches isolantes, vis-à-vis de l'arbre, du flasque de palier et d'autres parties métalliques de la machine qui établissent une liaison conduc-10 trice avec l'extérieur. 2. Disposition selon la revendication 1, caractérisés en ce que des parties en liaison conductrice avec les parties électriquement ou magnétiquement actives sont également isolées directement ou indirectement, par l'intermédiaire des parties 15 électriquement ou magnétiquement actives et par des couches isolantes, vis-à-vis des parties métalliques du moteur qui établissent une liaison conductrice avec 1'extérieur. 3. Disposition selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ■ - des paquets de t8le présentant des 20 parties électriquement actives disposées dans des encoches sont eux-mêmes isolés directement par des couches isolantes, vis-à-vis des parties métalliques du moteur qui établissent une liaison conductrice avec l'extérieur. 4. Disposition selon l?une des revendications 1 à 35 25 caractérisée en ce que, dans le cas d'un moteur à rotor extérieur, le paquet de tôles du stator et 18enroulement qui lui est lié sont isolés par une couche isolante des autres parties métalliques du moteur qui établissent une liaison conductrice avec l'extérieur et en ce que la partie magnétiquement active 30 du rotor extérieur, qui coopère avec le stator, et aussi sa partie électriquement active, sont isolées également des parties porteuses du rotor extérieur qui établissent .une liaison conductrice avec l'extérieur. 5. . Disposition selon la revendication 4, caractérisée 35 en ce qu'au moins la partie périphérique du rotor extérieur constitue une pièce isolante de matière synthétique qui maintient les parties magnétiquement actives. 6. Disposition selon l'une des revendications 4 et 5» caractérisée en ce que la partie périphérique est fixée à une 40 pièce métallique en forme de plateau ou cuvette, elle-même reliée 70 16223 10 2044790 à un arbre mené. 7. Disposition selon les revendications 5 caractérisée en ce eue la partie périphérique constituant une pièce de matière synthétique est fixée à -ladite pièce .métallique en 5 forme de plateau par de la matière synthétique injectée. 8. Disposition selon l'gne des revendications 4 à 7, caractérisée en ce qu'un, tube/paliers dans le moteur à rotor extérieur, qui porte le paquet-de tôles du stator et l'enroulement de stator, est muni de portions à encoche et entre ledit 10 tube et le paquet de tôles de stator est prévue une couche isolante continue, cette-couche isolante étant ancrée dans lesdites encoches. - - 9. Disposition selon la revendication 8, caractérisée en ce que la couche isolante s'étend par dessus les têtes d'enroulé lement de l'enroulement de stator: et des nervures de refroidissement sont constituées dans- la couche isolante, dans la région des têtes d'enroulement. 10. Disposition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, dans le cas d'un moteur à rotor inté- 20 rieur, le paquet de tôles du stator et l'enroulement qui lui est lié sont complètement isolés, par une couche isolante s'é-tendant par dessus l'extérieur du paquet de tôles et par dessus les têtes d'enroulement, vis-à-vis des autres parties métalliques du moteur qui établissent une liaison conductrice . 25 avec l'extérieur et le paquet de tôles du rotor est également isolé, au moins indirectement, par ûae. couche isolante, vis-à-vis de l'arbre mené et de toutes les autres parties du moteur qui établissent une liaison conductrice avec l'extérieur. 11. Disposition selon l'une deg revendications précéden-30 tes, caractérisée en ce,que les couches isolantes sont formées par imprégnation sous vide. • ;- / . 12..- Disposition selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les couches isolantes présentent des "■ bords1en saillie. . .. -. 35 13* Disposition selon l'une des revendications précéden- : tefij caractérisée en-.ce que la machine électrique est un moteur de-faible, puissance., 14-. Disposition,selon l'une des revendications précéden tes, caractérisée en ce que le mandrin" de "bobine d'un enroule-40 ment constitue lui-même la couche isolante qui sépare directe- pOPY ' 70 16223 2044790 ment la partie électriquement active du reste de la carcasse. 15. Disposition selon la revendication 14-, caractérisée en ce que le mandrin de bobine présente une section en ïï dont les extrémités de bran.ch.es présentent sur leurs côtés tournés 5 l'un vers l'autre des surfaces ondulées ou nervurées (par exemple sotis forme sinueuse) et l'espacement situé au-dessus de l'enroulement entre les branches ainsi constituées est rempli de matière isolante. 16. Disposition selon l'une des revendications précédentes, 10 caractérisée en ce que les couches isolantes font corps avec une autre imprégnation ou un autre isolant. 17. Procédé d'établissement d'une disposition d'isolement selon l'une des revendications précédentes, en particulier selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'on effectue la 15 réalisation des couches isolantes et l'imprégnation en une seule opération. 18. Procédé selon la revendication.'.17, caractérisé en ce que cette opération unique est un processus d'imprégnation sous vide. 20 19. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans des joints d'un outil de fabrication, par exemple d'un moule de coulée de résine ou d'un moule de moulage par injection, on insère des éléments métalliques de refroidissement, par exemple des ailettes ou plaques de re-25 .froidissement ou des nervures métalliques,et on relie ainsi ces éléments de refroidissement à la couche isolante. 20. Disposition d'isolement selon l'une des revendications précédentes, en particulier selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une coiffe '.'.isolante annulaire est appliquée 30 sur l'anneau-de court-circuit d'un rotor à cage (par exemple) ou sur des ailettes de ventilation ou broches coulées sur celui-ci, la coiffe présentant de préférence elle-même de petites ailettes radiales de ventilation. " 21. Disposition selon l'une des revendications précéden-35 tes, en particulier selon."la revendication 10, caractérisée en ce que la couche isolante-'qui isole lés parties électromagnétiquement actives-du rotor vis-à-vis de 1'arbre mené et d'autres parties établissant une liaison' conductrice avec l'extérieur s'élargit .soit en gradins, soit de façon continue, et conique, 40 sensiblement de l'extrémité du paquet de tôles'au flasque de -palier. ' * • - cofT > — J !