Brevet FR2138058A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne les machines électriques munies d'un rotor et d'un stator comportant des pôles enroulés séparément et des conducteurs pour le flux magnétique entre les pôles ainsi que des dispositifs de support de paliers en forme 5 de curette fixés à leur extrémité de grande dimension au stator et supportant à leur extrémité de petite dimension un palier de rotor. Dans un moteur ordinaire ayant une puissance de sortie inférieure à 1 kv, à la tension nominale, 50 à 80 du courant 10 d'excitation sont consommés pour produire le flux magnétique entre le stator et le rotor tandis que le reste du courant est utilisé pour aimanter le fer. Le courant en l'absence de charge est en cors équence habituellement assez élevé par rapport au courant nominal de fonctionnement. Ceci est spécialement le cas 15 dans les moteurs bipolaires dans lesquels le rendement est très faible. Bans de tels moteurs bipolaires, appelés moteurs à enroulement en court-circuit, un enroulement supplémentaire court-circuité est disposé dans l'entrefer pour obtenir un couple de démarrage, cela toutefois au dépend du rendement qui est si 20 faible que l'utilité du moteur se trouve très limitée. De ce fait, la puissance de sortie dans les moteurs classiques à enroulement court—cii-cuité est limité à 20 V au plus. Pour cette raison, il est évidemment souhaitable de réduire l'entrefer entre le rotor et le stator afin de diminuer les pertes 25 dans l'entrefer de 80 ^ à 40 - 50 fat ordre de grandeur qui est acceptable dans des moteurs de puissance plus élevée. De cette façon, il serait possible d'atteindre un rendement du même ordre de grandeur que dans les machines de puissance élevée. Toutefois, en raison de la conception structurale des 30 moteurs classiques comportant des pôles enroulés séparément et dans lesquels on ne peut pas obtenir un évidement ou cavité logeant le rotor ayant la configuration désirée ainsi qu'un alignement satisfaisant, du point de vue des tolérances et de la stabilité, du rotor par rapport à lfévidement logeant le rotor, il n'est pas 35 possible d'augmenter le rendement dans une mesure digne d'être mentionné. C'est pourquoi, dans la présente invention, les pôles de la machine électrique sont pourvus de dépôts ou formations de laque durcissable (résine), de composé isolant ou analogues qui cons— 40 tiiuent des surfaces de guidage circulaires précises pour le 72 17693 2 2138058 support de palier aux parti??; de surface d'extrémité intérieure (dans le sens radial) des pôles. La conception de acteur conforma à la présente invention réduit la partie d'entrefer qui a un rapport avec le courant 5 d'excitation et, en même temps- rend possible l'utilisation d'autres conceptions permettant d'améliorer le rendement qui peut en outre être obtenu à un prix de revient plus faible que dans les agencements classiques. On va maintenant décrire la présente invention de façon 10 détaillée en se référant au dessin sur lequel : les figures 1 à 3 illustrent l'état de la technique décrit ci—dessus ; la figure 4 est une coupe longitudinale ; la figure 5 est une vue en bout, partiellement en coupe, 15 d'un moteur bipolaire conforme à la présente invention ; la figure 6 est une vue en perspective d'un pôle magnétique comportant des formations ou éléments plastiques moulés sur ce pâle ; la figure 7 montre un détail d'une telle formation ou 20 élément plastique destiné à être placé dans le support de palier et à adhérer à ce support ; la figure 8 montre comment les formations ou éléments plastiques sont amenés à emprisonner l'enroulement de pôle magnétique et constituent, de ce fait, des éléments de connexion 25 structuraux vis-à-vis de la culasse du stator ; la figure 9 illustre la culasse du stator ; la figure 10 est une vue en perspective d'un moteur bipolaire conçu conformément à la présente invention. La figure 1 montre schématiquement le trajet du flux 30 magnétique à travers un moteur bipolaire comprenant un stator 1 et un rotor 2. Les pôles 3 sont reliés entre eux par une culasse 4. Le flux magnétique 5 traverse les pôles et la culasse, comme représenté par la flèche 5, et, de ce fait, des pertes se produisent dans le fer. La perte dominante dans l'entrefer (environ 80 %) 35 a lieu lorsque le flux traverse l'entrefer 6. Sur la figure 1, l'enroulement statorique est référencé 7. Pour obtenir un flux magnétique homogène, il faut que l'entrefer 6 soit extrêmement uniforme, tant dans le sens circonférenciel que dans le sens axial, le long du rotor. Dans la structure classique de moteur, on ne 40 peut pas obtenir le résultat recherché, ce qui apparaît clairement 72 17693 3 2138058 à la lecture de la description de la figure 2 faite ci-après. La figure 2 montre schématiquement une section du moteur de la figure 1 et met en regard les erreurs de dimension qui se produisent toujours dans une fabrication classique. Les tôles 5 empilées du stator forment deux pôles relativement rigides 3, reliés entre eux par des parties formant culasse 4. Ces dernières ont une résistance mécanique extrêmement faible et comporte habituellement des perforations 10 destinées à la fixation des supports de palier (paliers-flasques) ou analogues. Déjà, 10 lorsqu'on découpe à la presse les tôles constituant le feuilletage du stator, le profil de ces tôles se déforme en raison de plusieurs facteurs tels que les variations de dureté de la plaque de tôle, la direction du feuilletage, les tolérances d'outil et l'usure ainsi que la manipulation des plaques de tôle et leur 15 assemblage. Les parties flexibles formant la culasse, en plus d'être affaiblies par les perforations 10, permettent facilement des déplacements 11 des pôles par rapport à leur axe commun 12. De ce fait, il se produit une déformation importante de la configuration de l'entrefer 10. Dans un seul et même pôle (les pôles 20 ont des longueurs périphériques particulièrement grandes), l'un des flancs 13 peut, de ce fait se trouver à une distance minimale ( ^ 0,1 mm) du rotor tandis que l'autre flanc 14 se trouve à une distance plusieurs fois supérieure ( >0,8 mm). En conséquence, il existe un flux magnétique fortement déformé, 25 un flux puissant étant présent en 13 et un flux très faible étant présent en 14. De plus, le pôle opposé peut être déplacé par rapport au centre, radialement- ou bliquement vers l'extérieur, de telle sorte que les entrefers 14 et 16 présentent des caractéristiques complètement différentes. Par ailleurs, lors de l'assemblage 30 d'un moteur classique, il se produit toujours des erreurs d'entrefer dans le sens axial le long du rotor. Il est donc parfaitement évident que ce type de moteur ne peut pas être utilisé pour des puissances élevées en raison de l'importance prédominante des pertes thermiques et économiques. 35 La manière utilisée dans l'assemblage des moteurs classiques pour fixer le support de palier ou le palier flasque aux parties de culasse 4 de faible résistance mécanique entraîne encore les risques d'un montage entièrement défectueux du rotor. En outre, le support àe palier classique est tel*du point de vue structural, 40 qu'il se^produit-facileaênt des flexions et des déplacements 72 17693 4 2138058 tandis que les dispositifs de fixation, habituellement des vis et des écrous présents dans la partie de culasse 10 contribuent à apporter des erreurs dimensionnelles ainsi que des déformations physiques. Il est souhaitable que le support de palier soit 5 rigide de la même façon dans toutes les directions car, s'il n'en était pas ainsi, des vibrations accentuées apparaîtraient facilement. Grâce à une structure de moteur conforme à la présente invention et décrite ci-dessois, pratiquement tous les problèmes 10 mentionnés ci-dessus se trouvent résolus. L'entrefer peut être réduit à quelques centièmes de millimètre seulement tandis que l'on peut obtenir des tolérances très serrées tant dans le sens circonférenciel que dans le sens axial. Les parties de culasse minces et de faible résistance mécanique ne sont utilisées 15 que pour fermer le circuit magnétique et non pas comme dispositif de support des paliers du rotor. Grâce à cette conception, le courant, en absence de charge, se trouve réduit d'environ 50 fo. La figure 3 montre schématiquement une coupe d'un moteur à enroulement court-circuité. Les deux pôles principaux 20 20 comportent, sur un de leur flanc, un évidement 21 dans lequel est logé une boucle de cuivre court-circuitée 22. Cette boucle produit, par induction, un flux magnétique distinct 23 qui assure au rotor un couple de démarrage et d'entraînement en rotation. Ce flux magnétique supplémentaire représente, bien entendu, au 25 moment même où il produit un couple, un facteur puissant de réduction de rendement en cours de fonctionnement. Les configurations d'entrefer décrites à propos des figures 1 et 2 ont une influence importante sur tin moteur de ce type car une diminution d'épaisseur de l'entrefer à l'endroit de la partie polaire 30 extérieure à 1'évidement entraîne un couple de démarrage fortement accru tandis que le flux à l'endroit de l'autre flanc de la partie polaire principale diminue. Le flux auxiliaire accru qui prend naissance pendant le démarrage réduit fortement le rendement en marche de régime. 35 Au début de la présente description, on a mentionné que les pertes dans le fer dans des moteurs du type mentionné ci-des-sus se situent entre 20 et 50 tfo du courant d'excitation. Les pertes dans le fer pourraient être réduites si les tôles "orientées dans le sens du flux" pouvaient être utilisées dans 40 les pôles du feuilletage du stator et dans les parties formant 72 17693 5 2138058 la culasse. Un tel feuilletage orienté dans le sens du flux a une valeuryu d'environ 20 000 par rapport aux tôles utilisées dans les dynamos classiques qui ont une valeur^u comprise entre 2000 et 3000. Si on essaye d'utiliser des tôles orientées dans 5 le sens du flux dans des moteurs classiques bipolaires, certaines parties du stator présentent cependant une direction propice à un flux puissant, ce qui a une influence négative sur les résultats techniques. Il faut garder aussi à l'esprit que cette plaque de tôle est plus coûteuse que la plaque de tôle classique. 10 Par ailleurs, la proportion de déchets est habituellement très importante. Grâce à la présente invention que l'on va décrire ci-dessous, on peut avantageusement utiliser des tôles à grains orientés dans le sens du flux, grâce à quoi on peut obtenir une amélioration de 20$ du courant en l'absence de charge en ce 15 qui concerne les pertes dans la tôle. De plus, le stator peut être réalisé de façon telle que l'on obtient une très faible proportion de déchets, à savoir 10 à 20 $ par rapport aux 50 fio habituels. La figure 4 montre une coupe longitudinale et la figure 5 est une vue en bout, partiellement en coupe, d'un moteur bipolaire 20 conforme à l'invention. Les pôles magnétiques 3 sont pourvus à leurs surfaces d'extrémité 25, de formations ou éléments moulés plastiques 26 qui forment des éléments d'alignement et de fixation pour les supports de palier 27 et 28 qui relient entre eux les pôles magnétiques 3. Ces supports de palier forment des paliers 25 servant au rotor 2. Avant de mettre en position le rotor, on moule les formations ou éléments plastiques 26 à l'aide d'un mandrin de manière à obtenir des surfaces de guidage extrêmement précises 29 et des surfaces de butée 30 vis-à-vis de la surface circonférencielle cylindrique et intérieure 31 des pôles magné-30 tiques se trouvant en regard du rotor 2. Le moulage des masses en matière plastique 26 est réalisé de telle manière que les parties des tôles du stator qui forment la culasse n'ont aucune influence sur les surfaces d'alignement et de guidage relatives à 1'évidement logeant le rotor, que les partiss formant culasse 35 soient ou non découpées d'une seule pièce avec les pôles ou séparément par rapport à ceux-ci. Lorsque les pôles magnétiques 3 sont réunis au moyen des supports de palier 27 et 28, on obtient un dispositif dans lequel l'alignement et le positionnement central du rotor 2 est tel qu'il n'entraîne que des divergences 40 extrêmement faibles dans l'entrefer entre les pôles magnétiques 3 72 17693 6 2138058 et le roter 2 à la fois dans lo sens axial 32 et 33, respectivement, que dans le sens périphérique 34 et 35 respectivement. Grâce à cette disposition constructive, l'entrefer peut être réduit à un minimum et ceci signifie que les pertes dans l'entrefer 5 se trouvent extrêmement réduites. De ce fait, l'homogénéité et l'uniformité du flux magnétique aont maintenues et, en même temps, on obtient un moteur présentant une puissance de sortie plus élevée et des pertes réduites. La figure 5 montre, dans la partie inférieure, comment la 10 partie de culasse 36 du stator a été découpée à la presse directement* dans le feuilletage du stator tandis que cette figure montre, dans la partie supérieure, une culasse de stator 37 fabriquée séparément. Lors du moulage de la formation ou élément plastique dans le premier cas, les pôles 3 ont été poussés dans 15 le sens radial contre le mandrin, grâce à quoi la partie de culasse 36 de faible résistance mécanique en épouse la forme dans la mesure nécessaire. Lors de l'assemblage final avec les supports de palier, les pôles prennent de nouveau la position qu'ils avaient 1ers du moulage des masses ou éléments 26. En outre, 20 dans cet ensemble, les supports de palier et leur fixation doivent être résistants au point que les efforts provenant des déformations mineures induites par force dans la partie de culasse n'aient pas une influence préjudiciable sur la précision de la forme des supports de palier ou sur leur ajustement. 25 Si la partie de culasse 37 est découpée séparément, il est possible d'appliquer l'enroulement inducteur ou de champ 7 à partir de l'extérieur et, de ce fait, de réduire les dimensions du moteur. On peut, en même temps, adapter étroitement l'enroulement inducteur ou de champ aux dimensions du pôle, grâce à 30 quoi on peut réduire la quantité de cuivre utilisée. Ceci est valable quel que soit le nombre de pôles. Dans des moteurs quadripolaires, par exemple, la réduction des dimensions peut encore être plus grande. La figure 6 est une vue partielle d'un moteur électrique 35 dans lequel les pôles magnétiques 3 ont été pourvus, au moyen d'une opération de moulage, des formations ou éléments plastiques 26 et de corps 40 quirelient entre elles les formations 26. Ces dernières comportent des surfaces de butée 30 et des surfaces d'alignement 29 tandis que les corps 40 sont prévus pour relier 40 entre elles les tôles du pôle magnétique et à guider l'enroulement 72 17693 7 2138058 de champ. La figure 7 est une vue partielle de la formation ou élément plastique moulé 26, la surface d'alignement circulaire 29 de cette formation comportant des surfaces d'étanchéité 41 sur 5 ses flancs. Le but de ces surfaces d'étanchéité est d'empêcher la matière collante ou composition de moulage de pénétrer dans 1'évidement réservé au rotor à partir de la surface de moulage 42 lorsque le support de palier est fixé, par exemple par collage. La figure 8 est une vue en perspective partielle d'un pôle 10 magnétique 3 pourvu d'un enroulement de champ 7 et d'une culasse de stator 45. Ces éléments ont été assemblés par moulage au moyen d'une laque ou composé de moulage 46 de telle sorte qu'ils forment un bloc rigide comportant des surfaces d'alignement et de butée 29 et 30 nécessaires pour fixer les supports de palier. 15 La figure 9 est une vue en bout d'un moteur dans lequel les pôles 3, la culasse de stator 37 et les enroulements 7 ont été assemblés par moulage aux supports de palier 27 au moyen d'une masse de substance plastique de laque 50. La figure 10 est une vue en perspective du même moteur 20 donnée afin de faciliter la compréhension de l'invention. 72 17693 8 2138058 - REVENDICATIONS - 1.— Machine tournante électrique comprenant un rotor et un stator comportant des pôles enroulés séparément et des conducteurs pour le flux magnétique entre les pôles ainsi qu'un dispositif 5 de support de palier en forme de cuvette fixé à son extrémité de grande dimension au stator et supportant à son extrémité de petite dimension un palier de rotor, la machine tournante électrique susvisée étant caractérisée par le fait que les pôles sont pourvus d'éléments moulés ou formations de laque durcissable, 10 en composé isolant ou analogue qui forment des surfaces de guidage circulaires destinées au support de palier à l'endroit des parties de surfaces d'extrémité intérieure dans le sens radial des pôles et par le fait que le support de palier constitue, conjointement avec les pôles, un bloc assemblé rigidement compor-15 tant un évidement qui est destiné à loger le rotor et a une configuration conçue à l'avance, l'unité précitée guidant le rotor coaxialement à l'intérieur de 1'évidement destiné au rotor. 2.- Maahine tournante électrique suivant la revendication 1, 20 caractérisée par le fait que les éléments moulés ou formations en laque ou analogue comportent une surface de liaison, séparée -des surfaces de guidage, pour fixer le support de palier au noyau du stator par collage ou moulage et par le fait que lesdits éléments ou formations comportent des parties latérales ou flancs 25 d'étanchéité s'étendant dans le sens circonférenciel de telle sorte que la colle eu la substance de moulage ne puisse pas s'écouler dans cette direction pendant le collage ou le moulage. 3.- Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications I et 2S caractérisée par le fait que les 30 éléments moulés ou formations en laque ou analogue entourent les surfaces latérales des pôles. 4.- Machine tournante électrique suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que les éléments moulés ou formations emprisonnent l'enroulement de champ. 35 5.~ Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les parties du stator qui conduisent le flux magnétique entre les pôles ont des dimensions telles que l'on peut, obtenir le flux magnétique nécessaire et, qu'en même temps, en obtient une élasticité telle, 40 du point ds vus mécanique, que la position relative des pôles 72 17693 9 2138058 peut être déterminée indépendamment de ces parties du stator. 6.- Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que les parties de stator conduisait le flux magnétique sont fabriquées séparément par rapport aux pèles et sont reliées magnétiquement à ces derniers. 7«- Machine tournante électrique suivant la revendication 6 caractérisée par le fait que les parties de stator conduisant le flux magnétique sont reliées au pôle au moyen d'éléments moulés ou formations en laque ou analogue qui forment des surfaces de guidage. 8.— Machine tournante électrique suivant la revendication 6 caractérisée par le fait que les parties de stator conduisant le flux magnétique sont reliées aux pôles au moyen de colle ou d'une masse moulante qui fixe le support de palier au noyau du stator. 9.- Machine tournante électrique suivant 1'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée par le fait que l'enroulement de champ entoure étroitement le corps du pôle. 10.— Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée par le fait que l'espace compris entre, d'une part, les flancs du corps de pôle dans 1'évidement logeant le rotor et, d'autre part, une partie de stator juxtaposée radialement, tangentiellement ou circonféren— ciellement est considérablement plus petit que la dimension transversale de l'enroulement de champ. 11.- Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisée par le fait que les parties de stator conduisant le flux magnétique sont constituées par des tôles empilées dont la dimension la plus grande est parallèle à l'axe du moteur. 12.- Machine tournante électrique suivant l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisée par le fait que les pôles et/ou les parties de stator conduisant le flux magnétique sont constituées par des tôles empilées ayant une structure de grain orientée dans le sens du flux. 13.- Support de palier pour machine électrique tournante suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait qu'il présente une forme essentiellement tronconique et symétrique de révolution.