Brevet FR2243512A1 — publié le 19750404

La présente invention se rapporte aux noyaux magnétiques bobinés pour machines él-ectrodynamiques, ainsi qu'aux procédés de fabrication de ces noyaux0 L'appareillage électrique exige des noyaux de diverses configurations, et différentes techniques ontété appliquées pour la formation de ces noyaux. Par exemple, les noyaux de rotors et de stators de machines électrodynamiques telles que les moteurs, sont habituellement fabriqués, selon la pratique commerciale, par découpage- d'un certain nombre de tôles dont la configuration est celle de la coupe transversale désirée du noyau, empilage des tôles pour former un noyau de la longueur désirée, assemblage des tôles par quelque moyen approprié, et à placer les enroulements conducteurs aux positions voulues de l'empilage des tôles. Ce procédé exige que la configuration des tôles présente des encoches constituant les positions de l'enroulement, et les tôles doivent donc être en alignement précis, Le découpage des tôles pour former les positions d'encoches produit dans l'acier des déchets et restreint le modèle du moteur à celui présentant des encoches rectilignes dans le sens axial, en pratique. Pour certains usages, il serait désirable dé pouvoir fabriquer des encoches courbes dans le sens axial0 Une autre caractéristique de ce genre de construction réside dans le fait que la longueur du noyau, à l'entrefer entre le stator et le rotor, doit nécessairement être le même que celui auquel se situe le fil magnétique car le noyau est essentiellement un cylindre parfaitement circulaire. Ceci limite également les choix de modèle de moteurs. En outre, la présente technique apporte quelque limitation du nombre disponible de différentes configurations d'encoches du fait du prix des matrices de découpage des tôles et des problèmes posés par la production en grande série, par le contrôle d'un grand nombre de configurations de tôles. De plus, au cours du bobinage du fil dans les encoches d'un noyau ainsi formé, l'encoche ne peut être remplie à moins que le fil soit placé très soigneusement et tassé en place, d'où s'ensuivent des frais et des inconvénients considérables de production. Certaines autres techniques de formation de noyaux au moyen de tôles individuelles empilées ont été antérieurement proposé. L'une d'elle utilise un élément métallique continu SOU8 la forme d'une bande dans laquelle la configuration d'encoches désirée est découpée à l'emporte-piece. Cette bande est bobinée sur champ en hélice. Dans ce cas, la configuration résultante de noyau est essentiellement identique à celle obtenue avec les tôles individuelles étampées. Bien que cette technique puisse présenter des avantages dans certaines applications, elle n'apporte aucun perfectionnement dans la disposition des conducteurs et leur relation réciproque dans le corps du noyau. De plus, elle exige une complication mécanique pour former hélice bobinée sur champ avec un alignement précis des encoches. Il se produit encore le déchet dû aux encoches. Au cours des années, on a été intéressé par l'idée de former un noyau bobiné dont les bobines sont enrobées dans la matière magnétique du noyau par moulage de cette matière autour des bobines0 Bien que l'on pense que certaines propositions aient été faites dans ce sens, aucune ne s'est montrée avoir une utilité commerciale en raison de la difficulté de former la structure moulée désirée avec les propriétés magnétiques et mécaniques voulues. Récemment, on a réalisé certains progrès qui attendent l'essai de la pratique commerciale, mais semblent être une so- lution appc, tée à la formation des noyaux moulés.On pourra sQ référer aux demandes conjointes déposées le.même jour au nom de la même Société demanderesse pour "Production de noyaux magné n tiques" et pour "Stators moulés à partir de particules d'acier Cette technologie semble assurer une fabrication satisfaisante des noyaux moulés.Bien que l'on puisse s'attendre à ce que le passage de cette technologie à la réalité commerciale donne d'excellents résultats, il reste que le noyau moulé aura probablement une perméabilité faible par rapport à celle des tôles d'acier précédemment utilisées Cette faible perméabilité augmente la force magnétomotrice requise pour un flux total donné de la matière moulée par rapport à la matière antérieure de noyau, et comporte des implications en ce qui concerne les caractéristiques des moteurs résultants, susceptibles de limiter l'application de cette technique. Par exemple, la substitution directe d'un noyau moulé aux tôles empilées pourrait donner des moteurs exigeant un courant plus élevé de fonctionnement. On connaît également la formation d'un noyau magnétique bobiné dont la matière constituant le corps du noyau se compose de parties formées selon différentes techniques, telles que celle décrite dans le brevet Etats-Unis 755 819, concernant un noyau formé d'une combinaison de différentes parties dont l'une est une masse moulée de matière magnétique, et décrit deux modes de fabrication d'un noyau bobiné, notamment pour moteurs destinés à entraîner les broches des appareillages de filature. La partie principale du noyau de stator est constituée de deux moitiés de tôles empilées sans encoches. Les bobines de fil formées par ailleurs sont glissées sur chaque moitié de la partie principale de noyau et les deux moitiés sont boulonnées ensemble. Puis, selon l'une des formes de réalisation, des tôles intermédiaires pourvues d'encoches pour s'adapter à un côté des bobines sont enfoncées en place dans la partie principale de noyau précédemment formée. En alternative, l'inventeur indique qu'au lieu d'utiliser les tôles intermédiaires, on utilise un tassement de charges de fer, liées ensemble de quelque manière. Les techniques proposées impliquent de sérieuses difficultés qui nuisent à leur utilisation pratiquez Parmi ces difficultés est le fait que pour l'assemblage de la première partie de noyau sur les bobines, il est nécessaire de-prendre-des précautions considérables ou d'utiliser ùn équipement supplémentaire pour maintenir les bobines en relation mutuelle correcte et avec le noyau durant la formation de la seconde partie En outre, la configuration prévue des bobines laisse une partie appréciable decelles-ci éloignées de l'entrefer, ce qui n'est pas préférable pour un fonctionnement efficace. Selon la présente invention, un noyau magnétique bobiné pour machine électrodynamique comprend une première partie cylindrique composée d'une masse moulée de particules de matière magnétique, au moins une bobine d'un conducteur isolé s'étendant d'une extrémité à l'autre et enrobée dans cette masse de matière moulée; et une seconde partie de noyau composée de matière magnétique feuilletée, disposée sur la première partie. Avantageusement, la présente invention s'efforce d'assurer considérablement plus de souplesse dans la construction des noyaux pour machines électrodynamiques. On a reconnu que la technologie connue antérieure en ce qui concerne le moulage de matière conductrice ainsi que le bobinage d'unebande découpée de métal présentait des inconvénients tendant à restreindre leur usage individuel. La présente invention est principalement basée sur le fait qu'une combinaison de ces deux techniques générales peut donner un modèle de construction présentant une souplesse considérable et une économie de moyens. Selon l'invention, le noyau bobiné est constitué de deux parties. Les enroulements, qui sont préformés à la dimension et la forme désirées, sont enrobés ou enclos dans une masse de matière magnétique moulée. La matière moulée consiste principalement en particules magnétiques comprimées dans un moule de la configuration désirée autour des enroulements. La partie moulée du noyau est augmentée par une partie supplémentaire de matière feuilletée. En ce qui concerne la formation de noyaux bctinés de stators pour moteurs, usage présentant le plus grand intérêt actuel pour l'application de la technique, la partie bobinée de la matière moulée a de préférence la forme d'un cylindre creux. La seconde partie est appliquée sur la surface extérieure de la première et peut être formée dune pile de tôles. Cette pile peut être formée de tôles annulaires individuelles découpées à l'em- porte-pièce. De préférence, toutefois, la seconde partie consis- te en une bande de matière magnétique bobinée autour de la première partie. Dans la forme actuellement préférée, la seconde partie est une bande bobinée sur champ en hélice, sur la première partie, mais peut être formée d'autre manière.La seconde partie a principalement pour but de donner au noyau de meilleures propriétés magnétiques que celles que l'on peut obtenir avec un noyau entièrement de matière moulée. Cette technique peut être également appliquée pour former un rotor de moteur. Ce serait également la matière située au voisinage de ltenroulement et pourrait être renforcée par une seconde partie, contenue dans la première, formée d'une pile de tôles. L'invention sera maintenant décrite, en se référant à titre d'exemple aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation d'une forme de réalisation de bobines préformées convenant à l t incorporation dans un noyau bobiné formé selon la présente invention - la figure 2 est une élévation en coupe transversale d'une forme de réalisation d'appareil destiné à la formation d'une partie d'un noyau bobiné - la figure 3 est une coupe transversale radiale des éléments de la figure 2, suivant la ligne III-III de celle-ci - la figure 4 est une vue d'une forme d'application d'une seconde partie de noyau à la première partie selon 11invention et - la figure 5 est un stator bobiné, en partie interrompu, réalisé selon une forme de l'invention. La description de l'invention sera tout d'abord présentée par la succession d'opérations exécutées pour la fabrication d'un stator de moteur. La figure 1 représente un agencement de bobines 10, 11 et 42. Les bobines peuvent être au nombre de une ou davantage, habituellement formées d'un certain nombre de tours (non individuellement détaillés) Les bobines 10, 11, 12, sont bobinées sur une ou plusieurs formes (parfois appelées mandrins) de telle sorte que les tours aient la position relative mutuelle désirée dans le stator terminé. les bobines 10, 11, 12 peuvent être bobinées en fil magnétique isolé tel que celui antérieurement utilisé. Le bobinage peut être exécuté selon diverses techniques connues manuelles ou à la machine.La forme peut comprendre plusieurs chevilles espacées ou autres éléments présentant des surfaces destinées à produire la forme désirée. La figure 1 montre trois bobines 10, 11, 12 de dimensions differentes, qui peuvent être formées sur usa mandrin à trois gradins, non représenté, et- maintenues à la forme voulue au moyen d'une matière-de liaison (ciment) soit au cours du bobinage, soit appliquée après ce dernier, les bobines étant encore sur le mandrin. Les techniques de préformation des bobines sont connues et ne feront pas ici l'objet d'une-descriptiondétaillée. Les lignes en pointillé 13 et 14 illustrent la longueur du noyau devant former les têtes 16 de bobines, qui dépassent des extrémités axiales du noyau. Les parties des bobines 10, 11, 12 comprises entre les têtes peuvent être rectilignes, ainsi que dans les moteurs classiques ayant des encoches axiales droites.Toutefois, on peut profiter de la présente technique pour produire une courbe ou un coude dans les bobines car cette technique ne se limite pas aux bobines axialement droites. Le dessin représente les bobines avec un coude produisant une double obliquité, ce qui est avantageux pour le rendement du moteur0 Outre lssisolement entre tours sur les conducteurs, il est désirable de disposer un isolement supplémentaire situé entre les bobines et la matière du noyau terminé, ainsi qu'un dispositif tel qu'une chemise d'encoches ou un revêtement formé, par exemple, au moyen d'un lit fluidifié. La figure 2 illustre les bobines préformées 10, 11, 12, maintenues à la forme désirée, maintenant disposées dans une enceinte ou moule 20 de la configuration désirée, pour l'achèvement d'une première partie du stator0 D'une façon générale, une barre cylindrique 18 est placée au centre des bobines préformées pour déterminer l'entrefer et l'espace de rotor requis. Puis on tasse autour des tours des bobines une certaine quantité de matière 22 composée de particules magnétiques. On peut appliquer si on le désire un liant à ces particules.La formation de la masse moulée de matière magnétique est de préférence exécutée au moyen des techniques décrites dans la demande conjointe, pour "Production de noyaux magnétiques" au nom de la même demanderesse, déposée le même jour, qui décrit la nature des particules magnétiques appropriées, appelées micro-lamelles, l'isole- ment des particules individuelles et les techniques d'alignement, puis la compression ou autre mise en forme dés rée, par exemple une compression isostatique. Les parties 20A et 20B du moule ont pour but de limiter l'étendue axiale de la matière 22. Le résultat des opérations précédentes est une première partie de noyau, représentée à la figure 3, où la masse de matière moulée comprenant les particules magnétiques est représen- tée avec les bobines d'une extrémité à l'autre0 La partie principale des bobines se situe dans la masse moulée, sans présence de vides. La figure 3 est une coupe transversale de la structure dans le moule. La coupe transversale des bobines 10, 11, 12, représentée est identique a' celle des moteurs actuels classiques. Toutefois, on remarquera que la- présente technique pernet l'u- sage de bobines d'autres configurations de coupe transversale. Dans certe forme préférée de réalisation-de l'invention représentée à titre d'exezple, l'opération suivante consiste à bobiner autour de la surface cylindrique extérieure de la première partie 22 de noyau, une bande de matière magnétique afin de former une hélice bobinée sur champ avec les tours adjacents en contact direct pour enclore la première partie.Ainsi que le montre la figure 4, la première partie 22 du noyau est placée sur un dispositif de fixation 24 et la bande 26 est placée autour par divers moyens ou appareillage antérieurement connus ou proposés pour la fabrication des noyaux feuilletés par une hélice bobinée sur champ (figure 4)o Aux fins de l'invention, la bande est un élément continu plein sans ouvertures pour les encoches de sorte que l'opération de bobinage peut être exécutée avec une plus grande simplicité caris n'est pas nécessaire d'assurer l'alignement des couches individuelles pour former les encoches. Le déchet d'encoches se trouve ainsi évité. La seconde partie du noyau peut également être bobinée sous la forme d'un ressort boudiné séparément puis placé autour de la partie moulée. On obtient ainsi un stator bobiné complet représenté à la figure 5. il présente plusieurs caractéristiques désirables0 Tout le volume occupé par le noyau est utilisé soit par l-'enroulement soit par la matière magnétique. Il n'existe aucun espace d'air produit par un défaut de remplissage des encoches. La mise en oeuvre de l'invention facilite le bobinage de la bobine en des tours adjacents ce qui peut aider à réduire la coupe transversale totale du noyau On peut former les bobines avec des angles arrondis au bord du noyau plutôt que des coudes aigus ainsi qu'il était nécessaire dans les noyaux antérieurs. Ceci aide à conserver l'isolement entre tours, le raccourcissement de la longueur de fil, et réduit l'allongvenent aux angles. les bobines n'ont pas besoin de s'étendre strictement axia lement, mais peuvent comporter une certaine obliquité autre qutu- ne obliquité rectiligne à diverses fins électromagnétiques. La fabrication d'un tel noyau ne crée pas de déchet d'acier comme le découpage à l'emporte-pièce des encoches. La mise en oeuvre de l'invention permet un grand nombre de configurations de bobines sans exiger la modification du procédé fondamental de fabrication du noyau. Parmi les opportunités qu'offre l'invention, on peut citer la fabrication de bobines d'enroulement de démarreur avec che vauchement des bobines principales, à l'extrémité du moteur, pour des moteurs monophasés pourvus d'enroulements principaux et démarreurs. Pour un moteur à répulsion à enroulement auxiliaire, il est désirable que l'inductance de l'enroulement auxiliaire ou démarreur soit faible. D'autre part, il est désirable que l'enroulement de départ d'un moteur à démarrage par capacité soit élevé. Ces conditions requises contractantes peuvent être satisfaites par la mise en oeuvre de la présente invention, car elle permet de faire varier considérablement la coupe transversale des tours d'une bobine particulière.Une, étroite coupe transversale s'étendant profondément radialement produit de fortes inductions alors qu'une configuration radialement étroite mais large présente une faible inductance. Il est maintenant possible que la longueur du noyau à l'alésage soit supérieure à celle à l'enroulement afin d'obtenir une superficie d'entrefer plus large par rapport à la superficie enclose par l'enroulement. C'est-à-dire que le noyau peut être radialement conique par rapport à l'axe, ou présenter des gradins de degré axial différent. Le fait d'importance primordiale est que l'invention perfectionne la formation d'un noyau simplement au moyen d'une masse moulée de matière, la culasse supplémentaire de bande d'acier à l'extérieur de la masse moulée pouvant avoir une forte perméabilité et réalisant un parcours de flux de grande perméabilité. Cependant, cette matière supplémentaire de noyau peut ?tre économiquement formée. Bien que l'invention ait été principalement décrite en référence à la formation des stators de moteurs, il est évident qu'elle peut être appliquée à d'autres fins.-On peut mentionner en particulier la formation de rotors de moteurs pour laquelle le procédé peut être essentiellement suivi selon la description sauf que l'ordre des opérations est inversée. Dans~le cas dlun rotor de moteur à rotor bobiné, il serait préférable de former sur un arbre la pile cylindrique feuilletée à hélice bobinée sur champ, partie du noyau de rotor, puis l'introduire autour d'une masse de matière moulée contenant les enroulements dans une partie de noyau plus proche de l'entrefer.On obtient de cette manière une forme perfectionnée de rotor pour moteurs à rotor bobiné, qui présente les susdits avantages des stators fabriqués selon ltinvention. De même, un rotor à cage d'écureuil peut être enrobé dans une masse moulée de matière magnétique à laquelle on ajoute une culasse supplémentaire. On remarquera que dans ses aspects les plus généraux, la première partie de noyau dans laquelle les bobines sont enrobées, peut être formée par toute technique convenable telle que celle impliquant la poudre de fer comprimée, et matière analogue. Tou- tefois, pour la formation de la première partie du noyau, on considère comme particulièrement avantageuse et préférable pour la mise en oeuvre de l'invention, la susdite-technique, bien que 11 invention ne se limite pas à ce procédé0 La seconde partie de noyau peut prendre diverses formes outre celle de l'hélice bobinée sur champ. Ces formes peuvent comprendre une-bande ou ruban flexible bobiné à plat autour de la première partie du noyau, en un ou plusieurs tours. Cette bande peut avoir une largeur égale à la largeur du noyau et entourer la première partie d'un unique tour. On pourrait également utiliser une bande spiralée à plat, Alors que dans certains cas, la seconde partie de noyau pourrait être réalisée par bobinage à plat, on pense actuellement qu'on obtiendrait un produit inférieur sans aucune avance appréciable de la technologie. Naturellement, la présente discussion suppose la préférence d'un acier magnétique, pour la seconde partie de noyau, de qualité identique ou similaire à celle des actuelles tôles classiques. Bien qu'une bande unique continue puisse être utilisée et l'est de préférence, pour la formation des secondes parties de noyau, elle est encore'!euilletéett et une couche individuelle peut être appelée "tôle" dans le sens de la technologie antérieure. Ceci s'oppose à la première partie de noyau de matière moulée composée de "microlamelles" qui ne forment pas des couches individuelles facilement visibles dans le produit terminé. REVENDiCATIONS lo- Noyau magnétique bobiné, pour machine électrodynamique, comprenant une première partie cylindrique de noyau composée d'une masse moulée de particules de matière magnétique, au moins une bobine d'un conducteur isolé s'étendant d'une extrémité à l'autre et enrobée dans la masse de matière moulée et une seconde partie de noyau eonstituée ae matière magnétique feuilletée disposée à l'extérieur de la première partie. 2.- Noyau magnétique selon la revendication'l, caractérisé par le fait que le noyau magnétique bobiné est un stator de machine électrodynamique,-et que les première et seconde parties sont des cylindres creux, la seconde partie entourant la première. 3.- Noyau magnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la seconde partie consiste en une bande contlnue de matière magnétique constituée d'une hélice bobinée sur champ. 4.- Noyau magnétique selon la revendication 3, caractérisé par le fait que cette bobine, au moins, comprend un certain nombre de tours du conducteur présentant de majeures partles s'étendant dans la masse moulée, réunies par des têtes de bobine extérieures à la masse moulée. 5.- Noyau magnétique selon la revendication 4 caractérisé par le fait que les majeures parties dece conducteur constituent chacune une ligne droite. 6.- Noyau magnétique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le-fait que les majeures parties de ce conducteur sont courbes. 7.- Noyau magnétique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les majeures parties de ce conducteur se composent de deux segments pratiquement droits. 8.- Noyau magnétique selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ces deux segments pratiquement en ligne droite sont disposés en V dont la pointe est plus proche de la surface cylindrique de la première partie de noyau que les extrémités du V. 9.- Noyau magnétique selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 8, caractérisé par le fait que la première partie du noyau a la configuration d'un cylindre creux avec des surfaces interne et externe concentriques et pratiquement lisses, qu'au moins une bobine d'un conducteur isolé, qu'un certain nombre de tours présentant des majeures parties situées entre ces surfaces interne et externe de la première partie de noyau avec les têtes de bobine dépassant de cette première partie, cette première partie étant composée d'une masse de particules magnétiques moulées dans laquelle sont enrobées ces majeures parties de ces tours; et une seconde partie de noyau constituée d'un élément de matière magnétique à la configuration d'un cylindre creux est située sur cette surface externe de la première partie. 10.- Noyau magnétique selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la seconde partie de noyau comprend un élément flexible de matière magnétique conformé sur cette surface externe de la première partie. 11.- Noyau magnétique selon la revendication 10, caractérisé par le fait que cet élément flexible est disposé en un certain nombre de tours sur la surface externe de la première partie de noyau. 12.- Noyau magnétique selon la revendication 11, caractérisé par le fait que l'élément flexible est continu dans toute la seconde partie. 13.- Noyau magnétique selon la revendication 11 ou 12, caractérisé par le fait que l'élément flexible est une hélice bobinée sur champ. 14.- Procédé de fabrication d'un noyau magnétique bobiné, selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dont les opérations consistent à former une bobine au moyen d'un conducteur isolé, à former une masse de particules de matière magnétique sous la forme d'un cylindre creux renfermant cette bobine et en contact intime avec celle-ci sur une majeure partie de sa longueur; puis à appliquer une matière magnétique feuilletée sur la surface externe de cette masse. 15.- Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la bobine est préformée par bobinage sur une forme pour en localiser les tours dans les positions relatives désirées dans le noyau bobiné terminé; la fornication d'une masse de matière consiste à introduire les particules et le liant. dans un moule renfermant la bobine sur cette formè. 16.- Procédé selon la revendication 15, caractérisé par le fait que l'application de matière magnétique feuiiletée-sur la surface externe de cette masse comprend lteaveloppement d'un élément flexible de matière magnétique sur la surface externe de cette masse. 17.- Procédé selon Ia revendication 15, caractérisé par le fait que l'application de matière magnétique feuilletée sur cette -surface externe de la masse comprend le bobinage d'une bande sur champ en une hélice de tours-lntimement adjacents directement sur la surface externe de cette masse0