Brevet FR2264415A1 — publié le 19751010

La présente invention concerne un induit rotatif de machine dynamo-électrique. Les moteurs électriques à commutation mécanique, d'une puissance d'une fraction de cheval-vapeur sont maintenant très utilisés dans différentes applications, comme les aspirateurs, certains types de ventilateurs et des outils portatifs. L'étude mécanique et électromagnétique de ces moteurs et de leurs éléments a été poussée tries à fond dans le but d'atteindre des performances élevées, une longue durée dluti- lisation, un prix peu élevé de fabrication et d'autres caractéristiques, aussi bien que de produire des moteurs dans lesquels les compromis entre les caractéristiques recherchées pour rependre à des conditions particulières ont été choisies de-manière optimale. En ce qui concerne par exemple le domaine des moteurssérie bipolaires universels utilisés antérieurement dans les aspirateurs par exemple, les induits réalises le plus souvent pendant très longtemps comportaient un bobinage à deux enroulements par encoche, et par conséquent deux fois plus de lames de collecteur que d'encoches, par exemple l'induit à 28 lames pour quartorze encoches. Cette disposition fut récemment remplacée d'une façon générale par une disposition à un enroulement par encoche, le nombre de lames du collecteur étant alors égal au nombre d'encoches, par exemple vingt-deux lames pour vingt-deux encoches ou vingt et une lames pour vingt et une encoches. Cette disposition permettait d'améliorer les performances. Une partie substantielle du prix de ces moteurs se trouve dans le roter ou induit; à son tour > dans le prix de l'induit, une part non négligeable peut être attribuée au collecteur. Par exemple, pour la réalisation pratique d'un moteur d'aspirateur d'une certaine puissance et d'une certaine vitesses le collecteur courant bon marche, du type à queues, formé en coquille avec des fourches d'exrémité repliées vers ltintérieur, moulées dans un corps en matière plastique ne convient pas dans le cas d'un induit très courent à vingt-deux encoches, en raison de limitations de réalisation mécanique. I1 est donc souhaitable de Pouvoir réaiiser un ensemble d'in- duit permettant d'utiliser un collecteur plus simple et plus petit, peu coûteux à fabriquer. Si, en raison d'un compromis imPosé par exemple par d'autres caractéristiques, un induit ou un rotor plus Qcono- mique et meilleur marché doit être réalisé, la pratique conduisait jusqu'à présent à réduire le nombre des encoches et des enroulements, sur la base d'un seul enroulement par encoche, c'est-à-dire à réaliser un induit à douze encoches et douze lames, ou à onze encoches et onze lames. Cette disposition permettait de réduire le nombre des lames du collecteur dont le prix pouvait être ainsi moins élevé. La présente invention concerne donc, parmi autres points de réalisation d'un moteur, un induit dans lequel le nombre des encoches est le double du nombre des lames du collecteur, avec un bobinage du tyge à la moitié d'un enroulement par encoche, deux demi-enroulements ou sous-enroulements étant connectés en série pour constituer chaque enroulement entre deux lames correspondantes du collecteur. Parmi d'autres avantages, cette disposition permet d'utiliser un collecteur dont le nombre de lames est inférieur au nombre habituel pour les encoches de l'induit, et par conséquent, un collecteur d'un type plus économique. L'invention sera décrite par la suite dans son application à l'induit à vingt-deux encoches d'un moteur-ssrie bipolaire universel, destiné à un aspirateur, mais il est bien entendu que ces applications sont plus larges. L'application de l'invention à un induit à ving-deux encoches maintenant courant, à savoir selon une disposition à vingt-deux encoches et onze lames, est avantageuse car un collecteur acceptable de prix peu élevé peut être associé à des tôles à vingt-deux encoches d'usage répandu pour des induits à vingt-deux encoches et vingt-deux lames destinés à des moteurs de puissance et de vitesse plus élevées, d'excellents outils de production étant déjà disponibles pour ces tales. Par exemple, l'utilisation de tôles à vingt-deux encoches et d'un collecteur à onze lames permet de conserver les nombreux avantages de l'enroulement et de ces tales, combinés avec ltéconomie que permet le collecteur à onze lames, grtce à une distribution, de preférence uniforme, du bobinage selon une disposition à un demi enroulement par encoche. Des vitesses plus élevées que précédemment peuvent aussi être obtenues avec un induit comparativement moins coûteux, grâce au collecteur meilleur marche d'un induit à onze encoches et onze lames. En ce qui concerne la fabrication, l'invention permet, contrairement au cas d'un nombre impair d'encoches, d'effectuer le bobinage simultané de deux enroulements parallèles mécaniquement, au moyen d'une machine double à la volée, avec ltéconomie et les avantages de fabrication que cela en train. Outre le bas prix de l'induit, l'invention permet d'augmenter le nombre des encoches, ce qui accorde une plus grande liberté pour la disposition des enroulements indivi duel s et, pour un champ donné dans le moteur, permet de réa- liser un induit dont la commutation est optimale, ce qui entraîne de meilleures performances du moteur. Contrairement au cas des induits dont le nombre des encoches est égal au nombre des lames, et dans lesquels un pro brème de bruits magnétiques doit être résolu selon des procédés antérieurs consistant à prévoir des encoches supplémen- taires ou auxiliaires non bobinées dans chaque dent de l'in- duit, l'invention permet de réduire substantiellement ces bruits magnétiques sans encoches inutiles sur le plan du bobinage. En plus de la structure de l'induit lui-mtme, L'invention conduit à une distribution du bobinage avec moins d'extrémités de spires dans la direction axiale. Pour un nombre donne de spires d'un fil spécifié dans chaque enroulement total, la longueur d'un induit est donc moins importante ou, pour une longueur donnée de l'induit, un fil plus gros ou un plus grand nombre de spires d'un fil donne peut être bobiné. En outre, la dissipation de la chaleur par chaque enroulement est améliorée, car chaque enroulement total est séparé en deux parties ou sous-enroulements connectés en série, distributs dans des encoches différentes. Ceci, ajouté au plus grand nombre, doublé en fait, des dents de l'induit, augmente la surface-de tales exposée dans la region échauffée par chaque enroulement et accentue 1' effet d'auto-ventialtion ce dont il résulte une meilleure ventilation et un meilleur refroidissement du rotor L'invention concerne donc une disposition améliore per mattant de réaliser un induit de faible prix dectiné à une machine dyname-électrique, et partieulièrement à un moteur électrique.Cet induit comporte un nombre comparativement élevé d'encoches bobinées, et neci à un prix relativement bas pour la puissance et la vitesse vouluez. Ue rapport entre les encoches bobinees et les lames du collecteur est égal à 2. Les extrémités de spires sont plus courtes qu'habituellement et le refroidissement du rotor est amélioré. L'invention sera deerite plus en détail en regard du dessin annexé à tItre d'exemple nullement limitatif et sur lequel La figure 1 représente leoontour d'un noyau d'induit à bas prix de type antérieur, la figure 2 est une représentation similaire à celle de de la figure 1 d'un noyau d'induit destine à un moteur antérieur à haute performance mais qui convient, selon l'invetion, pour réaliser un induit à meilleur prix, la figure 3 est une représentation symbolique et schematique d'un induit selon l'invention, la figure 4, similaire à la figure 2, fait ressortir certalns avantages de l'invention. La figure 1 illustre une solution antérieure pour un induit bon marché, sous la forme d'une vue en bout d'un induit A du type destiné à un moteur-serie bipolaire universel; le noyau comporte onze encoches numérotées successivement 1 à 11, bobinées sur la base d'un enroulement par encoche. Il comporte donc onze enroulements bobinés respectivement dans les paires d'encoches 1-5, 2-6, 3-7, 4-8, 5-9, 6-10, 7-11, 8-1, 9-2, 10-3, 11-4, ainsi que le symbolisent par exemple les lignes tracées entre les encoches 1 et 5, et aussi entre les encoches 7 et 11. Cet induit comporte donc un collecteur à onze lames qui put consistor en ur élémqut bon marche'. L'extrémité numérotée en premier sur chaque enroulement est connectée à une lame de numére correspondant du collecteur et sa seconde extrémité est connectée à la lame qui succède, ou de numéro suivant. Ainsi qu'il est décrit dans le Brevet des Etats Unis d'Amérique n 2 698 910, un induit de ce genre est sujet à des bruits magnétiques et son comportement en commutation est relativement mauvais.En outre, sa géemétris ne permet pas de bobiner méca niquementdes enroulements parallèles géométriquement, disposés symetriquement autour de l'axe X et par consequent, il ne permet pas le bobinage de deux enroulements à la fois au moyen d'une machine double à la volée. Selon la technique antérieure, l'induit décrit en regard de la figure 1 pouvait être utilisé sous forme d'un induit bon marché (avec un collecteur de prix réduit) dans une version peu coûteuse d'un moteur de plus grande puissance, de plus grande vitesse et de performances plus élevées comprenant un induit dont le noyau est représenté sur la figure 2 (sous une forme de représentation similaire à celle de la figure 1), à savoir un noyau d'armature à 22 encoches bobinées sur la base d'un enroulement par encoche, et avec un collecteur coûteux à 22 lames. Mais l'invention, selon iaquelle un noyau à 2 N encoches associé à un collecteur à N lames est bobiné sur la base d'un demi enroulement par encoche, deux sous-enroulements dans des encoches distinctes étant associés et connectés en série sous forme d'un seul enroulement entre des lames successives du collecteur, permet d1utilier le noyau de la figure 2 pour un induit bon marché, puisqu'il permet d'associer un noyau à 22 encoches avec un collecteur à onze lames. Ainsi qu'il a noté précédemment, des collecteurs à onze lames peuvent être réalisés à bon marché, et ils existent dans des dimensions, avec une solidité et une longivité convenables pour des vitesses et des puissances qu'il est possible d'atteindre avec le noyau à 22 encoches. Selon la terminologie adaptée ici, "sous-enroulement" signifie un enroulement unitaire physiquement constitué par des spires qui toutes, ou pratiquement toutes, se trouvent ou sont bobinées dans une paire d'encoches. "Enroulement total" signifie la plus petite somme de sous-enroulements connectés en série sous forme d'un enroulement ou d'une partie de bobinage connecte entre des lames voisines. La figure 3 est une reprssentation schématique ou symbo lique montrant la succession des connexions des " sous-enroule- ments" les uns aux autres et aux lames du collecteur, selon la disposition d'un demi-enroulement par encoche Sur cette figure, l'anneau C forme' par des segments numérotés 1 à 11, symbolise-un collecteur à onze lames, entre les lames successives duquel sont connectes en série des paires correspondantes de "sous-enroulement" S. Le chiffre à l'extrémité de chaque sous-enroulement ddsigne les encoches du noyau dans lesquelles le sous-entoulement est bobiné.En ce qui concerne l'enroule- ment total ainsi constitué, et connecté entre des lames successives, la distribution des spires est de préférence uniforme, c'est-à-dire que les sous-enroulements de chaque paire et des différentes paires comportent des nombres de spires égaux. La géométrie du noyau d'un induit à bas prix de type antérieur à nombre impair d'encoches ne permet pas de bobiner méca- niquement deux enroulements parallèles entre eux et symétriques par rapport à l'arbre ou à l'axe X (voir les lignes 1-5 et 11-7 sur la figure 1), mais cela est possible avec un noyau à 2N encoches (voir les lignes 1-9 et 12-20 par exemple sur la figure 4); cela autorise donc à bobiner commodément et simultanément deux enroulements disposés symétriquement et parallèlement, au moyen d'une machine double à la volée. En outre, la figure 4 montre que, contrairement à ce que montre la figure 1, l'écartement angulaire du bobinage d'un sous-enroulement ou l'écartement effectif de l'enroulement total peut varier de façon considdrable selon la réalisations ou autrement dit, les cotés d'un enroulement total ou d'un sous-enroulement peuvent entre placés de manière plus proches ou plus précises (pour un effet recherché), grâce à la plus grande souplesse des dispositions autorisées par un plus grand nombre d'encoches, et par conséquent par l'angle plus ré- duit entre des encoches successives. L'écartement de chaque aous-enroulement et par conséquent, de chaque enroulement-total, peut donc être augments ou diminué par pas plus petits, ce qui n'est pas possible sur l'induit comportant le noyau de la figure 1. En outre, grâce à la distribution des spires d'un enroulement total entre deux sous enroulements, en parties égales ou non, l'écartement effectif d'un enroulement total, considéré du point de vue de son effet magnétique, peut être choisi en un sens avec des accroissements plus fins. Non seulement le comportement lectromagn- tique général de l'induit peut entre choisi plus précisement mais en particulier, le comportement en commutation d!un en effectif peut être déterminé plus exactement. En raison de la distribution-de 1 ensemble des spires de l'enroulement effoctif connecté entre deux lames successives, entre deux sous-enroulements séparés, les extrémités de spires de chaque enroulement enroulées à l'extérieur ont évidemment une épaisseur moindre que celle des extrémités de spires d'un seul enroulement équivalent. En outre, un raison de l'écarte- ment angulaire des encoches dans lesquelles les paires associées sont bobinées de maniere semblable, une plus grande partie de la périphérie de la face d'extrémité du noyau est utilisée pour loger les extrémités de spires ce qui recquiert une moindre longueur axiale pour recevoir ce volume de fil De plus, grâce à l'écartement angulaire entre les paires d'enroulemente associés, les contres (c'est-à-dire les points haute) des groupes d'extrémités spires qui se ercisent dans chaque paire associée constituant un enroulement total ne se présentent par aux points de croisement. La longueur axiale de l'induit bobiné est moindre pour l'induit selon l'invention, (figure 3) qu'elle ne le serait pour un induit de type anté rieur, comme celui ipre'sente sur la figure 1. Cette réalisation plus courte dans la direction axiale avec Z N encoches et N lames selon l'invention permet donc de réaliser un Induit plus court, et par conséquent un moteur plats court axialement, compare avec un induit antérieur correspondant à N encoches et N lames, avec un enroulement par encoche. Ou autrement dît, avec des dimensions nominales identiques, il est possible d'utiliser d'avantage de fil soit sous forme d'un plus grand nombre de spires, soit sous forme d'un fil plus gros. Une autre caractéristique importante de l'induit à bas prix avec 2 N encoches, N lames de collecteur et un bobinage d'un demi-enroulernent par encoche, compare à un induit antérieur à N encoches et N lames,est qutil est possible d'obtenir un meilleur refroidissement du rotor, et par conséquent de dissiper une puissance pl;s élevée, ou de tourner à des vitesses supérieures dans des limites acceptables de tempe rature ou d'élévation de température.Ainsi qu'il apparait immédiatement en comparant l'induit antérieur à onze encoches et onze lames de la figure 1 avec l'induit correspondant de la figure 2 à 22 encoches et 13 lemes, dans ne dernier la nombre de dent est doublé, co qui en soi-même augmente l'offes d'aufo ventilation de l'induit Le plus grand nombre de dents aug- mentenécessairement la surface du noyau de fer d'un induit de dimensions données, qui est expose à l'air de ventilation sous forme d'une surface de transfert de chaleur, ce qui améliore les caractéristiques de transfert de chaleur.Egalement grâce à la disposition du bobinage par demi-enroulement par encoche, ou d'une façon similaire, la distribution des spires d'un enroulement total en deux sous-enroulements disposes dans des paires respectives encoches facilite la dissipa- tion de chaleur par les enroulements eux-mêmes. Du fait que l'ensemble des spires de chaque enroulement total est distribué en enroulements plus petits dans quatre encoches plutat que deux, davantage de spires sont en contact thermique avec le fer des parois des encoches qui se comportent comme un dissipateur thermique, davantage de spires sont exposées à l'air, et enfin, point qui résulte des deux premiers, moins de spires sont enfouies sous les autres, hors de contact avec l'air de refroidissement ou le fer absorbant la chaleur. L'induit à 2N encoches et N lames de collecteur avec un demi enroulement par encoche selon l'invention permet donc non seulement d'utiliser un collecteur à bas prix qui ne conviendrait pas autrement, mais présente également des avantages marquants pour le procédé et le type d'équipement de bobinage qui peut être utilisé commodément, et aussi les avantages de caractéristiques meilleures que pressentent cet induit et le moteur dans lequel il est monté. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'induit decrit et représenté sans sortir du cadre de l'invontion. REVENDICATIONS 1 - Induit rotatif de machine dynamo-lectrique tournante comprenant un arbre, un noyau de fer-et un collecteur mécanique fixés sur ledit arbre, ledit noyau comprenant des encoches dans lesquelles sont bobinés-les enroulements d'induit, les encoches voisines delimitant-entre elles des dents en saillie, induit caractérisé en ce que ledit collecteur comporte N lames et ledit noyau 2N encoches, N enroulements totaux étant bobinés dans ces encoches et connectés aux lames dudit collecteur, chaque enroulement total étant constitué par deux sous-enroulements bobinés dans des encoches distinctes, chacune desdites encoches étant occupée par au moins une partie dtun enroulement de manière que le nombre de lames du collecteur soit réduit de moitié par rapport au nombre de lames utilisées en pratique courante pour un nombre donné d'encoches du noyau, le collecteur présentant ainsi des dimensions réduites, eu égard au nombre des encoches dudit noyau, le nombre des dents d8li- mitées entre lesdites encoches successives étant augmenté pour le nombre d'enroulements totaux de l'induit rotatif. 2 - Induit selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque enroulement total est constitué par deux sous-enroulements connectés en série occupant chacun des encoches distinctes. 3 - Induit selon la revendication 1,caractérisé en ce que N est au moins égal à 11.