Brevet FR2497418A1 — publié le 19820702

La présente invention se rapporte à un rotor en cage d'4- cureuil pour une machine asynchrone. Le couple de démarrage des machines asynchrones est déterminé par la perte qui se produit dans le rotor à l'arrêt. Dans le cas des machines ayant un rotor en court-circuit simple, la résistance du rotor est limitée par la perte en fonctionnement admissible; si l'on tient compte du fait que les valeurs de résistance du rotor sont les mêmes au cours du fonctionnement et lors du démarrage, la perte qui se produit au démarrage(et, par consé- quent, lecaopIe de démarrage) est la valeur résultante. Cette valeur résultante est appelée le couple de démarrage naturel. Le rapport du couple de démarrage naturel au couple nominal est réduit -au sens de la loi des accroissements -- lorsque la puissance de sortie est accrue et,au-dessus d'une puis- sance de sortie de 50 à 200 kW, il n'est pas suffisant pour lancer une machine en charge qui pourrait autrement être fa- cilement mise en marche. Des mesures spéciales doivent être prises afin d'ac- croitre la résistance qui existe au démarrage et la perte qui se produit lors du démarrage même pour une résistance en fonctionnement maintenue à un niveau constant. A cette fin, dans le cas des moteurs asynchrones ayant une plus grande puissance de sortie, on utilise, en général, des rotors à double cage ou à barres profondes. Dans les deux cas, on uti- lise le phénomène de déplacement du courant. Dans le premier cas, le courant est inégalement réparti entre les deux cages tandis que, dans le second cas, on observe une répartition inégale du courant à l'intérieur de la barre. Les deux solu- tions peuvent être caractérisées par le fait que l'accroisse- ment des pertes au démarrage se produit essentiellement à l'intérieur du noyau en fer du rotor. Ces solutions néces- sitent l'emploi d'une plus grande section transversale de conducteurs et, par conséquent, l'encombrement est également plus important que celui de la cage du simple rotor en court- circuit. Etant donné que l'espace supplémentaire nécessaire se trouve situé dans la partie magnétiquement active de la machine, il en résulte non seulement un accroissement des dimensions des partbis _ ives de la machine miais éqgalement un accroissement des dimensions globales se la machine. On a essayé d'accroître les rt au mr e n du flux ie dispersion des barrezu i otor:u de dl R ne: c urt-cir- cuit. Une telle se.luti-n1 - têc rie., Y-.: d-an 5e brevet aiî'emand DE-2S '7u 449. A ior ceei se ition,; an- neau de fer est disposé audessusde il anneau de court- circuit d'une manière approporre X.... quil y ait un contact entre les deux anneaux. Le hu' de cet acencement est d ac- croLtre fortement i degalitdé la distribu iLon du courant qui se produit da ns Deau e out-cii:rmi% ors du démar- rage et ainsi d'accroître les pertes. L'accroissement de Ili- négalité de la distributicrn du courant présente certaines li- mites et, en otitre, il entraîne un cgrave risque du fait que le chauffage inégal qui en résulte se traduit par une dilata- tion thermique dangereuse et peut provoquer la fusion de la soudure entre les barres et l'anneau. Du fait de sa fo:me structurale complexe ou de ses ré- sultats insuffisants, cette solution n'a pas été largement adoptée. La configuration Tqalitative des lignes de flux de dispersion -- et dans une mesure encore plus grande -- les relations quantitatives n'ont pas été reconnues à leur juste valeur. En outre, l'influence des têtes de bobine du stator a été totalement négligée. La présente invention a pour but de proposer une solu- tion suivant laquelle l'accroissement iêes pertes nécessaire pour accroître le couple de démarraUc ne se produit pas dans le noyau de fer mais dans le champ des têtes de bobine, cette solution permettant de réaliser une machine d'une construc- tion simple et qui peut être fabriquée à un coût relative- ment bas. L'invention a ainsi pour objet un rotor qui est faculta- tivement mais, de préférence, muni d'une seule cage d'écureuil, pour une machine asynchrone et qui est caractérisé en ce qu'à côté de l'anneau de court-circuit est disposé au moins un corps conducteur de révolution, avantageusement un disque ou un anneau, fabriqué en une matière aimantable ou non aiman- table. Dans le rotor d'une machine asvnchrone,des pertes se produisent aux emplacements o le champ magnétique tournant intersecte le milieu conducteur stationnaire du rotor. Ce- pendant, le champ magnétique tournant est présent non seule- ment dans le noyau de fer mais également à l'extérieur de ce noyau le long du trajet commun des lignes de flux de disper- sion des têtes de bobine du stator et de l'anneau de court- circuit du rotor. Si l'on tient compte du fait que la saillie des têtes de bobine du stator(l'encoibrement axial) est consi- dérablement plus grande que la saillie du bobinage en court- circuit du rotor (en cage d'écureuil),il existe,au-delà de l'anneau de court-circuit, un espace qui n'a pas été utilisé jusqu'à présent. Si,dans cet emplacement, on dispose un mi- lieu conducteur,le flux de dispersion commun de l'anneau de court-circuit et des têtes de bobine induit des courants de Foucault qui provoquent des pertes. L'invention est basée sur la reconnaissance du fait que ce flux de dispersion commun est d'une grandeur importante et qu'en choisissant convenablement la position, les dimen- sions et la matière du milieu conducteur, on peut obtenir des pertes importantes; enfin, lorsqu'un milieu conducteur est disposé dans l'espace ci-dessus défini, la fabrication méca- nique du rotor peut être rendue considérablement plus simple qu'elle ne l'était jusqu'à présent. Dans le cas o le milieu conducteur peut en même temps être aimanté, il rassemble les lignes de flux de dispersion et en accroît le nombre. Il en résulte que le déplacement du courant -- qui existe dans tous les cas dans l'anneau de court-circuit -- s'accroit lé- gèrement lors du démarrage et que, par conséquent, les pertes s'accroissent également; dans le milieu aimantable, du fait qu'il s'agit d'un corps plein, il se produit une perte impor- tante; dans ce milieu, une partie du flux de dispersion des têtes de bobine du stator est convertie en un flux principal. Ceci signifie que, dans le champ des têtes de bobine, il est engendré un couple (également au cours du fonctionnement) sem- blable à celui qui est engendré dans le noyau de fer. Dans le cas o ,pour des raisons structurales, l'ann-au n'est pas mon- té directement sur l'arbre mais sur des nervures ou sur des pattes supports, une bague aimantable doit être placée au- dessous du milieu conducteur afin de permettre le passage des lignes de flux de dispersion servant à induire les cou- rants de Foucault, respectivement en direction du noyau de fer, des nervures et de l'arbre. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'anneau de court-circuit est entaillé radialement profondé- ment entre les barres en vue de produire de plus fortes pertes dans le ou les disques qui sont placés à côte de lui. Si l'anneau de court-circuit est monté sur des nervures, une bague aimantable est disposée sous l'anmeau de court-circuit et sous les disques, cette bague aimantable pouvant être raccordée au noyau de fer. Selon un autre mode. de réalisation préféré de la présnte invention, la fonction du disque situé le plus loin du noyau de fer est avantageusement remplie par un ventilateur. Il est possible de ne disposer un ou plusieurs disques conducteurs ma- gnétiques ou amagnétiques que d'un seul côté de la machine au lieu d'employer un agencement symétrique. Selon encore un autre mode de réalisation préféré de l'invention, les disques qui ont été disposés à côté de l'an- neau de court-circuit ou la bague qui a été disposée au- dessous de lui, si cela est nécessaire, peuvent 8tre divisés de telle sorte que la fonction d'un unique élément est rem- plie par plusieurs éléments qui jouent le même rôle. On décrira ci-après à titre d'exemple plusieurs modes de réalisation de l'invention en se référant aux dessins an- nexés dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe d'un rotor; les Fig. 2 à 4 montrent le rotor muni de disques montés sur l'arbre; les Fig. 5 et 6 montrent le rotor muni de disques montés sur des pattes supports ou sur des nervures; la Fig. 7 montre une solution suivant laquelle l'anneau de court-circuit est encoché; et la Fig. 8 montre un disque formé en une seule pièce avec un ventilateur. Sur la Fig. 1, on a représenté le champ des têtes de bo- bine d'une machine asynchrone. Les côtés des bobines ont été montés dans le noyau de fer du stator 1 et sont interconnectés par les têtes de bobine 2. Les barres 4 de la cage montée dans le noyau de fer du rotor 3 sont interconnectées par un anneau de court-circuit 5. Le noyau de fer du rotor 3 et l'anneau de court-circuit 5 sont montés sur un arbre 6. On a dessiné sur la Figure les configurations qualitatives des lignes de flux de dispersion du champ des têtes de bobine. Si l'on examine cette configuration qualitative, la disper- sion idéale du milieuconducteur 7 ou du milieu aimantable 8 au voisinage de l'anneau de court-circuit devient évidente. Sur la Fig. 1, on n'a pas représenté la fixation du milieu conducteur ou du milieu aimantable 8 sur l'arbre 6. Dans ce schéma, on n'a représenté qu'un seul milieu 7 ou 8. Les figures suivantes représentent diverses versions, réalisables en pratique,du rotor selon l'invention basées sur une construction possible d'une machine asynchrone. Par conséquent, les éléments 7 et 8 ont été représentés -- à titre d'exemple non limitatif -- comme étant constitués par des disques. En mettant en application d'une manière raison- nable le principe schématiquement représenté sur la Fig. 1, on peut mettre en oeuvre l'idée de base de l'invention dans une machine d'une construction quelconque. Par conséquent, les éléments 7 et 8 peuvent avoir (mais n'ont pas nécessaire- ment) une forme annulaire. Dans les modes de réalisation qui ont été représentés sur les Fig. 2 à 4, le disque métallique 7 et/ou le disque de fer 8 sont disposés à côté de l'anneau de court-circuit 5. Le noyau de fer du rotor 3, l'anneau de court-circuit 5 et les disques 7, 8 sont montés sur l'arbre 6. Le ventilateur 9, qui,dans l'exemple représenté, est un ventilateur radial, assure le refroidissement de la machine. Sur les Fig. 5 et 6, on a représenté l'agencement des disques du mode de réalisation de la Fig. 2 appliqué au cas d'une construction das lacquel1e!ez parties actives d: ro- tor ne sont pas montèes directement sur l'arbre 6. Dans ces figures, alnneau de c r t-circi- e: le -sa e 7 sont mon- t4s sur des n e.-:e.: t 5 e. rt.enslt, sur des upartes supc rts '-- e,.:.. =.... d i du noyau da -:. 1':o a-F - 5Da,t., . : . fer 13 est rr.t,. ' -- z cis-,= S:ivant un incde. la ue, de fer I p-eeut tre..r au l c.v:- . Dans O t.es figures r:f:-,eniz, lesz,3. dL s e ?a'!-i. :; a 4St repr senté 4tant fionn. qu'il ne ju.? a-uct r le d3,oinL de vue - i ' invention. Lans tous les modes de r!iesa'-i o n ' t - ur les figures, des carnaux de ventilaticrn peuvent ftre formis dans le disque métallique 7 dans le disque de fer 8 et dans la bague de fer 12 sans entraver naturellement le passage des courants et des lignes de flux magnétique. Dans,te mode de riialisation reprisenté sur la Fi. 7,' l'anneau de courtcircuit 5 est encoché radialement entre les barres 4. L'encoche peut être considérée comme profonde et en- trant, par conséquenh, dans le cadre de ia présente invention lorsque sa profondeur ou longueur b est supérieure aua double de 'La dimension a U'stance entre le c8té radialement inté- rieur des barres et le bo-rd du rotor). i'emploi d'encoches est déjà connu. De telles e7 ockes ont- souvent été utilisées pour des raisons techniques, pS.r exetvple pour facil ite_ le soudage des barb:es. Cependant, une erceche d'une telle pro- fondeur n:est ut'ile qu'aux fins de.a présente invention, elle n'a pas d'autre utilité. Comme on peut le voir en considérant la Fig. 8, le disque 7 ou 8 (situé le plus loin du corps en fer) est avan- tageusement réalisé sous forme d'un ventilateur; en d'autres termes, dans ce mode de réalisation, on a refaçonné l'élément 9, qui ne servait initialement qu'à des fins de ventilation, conformément aux objectifs de l'invention (en accroissant la résistivité et l'épaisseur de la paroi'. La fonction du disque 7 ou 8 et cello du ventilateur peuvent être remplies par un unique élément dans le cas o la ventilation de la machine doit être effectuée par un ventilateur radial. La construction peut être considérée comme entrant dans le cadre de l'invention lorsque, dans le cas d'un ventilateur d'une forme quelconque, fabriqué en une matière non aimantable, la résistivité est supérieure à 0,08 ohm.mm2/m et dans le cas d'une matière aimantable, la dimension axiale moyenne du disque plein du ventilateur (désignée par la référence c sur la Fig. 8) est supérieure à 20 mm. Dans le cas des éléments qui ne servent qu'à des fins de ventilation,ces paramètres ne sont pas nécessaires. Dans le rotor selon l'invention la perte est plus grande que la perte naturelle et, par conséquent, le couple de dé- marrage est également plus grand comme expliqué ci-après. La description donnée ci-après du mode de fonctionnement de l'invention se rapporte à la situation qui existe lorsque le rotor est à l'arrêt. Dans l'exemple de la Fig. 1, les lignes de flux de dis- persion communes de l'anneau de court-circuit 5 et des têtes de bobine 2 intersectent le milieu conducteur 7 ou le milieu aimantable 8 et y induisent des courants de Foucault. Il en résulte que des pertes se produisent dans le milieu conducteur 7 ou dans le milieu aimantable 8. Dans le mode de réalisation de la Fig. 2, les lignes de flux de dispersion de l'anneau de court-circuit 5 et les lignes de flux de dispersion des têtes de bobine 2 inter- sectent le disque 7 et y induisent des courants de Foucault. Par conséquent, des pertes se produisent dans le disque 7. Dans le mode de réalisation de la Fig. 3, le disque de fer 8 accroît le flux de dispersion; ainsi, dans l'anneau de court-circuit 5, le courant de déplacement et la perte sont légèrement accrus. Une partie du flux de dispersion des têtes de bobine traverse le disque 8 de sorte que le flux est con- verti en flux principal (cet effet avantageux peut être ob- servé même au cours du fonctionnement). Etant donné qu'un flux important traverse le disque de fer 8 et étant donné que le disque est fabriqué en une matière pleine,des pertes 2497-4 18 importantes se produisent. Le mode de réalisation représenté sur la Fig. 4 est la combinaison des modes de réalisation qui ont été représentés sur les Fig. 1 et 2. Le disque de fer 8 accroît le flux de dispersion qui traverse le disque 7 et, par conséquent, les pertes sont également accrues. Dans les modes de réalisation représentés sur les Fig. et 6, la bague de fer 13 assure que les lignes de flux de dispersion de l'anneau de courtcircuit 5 et des tètes de bobine 2 peuvent se fermer en direction du noyau de fer du rotor 3,c'est-à-dire par l'intermédiaire des nervures 10 ou des pattes supports 12 en direction de l'arbre 6. Sur la Fig. 7, on peut voir les encoches profondes for- mées dans l'anneau de court-circuit 5 de ce mode de réalisa- tion. Il résulte de la présence de ces encoches que les lignes de flux de dispersion de l'anneau de court-circuit tra- versent le disque dans une direction plus avantageuse prin- cipalement au milieu du disque 7 et, par conséquent, les pertes dans le disque 7 sont plus élevées. Sur la Fig. 8, on a représenté un mode de réalisation dans lequel la fonction du disque 7 ou 8 et celle du ventila- teur 9 sont remplies par un unique élément d'une forme appro- priée. Comme il résulte clairement de la description qui pré- cède, l'avantage principal du rotor de la présente invention réside en ce que, dans la partie la plus précieuse de la ma- chine, à savoir sa partie active, il existe un espace libre qui peut ôtre avantageusement utilisé pour accroître la puis- sance utile de la machine et/ou pour réduire les contraintes électromagnétiques. La solution de l'invention -- par rapport aux solutions antérieurement connues -- est considérablement plus simple, le rotor est plus facile à fabriquer et les ma- chines asynchrones ont une fiabilité de fonctionnement élevée. Les pertes additionnelles qui servent à accroître le couple de démarrage sont engendrées dans un espace qui n'avait pas été utilisé jusqu'à présent au-dessous des têtes de bobine et il en résulte que le système de cage d'écureuil sensible à l'échauffement et à la dilatation thermique est soulagé lors du démarrage. Par rapport aux machines à double cage, le travail occasionné par la fabrication des barres peut être réduit de moitié et, en même temps, les problèmes de coince- ment et de chauffage inégal, qui sont caractéristiques des machines à barres profondes, sont évités. Les éléments 7 et 8 peuvent être fabriqués en des matières bon marché. En outre, ils peuvent avoir une forme géométrique extrêmement simple, par exemple, ils peuvent être construits sous forme de disques et il va sans dire qu'un soudage est inutile et que, par conséquent, la charge thermique à laquelle ils peuvent être soumis peut être supérieure et que, du fait de leur position, un meilleur refroidissement peut être obtenu que dans les systèmes à cages.Par conséquent, avec des mo- teurs ayant les mêmes dimensions, on peut faire démarrer des charges ayant un moment d'inertie plus élevé qu'on ne pouvait antérieurement. Etant donné que le rôle des paramètres du champ des têtes de bobine, des résistances ainsi que des ré- actances est d'autant plus important que le nombre des pôles de la machine est petit, les avantages qui ont été décrits ci-dessus seront encore plus marqués avec les machines ayant un petit nombre de pôles et en particulier avec les machines à deux pôles. 2 49'7.418 1 - Rotor pour n'achine Élet.rique asynchrone -omnportant un noyau de fer mf.t.u.n.a)S7.t1, q e a rdE barres (4) monnt6es:aS!es enceebea.u --.:: s ne>". "- ellems à hoecr * n..f.. j..y. 7 5'^JXS;.-c.si. risé en -;e qul'àau.-u7 i 2h-8 -'é. 'l? n.age de. 'anreau I ' ' ' ' '-9 u; e....r ''.....- circuit, mais à ''- c -r i '-et-, -a4 aLanz i d.e ddispersion eia -i ru. 1 'n. '..t. _+t _* des tête de]cejb (2) du hato est disos au moins lin autre DI.eau l disWe orLucteu (7). 2 - Ro-or selon la revendicaticr 1, carac-isé en cc- e 1e les anneaux conducteurs (8) sont fabriqu6r er- une matière aimantable. 3 - Rotor seloz la revendicat-ion 1, caractérisé en ce que les anneaux conducteurs 7) sont fabriqués e:I une matière non aima.ntable. 4 - Potor se on la rvendicattion 1, caractérisé en ce que cert-zins des anneaux...dUcteurs (8) sont fabriqués eni une matière aimantable. - Rotor selon la revendicaticn t caractérisé en ce que l'anneau conducteur (7, 8) a la forme d'un corps de révolu- tion. - 6 - Rotor selon.'tne des revenaications 1 à 4, caractérisé en ce que 1! un des aica r.nducten-s est coznstruit sous la forme d'un ventilateur () ' 7 - Rotor selon les revendivatio3s 17 3 et 6, caractérisé en ce que la rsistivit de la natière dans aquelle l'anneau conducteur formant ven.tilateur (9) est fabriqué est supé- rieure à 0,08 obm.nun2/m. 8 - Rotor selon les revendications 1, 2 et 6, caractérisé en ce que la dimension axiale du disque plein du ventilateur (9) fabriqué en une mati re aimantable est supérieure à 20 mm. 9 - Rotor selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'anneau cornducteur est composé de plusieurs par- ties divisées axialement ou radialement. 1 1 - Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que des encoches profondes sont formées sur l'anneau de court- circuit (5) ou, respectivement, sur les disques (7, 8) entre les barres conductrices du rotor. 11 - Rotor selon l'une des revendications 1 à 10, caractéri- sé en ce qu'une bague (13) fabriquée en une matière aiman- table est disposée entre l'anneau conducteur et l'arbre (6) ou, respectivement,entre l'anneau conducteur et le noyau de fer du rotor (3).