Brevet FR2500776A1 — publié le 19820903

Electro-broche d'usinage. L'invention concerne les électro-broches d'usinage, c'est-à-dire les ensembles constitués par un moteur électrique dont l'arbre du rotor est conçu et agencé pour constituer une broche rotative de réception directe d'un outil d'usinage, tel qu'une fraise ou un foret, par exemple, l'ensemble étant équipé d'un système de refroidissement. Dans les ensembles connus de ce genre, le moteur électrique est du type asynchrone à rotor bobiné; le rotor subit donc un échauffement important par effet Joule et la chaleur qui s'en dégage se propage dans toutes les parties de l'ensemble. Il est évidemment indispensable de limiter la température des différents organes de l'ensemble pour qu'il puisse fonctionner dans de bonnes conditions et que la précision des usinages exécutés avec les outils montés dans la broche ne soit pas perturbée par des effets de dilatation excessifs. On est donc conduit à équiper les ensembles de ce genre d'un système de refroidissement efficace. A cet effet, deux solutions sont couramment utilisées. Un premier procédé consiste à réaliser, au sein même de l'ensemble, des circuits de circulation d'huile destinée à extraire les calories à l'endroit où elles sont produites pour les évacuer à l'extérieur de l'ensemble; une telle solution est efficace, mais elle est relativement coûteuse à réaliser et nécessite une installation de refroidissement de l'huile avant sa réintroduction dans l'ensemble mécanique.Un deuxième procédé consiste à refroidir l'ensemble en soufflant de l'air sur sa surface extérieure munie d'ailettes en vue d'augmenter la surface des échanges calorifiques, mais ce procédé ne donne pas entière satisfaction; on lui reproche, en effet, de manquer d'efficacité parce qu'il n'est pas très rationnel de prélever les calories sur la périphérie de l'ensemble, alors qu'elles sont produites, au contraire, dans la partie tout à fait centrale de l'ensemble, à savoir : au sein même du rotor du moteur électrique. Enfin, lorsque la turbine de ventilation est fixée sur l'arbre du moteur de l'électro-broche, elle tourne donc à la même vitesse que cet arbre, ce qui donne lieu à un niveau sonore très élevé. Le but de l'invention est de réaliser une électrobroche qui ne présente pas les inconvénients précités des électro-broches connues. A cet effet, suivant l'invention, le moteur électrique est du type synchrone à rotor à aimants permanents et le système de refroidissement est du type à circulation forcée d'air, soit par soufflage d'air, soit par aspiration d'air. Grâce à cette conception particulière, le dégagement de chaleur est considérablement moindre que dans les électro-broches classiques à moteur électrique asynchrone à rotor bobiné, puisque le rotor est équipé d'aimants permanents. L'échauffement du rotor à vide est moindre, mais c'est surtout en charge que la différence est importante parce que le glissement entre la vitesse de rotation du champ tournant inducteur et-la vitesse réelle de rotation de l'arbre du moteur est nulle et que, par conséquent, les pertes dans le fer du rotor sont nulles également. Il en résulte qu'un système de refroidissement par circulation forcée d'air, autrefois d'une efficacité insuffisante, pour des électro-broches à moteur asynchrone, est capable de fournir des résultats tout à fait satisfaisants avec une électro-broche à moteur synchrone à rotor à aimants permanents. La nouvelle solution suivant l'invention présente encore d'autres avantages. En effet, elle procure une amélioration du cosinus "phi" permettant de moins surdimensionner le convertisseur, surtout dans le cas d'une alimentation en parallèle, et de réduire les pertes dans le stator du moteur. Elle assure une vitesse de rotation de la broche d'usinage rigoureusement stable, indépendamment des variations de la puissance qu'elle est appelée à fournir. Elle permet de simplifier considérablement, en particulier, le montage des roulements arrière, par rapport à celui nécessité par l'utilisation d'un système de refroidissement par huile, et de réduire le bruit d'environ lOdb par la suppression du groupe de refroidissement par huile.De plus, étant donné qu'un moteur synchrone à rotor à aimants permanents est réversible, en cas d'arrêt de sécurité il travaille en génératrice et assure un freinage sans qu'on ait besoin de l'alimenter en courant électrique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invention. Sur ces dessins La figure 1 est une coupe longitudinale de l'ensemble de l'électro-broche équipée de son système de refroidissement, et La figure 2 est une coupe transversale faite suivant la ligne. 11-11 de la fig. 1. L'électro-broche équipée de son système de refroidissement représentée sur les figures 1 et 2 comporte un corps 1 de forme générale cylindrique tubulaire sur les extrémités duquel sont montés, respectivement, un palier avant 2 et un palier arrière 3 qui servent de supports à la broche rotative 5 de l'électro-broche, par l'intermédiaire de roulements 6 et 7 respectivement. L'extrémité avant du palier 2 est fermée par un chapeau 8. La broche rotative 5 constitue elle-même l'arbre du rotor 11 d'un moteur électrique synchrone 9 à aimants permanents formés de barreaux 12 et d'une cage d'écureuil qui permet le démarrage et amène le moteur à sa vitesse de synchronisme. Le nez 17 de la broche 5 est aménagé de toute manière classique appropriée de manière à pouvoir recevoir des outils d'usinage, tels que fraises ou forets, munis de queues coniques pourvues d'encoches de positionnement circonférentiel coopérant avec des dés 18 du nez de broche, suivant une structure bien connue qui ne fait pas partie de l'invention et qu'on ne décrira pas en détail ici, pas plus que les moyens habituels de blocage et de déblocage des outils. Le système de refroidissement par circulation forcée d'air comporte un ventilateur désigné dans son ensemble par 21 et dont l'orifice de refoulement d'air est relié à une tuyère tubulaire annulaire 22 montée coaxialement sur l'extrémité arrière de l'électro-broche. Dans-l'exemple, le ventilateur est du type axial dont les pales obliques 21' sont montées sur l'arbre 23 du rotor 24 d'un moteur électrique asynchrone 25 dont le stator 26 est porté par une carcasse cylindrique 27 fixée sur l'extrémité arrière de la paroi tubulaire intérieure 31 de la tuyère 22, l'extrémité arrière de la paroi extérieure 32 de ladite tuyère étant munie d'une grille de protection 33 destinée à éviter l'introduction de corps étrangers dans le ventilateur 21. La majeure partie de la tuyère 22 est de forme générale tronconique qui va en s'élargissant de l'arrière vers l'avant de telle manière que l'extrémité avant de la paroi intérieure de la tuyère aboutit sur la périphérie du palier arrière 3. Le corps cylindrique 1 est pourvu d'ailettes longitudinales 36 qui s'étendent, en direction radiale, en regard de la section annulaire de 11 extrémité avant de la tuyère 22. En d'autres termes, le diamètre de 1' extrémité avant de la paroi extérieure 32 de la tuyère correspond au diamètre sur lequel se trouvent les sommets des ailettes 36. Ainsi, les filets d'air soufflé par le ventilateur lèchent lesdites ailettes comme indiqué par les flèches 37 et évacuent dans l'atmosphère les calories qui prennent naissance au sein du moteur électrique principal 9.Etant donne que le ventilateur 21 est entrain par un moteur électrique asynchrone indépendant 25, sa vitesse est constante et son efficacité est toujours maximum, quelle que soit la valeur de la vitesse de rotation de la broche porte-outil 5 en fonction du diamètre de l'outil utilisé; de plus, le bruit qu'il produit est relativement faible On ne reviendra pas sur les avantages de conception d'une telle électrobroche, puisque ceux-ci ont déjà été exposés en détail plus haut. A titre de variante, la circulation forcée d'air de refroidissement produite par le ventilateur 25, pourrait être produite, non pas par refoulement, comme dans l'exemple décrit plus haut, mais par aspiration comme indiqué par les flèches 37' en traits interrompus. Au moins dans ce cas, il conviendrait que la tuyère 22 soit prolongée le long des ailettes 36 du corps cylindrique, comme indiqué en 16. REVENDICATIONS 1 - Electro-broche d'usinage, c'est-à-dire ensemble formé par un moteur électrique dont l'arbre du rotor est conçu et agencé pour constituer une broche rotative de réception directe d'un outil d'usinage, tel qu'une fraise ou un foret, #par exemple, l'ensemble étant équipé d'un système de refroidissement, caractérisé en ce que le moteur électrique (9) est du type synchrone à rotor (11) à aimants permanents (12) et le système de refroidissement (21, 22) est du type à circulation forcée d'air. 2 - Electro-broche suivant la revendication 1, carac térisée en ce que le système de refroidissement à circulation forcée d'air comporte un ventilateur (21) ayant un orifice d'aspiration d'air et un orifice de refoulement d'air, l'un desdits orifices étant relié à une tuyère tubulaire annulaire (22) montée coaxialement sur l'extrémité arrière de l'électro-broche pourvue d'ailettes longitudinales (36) qui s'étendent en direction radiale, en regard de la section annulaire de ladite tuyère. 3 - Electro-broche suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le ventilateur (2S est du type axial et est fixé dans l'extrémité arrière de la tuyère (22). 4 - Electro-broche suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le ventilateur (21) est équipé d'un moteur électrique asynchrone (25), fonctionnant indépendamment du moteur de broche. 5 - Electro-broche suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'orifice de refoulement d'air du ventilateur (21) est relié à la tuyère tubulaire 22, le refroidissement étant assuré par l'air soufflé par le ventilateur. 6 - Electro-broche suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'orifice d'aspiration d'air du ventilateur (21) est relié à la tuyère tubulaire (22), le refroidissement étant assuré par l'air aspiré par le ventilateur.