Brevet FR2538967A1 — publié le 19840706

La présente invention concerne l'électro- technique et a notamment pour objet une machine électrique, un procédé de fabrication dgun circuit magnétique en plusieurs pièces pour ladite machine, ainsi qu'un circuit magnétique obtenu par ledit procédé. L'invention peut etre utilisée dans les machines électriques dont la culasse du circuit magnétique en plusieurs pièces est réalisée à partir d'un ruban continu, et tout particulièrement, dans les machines à courant alternatif de faible et de moyenne puissance. On connais des machines électriques à circuit magnétique en plusieurs pièces réalise sous forme de deux cylindres coaxiaux dont l'un constitue la culasse tandis que l'autre comporte une couche dentée pourvue d'encoches recevant l'enroulement (voir le certificat d'auteur URSS nO 170572, cl. HQX 3/64). Le cylindre extérieur de tels circuits magnétiques est feuilleté tandis que le cylindre intérieur comporte une zone dentée en métal plein. Une telle conception donne lieu à d'importantes pertes de métal lors du découpage des tôles destinées à constituer la culasse ( le coefficient d'utilisation du métal est d'environ 0,3), et la fabrication de la t81e est très laborieuse. On connaît un stator en plusieurs pièces pour machine électrique (voir le certificat d'auteur URSS nO 584392, cl. H02K 1/06), qui comprend une culasse obtenue en enroulant un ruban sur chant, et une couche dentée possédant des encoches s'ouvrant du c8té de la culasse et dans lesquelles est logé l'enroulement. Une telle conception entraîne un accroissement des exigences en ce qui concerne l'uniformité des propriétés mécaniques le long de tout le ruban à cause du risque de rupture de ce dernier. De plus, il est difficile d'enrouler une culasse à grand rapport des diamètres, car il se forme une ondulation sur la partieintérieure de la culasse En outre, pour obtenir des surfaces planes, le ruban doit être soumis à d'importants efforts de laminage, engendrant un écrouissage du métal qui ne disparaît pas totalement après son traitement thermique quiest indispensable, dans le cas considéré, pour maintenir les bonnes propriétés magnétiques du métal De plus, en cherchant à préserver la planéité superficielle, on porte préjudicie au parallélisme de la baisez celle-ci prenant alors la forme d'un trapèze dont la plus petite base est orientée vers le diamètre extérieur, les couches de la culasse ne s'appliquent pas ftimement les unescontre les autres, ce qui aboutit à une diminution du facteur de remplissage de l'empilage de tôles et, par conséquent, à une altération des paramètres du circuit magnétique. On connaît également une machine électrique dont le circuit magnétique est constitué de deux pièces autonomes une zone dentée constituée par un matériau ondulé, et une culasse réalisée par enroulement du ruban sur chant (brevet USA nO 3.983.435, CIB H02K 1/06) Lors de la fabrication d'un tel circuit magnétique, au cours de l'enroulement de la culasse, le rapport des diamètres extérieur et intérieur de la spirale augmente, laproMadgité des rebute croit proportionnellement à l'aug- mentation du rapport des diamètres de la spirale, par suite de la formation de ruptures dans la zone du grand diamètre etdel'apparition possible de plis (gaufres) dans la zone du petit diamètre., ce qui est le cas en particulier pour les rubans minces.De plus, quand l'enroulement de la culasse s'effectue avec augmentation du rapport des diamètres extérieur et intérieur de la spirale, le facteur de remplis sage de l'empilage de la culasse par l'acier diminue proportionnellement à I'augmentation du rapport desdits diamètres. Tous ces inconvénients affectent sensiblement les caractéristiques des machines électriques connues et abaissent la qualité des noyaux. On connaît un procédé de fabrication de stators pour machines électriques,qui qui consiste à enrouler la culasse du circuit magnétique à partir de plusieurs rubans simultanément. Des rubans en fer doux de différentes largeurs sont enroulés sur chant pour obtenir une spirale. L'un desdits rubans forme le cylindre intérieur,et et l'autre, le cylindre extérieur. On obtient ainsi une culasse dont le dos a une grande hauteur. Après le traitement thermique, la calamine forme entre les cylindres une couche isolante (voir le brevet Grande-Bretagne nO 1037902, CIB I102K 1/06). La mise en oeuvre de ce procédé exige des équipements technologiques compliqués étant donné que l'enroulement simultané des deux cylindres exige une haute précision de la tension des deux rubans suivant toute leur section. Vu les largeurs différentes des rubans (ce qui est tout à fait admissible), ces derniers subissent différent-es contraintes transversales lors de l'enroulement, ce qui a une influence négative sur le processus d'enroulement de la spirale et entraîne l'obtention de circuits magnétiques de longueurs différentes, ce qui est indésirable du point de vue énergétique. Enfin, un circuit magnétique en plusieurs pièces présente un inconvénient important, à savoir, l'espacement technologique entre la culasse et la zone dentée. Dans les conceptions connues, il peut y avoir un espacement supplémentaire à l'intérieur de la culasse, ce qui aggrave encore davantage les inconvénients de la machine. I1 est impossible de contrôler la hauteur et la longueur de ces espacements, et l'air se trouvant dans le circuit magnétique conduit à une baisse de l'intensité magnétique et à un accroissement du courant d'aimantation, d'où une diminution correspondante des paramètres energétiques des machines électriques. La présente invention a donc pour but de créer une machine électrique et un procédé de fabrication de son circuit magnétique en plusieurs pièces, qui assureraient une amélioration du facteur de remplissage de l'empilage du circuit magnétique par le matériau ferromagnétique. Ce but est atteint du fait que la machine électrique comportant un rotor et un stator coopérant entre eux et dont au moins l'un comporte un circuit magnétique constitué de plusieurs pièces et comprenant une zone dentée et une culasse coopérant entre elles, ladite culasse étant réalisée sous forme d'une spirale cylindrique obtenue par enroulement sur chant d'un ruban continu en matériau ferro-magnétique,est caracté risée,suivant l'invention, en ce que le ruban continu est réalisé en deux couches en étant pliée en deux le long de son axe longitudinal, les bords dudit ruban, après son enroulement en spirale, étant orientés vers ladite zone dentée. Au moins un autre ruban, de largeur égale à la différence entre la hauteur de la culasse 1'épaisseur du ruban continu, peut être placé entre lesdites couches du ruban continu plié. Il est avantageux que le ruban continu ait un profil tel, que lorsque la culasse est enroulée à partir de ce ruban, les spires de la spirale possèdent des parties formant des ailettes de refroidissement orientées dans le sens opposé par rapport aux bords du ruban continu. Le problème exposé plus haut est également résolu en ce que le procédé de fabrication d'un circuit magnétique en plusieurs pièces destiné à une machine électrique,du du type consistant à couper le matériau ferromagnétique en rubans continus de largeur déterminée, à former la culasse du circuit magnétique en plusieurs pièces par enroulement sur chant dudit ruban continu sous forme d'une spirale cylindriquet est caractérisé,suivant l'invention, en ce que le matériau ferromagnétique est coupé en un ruban de largeur égale ou supérieure à la double hauteur de la culasse, le ruban est plié en deux le long de son axe longitudinal,et le ruban continu est comprimé suivant son épaisseur jusqu'à obtention de deux couches entre lesquelles est formé, en dessous de la zone de pliage, un espacement en forme de goutte. I1 est avantageux de choisir une largeur du ruban continu égale à la somme de la double hauteur de la culasse et de l'épaisseur totale des rubans disposés entre les couches, dont chacun La une largeur égale à la hauteur de la culasse, d'interposer ensuite ces rubans entre les couches du ruban continu principal plié en forme de goulotte dont la largeur intérieure est égale à l'épaisseur totale des rubans qui y sont logés. I1 est avantageux de choisir une largeur du ruban continu principal égale à la somme de la double hauteur de la culasse,de l'épaisseur totale de tous les rubans logés entre les couches de ruban continu principal, et de la double hauteur de l'ailette de refroidissement, la formation de cette ailette de refroidissement se faisant après le pliage en deux du ruban continu principal Le procédé proposé de fabrication d'un circuit magnétique en deux pièces pour machine électrique, permet d'obtenir un facteur de remplissage de l'empilage du circuit magnétique sensiblement plus élevé que dans les machines électriques connus et d'améliorer, par conséquent, leurs paramètres énergétiques. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de - différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure I représente une coupe transversale d'une machine électrique conforme à la présente invention - la figure 2 représente une culasse de circuit magnétique en plusieurs pièces d'une machine électrique conforme à la présente invention - la figure 3 représente une partie de spire de culasse à l'endroit de pliage du ruban continu - la figure 4 représente une culasse de circuit magné tique en plusieurs pièces, pourvue d'ailettes de refroidissement conformément à l'invention - la figure 5 représente une partie de spire de la culasse conforme à l'inventiong à plus grande échelle la figure 6 illustre une variante de réalisation d'une spire de spirale , en forme de goulotte, selon l'in- vention. La machine électrique faisant l'objet de 15invention possède un carter 1 (figure 1) dans lequel sont disposés un stator 2 et un rotor 3 coopérant entre eux d'une manière connue en soi. L'un dieux, ou tous deux comme représenté sur le dessin, ont un circuit magnétique en plusieurs pièces qui, à son tour, comporte une zone dentée 4 et une culasse 5 coopérant avec ladite zone dentée 4 d'une manière connue en soi. La culasse 5 est constitué par une spirale cylindrique 6 (figure 2 ) de diamètre intérieur D 1 t et de diamètre extérieur D 2, obtenue par enroulement sur chant d'un ruban continu 7 en matériau ferromagnétique. Le ruban 7 comporte deux couches 8, 9 (figure 3) qui sont obtenues par pliage en deux du ruban 7 le long de son axe longitudinal 10. Lorsque le ruban 7 est ainsi plié en deux, un espacement Il à profil sensiblement en forme de goutte se forme à lsendroit de pliage. Etant donné que chacune des spires a une surface sphérique à l'endroit de pliage du ruban 7, ladite surface sphérique assure une augmentation de la surface totale de toute la culasse, les spires elles mêmes constituant en fait des ailettes de refroidissement. Toutefois, étant donné que le ruban 7 est plié en deux, et en particulier si, après le pliage, il acquiert un profil en goulotte, on peut créer des ailettes de refroidissement proprement dites 12 (figures 4, 5 ), qui formeront des canaux spécialement destines a l'écoulement d'un fluide de refroidissement. Sur les figures 4 et 5 est illustrée une variante de réalisation du profil du ruban 7, suivant laquelle une partie de ce profil, comportant deux couches de matériau ferromagnétique 8,9 qui ne sont pas séparées l'une de l'autre, forme ladite ailette 12. On peut plier le ruban continu 7 en forme de goulotte 13 (figure 6) et placer entre les couches 8 et 9 un ou plusieurs rubans supplémentaires. Les figures 4 et 5 illustrent une variante avec deux rubans 14 entre lesquels se trouve une couche isolante 15. Une couche isolante 16 sépare les rubans 14 de chacune des couches 8 et 9. La largeur + (figure 6) de chaque ruban 14 est choisie égale à la différence entre la hauteur a de la culasse et l'épaisseur A du ruban 7. Les bords 17 (figure 2, 4) du ruban 7 de la culasse 5 (figure 1) sont orientés vers la zone dentée 4. La machine électrique conforme à l'invention fonctionne d'une façon généralement connue. Dans l'exposé dessous on n'examine que le procédé de fabrication de la culasse 5 faisant partie du circuit magnétique en plusieurs pièces. La fabrication de la culasse enroulée 5 d'un circuit magnétique se fait en quelques étapes essentielles. A partir d'un rouleau de bande d'acier électrique laminé à froid, on obtient par découpage des rubans 7 de largeur égale à la double hauteur de la culasseS. Les rubans 7 enroulés en bobines servent à la fabrication des circuits magnétiques. A cet effet , les rubans 7 sont débobinés et amenés dans un dispositif où le ruban 7 est plié en deux le long de son axe longitudinal 10. Lors de l'exécution de cette opération technologique, il est très important que les bords. 17 du ruban 7 colncident, afin qu'auprès le pliage les bords 17 soient situés à un même niveau. Le ruban 7 plié est soumis à une compression de façon à ce que les couches 8, 9 soient intimement appliquées l'une contre l'autre sans être courbéesen sabre ; à l'endroit de pliage on laisse un petit espacement Il en forme de goutte.Le ruban 7 plié est enroulé en spirale cylindrique 6, le ruban 7 subissant simultanément l'action des efforts de rotation et des efforts axiaux de precompression. L'enroulement du ruban 7 en spirale 6 s'effectue sur chant, et la redistribution des efforts de compression sur les couches 8, 9 du ruban 7 prévient la formation d'ondulations. Les efforts d'extension à la périphérie de la spirale 6 de ruban en une couche auraient rendu le ruban plus mince, n'était le fait que dans le procédé selon l'invention, le ruban 7 subit une déformation à l'endroit de pliage et le matériau du ruban 7 se déplace vers l'espacement 11 en forme de goutte prévu spécialement à cet effet.Ceci permet de préserver la section rectangulaire du ruban, ce qui favorise l'obtention d'un facteur de remplissage éleva de l'empilage du circuit magnétique par le matériau ferromagnétique. il est souhaitable que l'épais- seur de la spirale soit d'autant plus grandeque le rapport des diamètres D1 et D2 de la culasse 5 est plus élevé, et ce, afin d'éviter la formation d'ondulations et l'amincissement de la périphérie. Dans ce cas, on modifie la conception de la spirale. Pendant le pliage en deux du ruban, au moins un ruban 14 peut être disposé entre les couches 8, 9. Par exemple, pour réduire les pertes par courants de Foucault dans le matériau du circuit magnétique, on dispose entre les couches 8, 9 du ruban 7 un ruban isolant ou un ruban 14 en acier recouvert d'un revêtement isolant Quand on procède au laminage du ruban multicouche, on fait en sorte que les bords 17 des couches 8,9 se trouvent à un même niveau. Ceci est important, car les bords 17 sont orientés vers la zone dentée 4 et les hauteurs différentes des couches 8, 9 peuvent conduire àueaugmentation de l'entrefer technologique 18 (figure 1). Dans les différentes machines électriques on utilise des systèmes de ventilation longitudinale, transversale ou mixte. il est désirable, pour ces deux derniers systèmes de ventilation, d'avoir une surface nervurée. Pour augmenter la surface d'échange thermique de l'empilage, on peut enrouler la spirale de la culasse avec des ailettes de refroidissement 12 préalablement formées. A cet fin, on prépare un ruban 7 dont la largeur N est égale à la double hauteur h (figure 5) de la culasse, au double de la hauteur h3 du bord, plus 1PépaisseuraJ1' a du ruban ou de plusieurs rubans disposés à l'intérieur du ruban principal extérieur 7. En laminant un ruban multicouche, on forme l'ailette 12 qui est composée de deux couches 8, 9 et de l'arrête de pli. Pour mieux utiliser le circuit magnétique, il est nécessaire de considérer les ailettes 12 comme faisant partie de la culasse5. Etant donné que, par suite de la faible section transversale des ailettes 12, ces dernières seront traversées par un flux magnétique élevé qui donnera naissance à des pertes par effet Joule il est préférable de refroidir cet endroit, de sorte qu'on peut s'attendrie à une égalisation de l'état énergétique suivant la section transversale de la culasse5. Si la fabrication de la spirale 6 de la culasse 5 se fait avec les ailettes 12, une version sans carter de la machine électrique est possible, étant donné que la résistance mécanique d'un tel circuit magnétique est supérieure à la résistance des empilages enroulés en spirale à une seule couche. il est possible d'usiner la culasse 5 suivant son diamètre extérieur en vue d'obtenir une dimension uniforme assurant le contact avec le carter 1. Lors de l'enroulement du ruban 7 en spirale 6, les épaulements-se trouvant des deux côtés de l'ailette 12 sont légèrement comprimés. il en résulte une séparation conventionnelle de l'ensemble en deux cylindres, car, d'une façon générale, ce seront les épaule ments qui feront l'objet de déformations, et dans ce cas l'augmentation du rapport des diamètres D 1 et D 2 de la spirale 6 est avantageux. La présente invention permet d'augmenter le facteur de remplissage de l'empilage par le matériau ferromagnétique, d'améliorer l'utilisation du matériau magnétique, d'intensifier les échanges calorifiques de l'empilage, d'améliorer la qualité de l'empilage du circuit magnétique, d'élargir la gamme de dimensions des circuits magnétiquesp car ltempic lage doté d'ailettes peut entre enroulé avec un plus grand rapport de diamètres. D'autre part, il devient possible de réaliser des machines électriques sans carter. R E V E N D I C A T I O N S 1. Machine électrique comportant un stator (2) et un rotor (3) coopérant entre eux, au moins ledit stator ou ledit rotor comportant un circuit magnétique en plusieurs pièces,comprenant'une zone dentée (4) et une culasse (5)comprenar avec ladite zone dentée et réalisée sous forme d'une spirale cylindrique (6) obtenue par enroulement sur chant d'un ruban continu (7) en matériau ferromagnétique, caractérisés en ce que le ruban continu (7) est constitué de deux couches en étant plié en deux le long de son axe longitudinal (10) > les bords (17) dudit ruban enroulé en spirale (6) étant orientés vers la zone dentée (4) 2.Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que dans la culasse (5) du circuit magnétique en plusieurs pièces, entre les couches (8,9 ) du ruban continu (7) plié, est placée au moins un ruban (14) dont la largeur (h î est égale à la différence entre la hauteur (b2 de la culasse (5) et l'épaisseur (k) du ruban continu (7). 3 Machine électrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le pliage en deux du ruban continu (7) est effectué de telle façon que lorsque ledit ruban est enroulé en spirale cylindrique (6), les spires de la spirale (6) possèdent des parties formant avec les couches (8, 9) du ruban continu (7) des ailettes (12) orientées dans le sens opposé par rapport aux bords (17) du ruban continu (7). 4. Procédé de fabrication d'un circuit magnétique en plusieurs pièces pour machine électrique, du type consistant à couper un matériau magnétique en rubans continus (7) de largeur déterminée, à former la culasse (5) du circuit magnétique en plusieurs pièces par enroulement sur chant dudit ruban continu sous forme d'une spirale cylindrique (6),carac- térisé en ce que le matériau ferromagnétique,est coupé en un ruban continu (7) de largeur égale ou supérieure à la double hauteur de la culasse (5), ledit ruban continu est plié en deux le long de son axe longitudinal (10) et le ruban continu (7) plié est comprimé suivant son épaisseur jusqu'à obtention de deux couches (8, 9 ) entre lesqueIMsse trouve, en dessous de la zone de pliage, un espacement (11) en forme de goutte. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la largeur du ruban continu (7) est choisie égale à la somme de la double hauteur de la culasse (5) et de ltépaiso seur totale des rubans (14) disposés entre les couches (8,9), la largeur de chaque ruban (14) étant égale à la hauteur de la culasse (5), après quoi ces rubans (14) sont interposés entre les couches (8,9) du ruban continu principal (7) plié en forme de goulotte dont la largeur intérieure est égale à l'épaisseur totale des rubans (14) à placer entre lesdites couches. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on choisit une largeur du ruban continu principal (7) égale à la somme de la double hauteur de la culasse (5), de l'épaisseur totale de tous les rubans (14) à placer entre les couches (8,9) du ruban continu principal (7), e-t de la double hauteur de l'ailette (12) à former, la formation de cette ailette (12) se faisant après le pliage en deux du ruban continu principal (7). 7. Circuit magnétique en plusieurs pièces caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé suivant l'une des revendications 4, 5 et 6.