Brevet FR2537798A1 — publié le 19840615

La présente invention concerne le circuit magnétique des machines à courant alternatif à piles non saillants, et notamment les circuits magnétiques composites pour machines électriques. t1 invention peut être appliquée à la construction électrique, notamment aux circuits magnétiques pour machines à courant alternatif de petite et moyenne puissance, ainsi qu'aux micromoteurs du type cylindrique ou à entrefer plan et linéaire. De telles machines peuvent être à usage industriel général ou à usage spécial ou domestique. Dans les méthodes clåssiques'de'fabricattion, l'un des sous-ensembles d'une machine électrique nécessitant la plus grande quantité de métal est le circuit magnétique, et le coefficient d'utilisation des tôles magnétiques ne dépasse pas 0,53 en moyenne. Pour construire 10 millions de moteurs électriques de moyenne puissance, on utilise environ 250 millions de tonnes de tôles magnétiques, dont presque 120 millions vont aux déchets. La recherche de solutions techniques plus économiques pour la création de conceptions plus avantageuses et pour l'élaboration de méthodes avancées pour la fabrication des circuits magnétiques des machines élec'- triques, en vue d'une utilisation aussi avantageuse que possible des tôles magnétiques, a abouti à la création de circuits magnétiques composites tour machines électriques, fabriqués sans déchets. Le circuit magnétique de conception composite d'un stator est constitué par deux parties indépendantes : une culasse, réalisée sous la forme d'une bande continue enroulée sur chant, et une zone dentée ondulée.Le circuit magnétique du rotor est constitué par une zone dentée ondulée et une culasse qui peut etre formée par une bande enroulée sur chant, comme dans le stator, ou etre massive, en acier, en un matériau magnéto-diélectrique, en un matériau métallocéramique ou en fonte. On connait un circuit magnétique pour machine électrique (certificat d'auteur de l'URSS nO 584 392, 1975 > , comprenant une culasse, constituée par une bande enroulée sur chant, et une zone dentée avec des encoches. La zone dentée est constituée par une bande ondulée avec des nervures radiales orientées selon l'axe du stator. Par suite de la présence d'arrondis aux extrémités des éléments formant les plaques des dents, l'entrefer, tant entre le stator et le rotor qu'entre la couche dentée et la culasse du stator,"ést augmenté. En'outre,' les propriété s de perméance du matériau magnétiquement doux sont altérées aux extrémités des dents ayant subi une déformation mécanique, ce qui se traduit également par une augmentation de l'entrefer, entrainant une augmentation du courant d'aimantation et, par conséquent, une réduction du facteur de puissance et du rendement du circuit magnétique. Par suite des hétérogénéités des propriétés mécaniques suivant la longueur de la bande, les nervures se formant lors de l'ondulation ont des hauteurs différentes et elles sont ensuite égalisées par enlèvement de métal. Le circuit magnétique composite pour machine électrique qui est le plus proche de l'objet de la présente demande de brevet est celui décrit dans le US nO 3 983 435, qui décrit une culasse constituée par une bande enroulée et une zone dentée comprenant des encoches pour l'enroulement et des dents constituées par une bande continue ondulée avec des nervures radiales orientées selon l'axe de la machine électrique. Les flux magnétiques passant par les couches adjacentes de la bande se rencontrent au sommet des ondulations et les sursaturent. Il s'ensuit que les ondulations deviennent la source de fuites magnétiques sup plémentaires, ce qui réduit le rendement de la machine électrique. L'élimination prévue de la crete des ondulations par enlèvement de métal augmente la main-d'oeuvre nécessaire pour la fabrication du circuit magnétique et peut provoquer le fractionnement de la bande en plusieurs parties, ce qui complique l'assemblage d'un tel circuit magnétique. L'invention a pour but de créer un circuit magnétique composite pour machine électrique dont la zone dentée a une conception telle qu'elle permet une meilleure orécision de la géométrie de la zone dentée, d'augmenter les performancesténergétiqúes de la machine, par exemple le rendement, d'accroître le coefficient de remelissa- ge des dents par le matériau ferromagnétique, de simpli- fier la méthode de fabrication du circuit magnétique composite, grace au fait que l'on peut suporimer'l'usinage par enlèvement de métal de l'alésage du circuit magnétique statorique et d'élargir le champ d'application du circuit magnétique, par exemple aux rotors de machines électrique s. L'invention a donc pour objet un circuit magnétique composite pour machine électrique comprenant une culasse et une zone dentée comprenant des encoches pour l'enroulement et des dents constituées nar une bande continue ondulée avec des nervures radiales orientées selon 1 axe de la machine électrique, ce circuit étant caractérisé en ce que la zone dentée est constituée par des portions de bande ondulée se présentant sous la forme de gouttières dont la longueur est égale à la longueur du circuit magnétique et dont la section droite a un périmètre qui est au moins égal à la largeur de la bande à onduler, ces gouttières étant réunies par des liaisons, et les gouttières de chaque paire de-outtières successives étant repliées l'une par rapport à l'autre de 1800 tandis que les liaisons sont alternativement situées aux faces d'extrémité de la zone dentée, chacune de ces liaisons étant une partie de la bande continue ondulée faisant corps avec les gouttières successives et ayant une hauteur égale à la hauteur de la zone dentée. Les parois latérales des gouttières peuvent présenter plusieurs couches. Les parois latérales des gouttières peuvent être rabattues l'une contre l'autre, les Parties rabattues formant la fente de l'encoche. Chaque liaison entre les gouttières successives peut éqalement avoir une longueur égale à la largeur de la dent. I1 est avantageux que la partie frontale de la dent opposée à la liaison soit recouverte par des languettes faisant corps avec les parois latérales des gouttières. Il est préférable que l'espace entre les parois latérales des gouttières successives, la liaison et les languettes soit rempli par une bande ferromagnétique. Il est avantageux de prévoir des languettes faisant corps avec le fond des gouttières et destinées à la fixation de la zone dentée à la culasse, ces languettes étant disposées sur la face de la culasse. L'invention permet d'accroître le coefficient d'utilisation du matériau actif, d'obtenir un haut coefficient de remplissage du circuit magnétique par le fer, ce qui accroit les performances énergétiques de la machine électrique, de réaliser le circuit magnétique par des opérations plus simules, nécessitant un matériel consommant moins d'énergie et se prenant bien à l'automatisation, d'obtenir les cotes prescrites avec une grande précision et d'éloigner les zones éventuelles d'écrouissage du chemin suivi par le flux magnétique, ce qui rend possible l'emploi d'une bande d'acier ayant subi au préalable un recuit de recristallisation. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par des exemples de réalisation concrets et par des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente une forme de réalisation du circuit magnétique d'une machine électrique, par exemple du circuit magnétique du rotor, selon l'invention - la figure 2 représente une partie de la- zone dentée, réalisée avec des portions de bande sous la forme de gouttières, selon l'invention - la figure 3 représente une partie de la bande ferroma'gnétique continue avec'des entailles transversales, selon l'invention ; - la figure 4 représente une partie du circuit magnétique d'une machine électrique, par exemple linéaire, dans lequel les parois des gouttières de la zone dentée ont plusieurs couches ;; - la figure 5 représente une partie du circuit magnétique d'une machine électrique avec une zone dentée à encoches semi-fermées ; - la figure 6 représente une partie de la zone dentée du circuit magnétique d'une machine électrique avec des languettes de montage et des dents mises en place ; - la figure 7 représente une partie de la bande continue avec des entailles transversales et longitudinales ; - la figure 8 représente le circuit magnétique du stator d'une machine électrique cylindrique à encoches inclinées ; - la figure 9 représente une vue suivant lafleche A de la zone dentée du circuit magnétique de la figure 8. Le circuit magnétique composite pour machine électrique comprend une culasse 1 (figure 1) et une zone dentée 2 constituée par les portions d'une bande ondulée continue 3. Chacune desdites portions est une gouttière (figure 2) formant l'encoche de la zone dentée 2 recevant l'enroulement 5 (figure 1). Les dents 6 sont formées par les nervures 7 des ondulations. Les gouttieres 4 (figure 2) ont une longueur égale à la longueur du circuit magnétique et leur section droite a un périmètre au moins égal à la largeur de la bande 3 à onduler et elles sont réunies par des liaisons 8. Les gouttières 4 de chaque paire de gouttières 4 successives sont repliées l'une par rapport à l'autre de 1800. Les liaisons 8, situées alternativement aux faces d'extrémité de la zone dentée 2, sont constitueés'par une partie de la bande ondulée continue -3 et font corps avec les gouttières 4 successives. La hauteur des liaisons 8 est égale à la hauteur des dents 6. La figure 3 représente une partie de la bande 9 en matériau ferromagnétique, dans laquelle ont été exécutées des entailles 10 et 11, partant alternativement des bords opposés de la bande 9. La distance entre les entailles 10 et 11 est égale à la longueur du circuit magnétique. La largeur "a" de la bande 9 est egale au périmètre de l'encoche 4 de la zone dentée 2. Afin de conserver une géométrie uniforme du circuit magnétique, les parois 12 (figure 4) des gouttières 4 peuvent présenter plusieurs couches, de façon à obtenir des dents 6 plus épaisses. Pour améliorer les performances énergétiques - de la machine électrique, l'encoche 4 peut être réalisée semi-fermée, avec une fente 13 (figure 5), située entre les becs 14 qui font corps avec les parois 12 de la gouttière 4. Pour simplifier la fixation de la zone dentée 2 à la culasse 1 et la fixation des dents 6 à la zone dentée 2, il est prévu des languettes 15 et 16 (figure 6), faisant corps avec les parois latérales 12 et le fond de la gouttière 4 respectivement. Pour obtenir les languettes 15 et 16, des entailles 17 et 18(Figure 7) sont exécutées dans la bande 9. Chaque liaison 8 (figure 6) entre deux gouttières 4 successives a une longueur égale à la largeur de la dent 6 et sa fonction est d'assurer la continuité de la structure de la zone dentée 2. La partie frontale de la dent 6 opposée à la liaison 8 est recouverte par les languettes 15 faisant corps avec les parois 12 de la gouttière 4. La figure 8 représente le circuit magnétique du stator diune machine électrique, dans lequel la zone dentée 2 est fixée à la culasse 1 à l'aide des languettes 16. Cela simplifie la méthode de fixation de la zone dentée 2 à la culasse 1 et confère une plus grande fiabilité au circuit magnétique composite. L'espace entre les parois 12 des gouttières 4 successives, la liaison 8 et les languettes 15 est rempli d'une bande ferromagnétique 19. Un entrefer 20 est présent entre la zone dentée 2 et la culasse 1 (figure 8). La figure 9 représente la vue suivant-la flèche A de la figure 8, montrant des gouttières 4 dont les parois sont inclinées d'un angle a par rapport à l'axe de symétrie longitudinal du circuit magnétique composite; afin d'améliorer les caractéristiques vibro-acoustiques de la machine électrique. Le procédé de fabrication du circuit magnétique composite faisant l'objet de l'invention comprend les opérations suivantes - refendage d'une bande d'acier de départ en bandes 9 (figure 3) ayant une largeur "a" prédéterminée - rupture de la bande 9 à l'endroit des entailles 10 et 11 perpendiculairement à l'axe longitudinal de la bande 9, la distance entre les entailles 10 et Il étant égale à la longueur du circuit magnétique. Les profondeurs des entailles -10 et 11 peuvent être différentes.Les entailles 10 et 11 peuvent etre exécutées de part et d'autre de la bande- 9, ou bien alternativement d un côté et de l'autre, avec un espacement égal à deux longueurs du~circuit magnétique à chacun des bords de la bande, mais de telle façon qu'il reste toujours dans la bande 9 une portion de largeur non coupée égale à la hauteur des dents 6 ; - formage des portions découpées de la bande 9 en gouttières 4 (figure 2) dont le profil à la fin de l'assemblage doit correspondre à celui de l'encoche 4 ; - repliage des gouttières 4 aux lignes de pli se trouvant dans le prolongement des entailles 10 et 11, jusqu'à ce que les parois contiguës des gouttières 4 successives se touchent, avec formation des liaisons 8.Les gouttières 4 ainsi repliées constituent la zone dentée 2 développée, sous la forme d'un "serpentin" ; - roulage de la zone dentée 2 en cylindre et assemblage à la culasse 1, qui peut être emboutie, enroulée, tournée ou moulée, selon la destination du-circuit magnétique composite. Pour obtenir les languettes 15 et 16, on oré- sente la bande 9 à un dispositif qui y exécute des entailles débouchantes 17 et 18 en T. Les entailles 17et 18 sont situées l'une vis-a-vis de l'autre. Elles sont de dimensions différentes et disposées en quinconce, commençant aux bords de la bande 9 Ensuite, on exécute dans la bande 9 des sillons, selon les axes des plis. Ces sillons sont exécutés sur la bande si son épaisseur dépasse 0,30 mm. ils favorisent le pliage de la bande 9 et assurent l'obtention des cotes prescrites lors du formage de la zone dentée 2. Les sillons ne sont tas représentés sur les figures ; ils ont une section cunéiforme et peuvent être situés aussi bien d'un seul côté de la bande 9 que des deux cotés de celle ci.Les sillons sont exécutés à l'aide d'un outil coupant, en enlevant une partie du métal, ou bien à l'aide de l'arête vive d'une molette, par roulage. La profondeur du sillon ne doit pas dépasser 70 à 80 % de l'épais- seur de la bande 9, -sinon la continuité de la structure ne reste pas conservée. La bande 9 est alors présentée au dispositif de façonnage suivant, dans lequel des lames de guidage et des tiges (ou bien des molettes) plient la bande 9 selon les axes de pliage en formant les gouttières et replient celles-ci selon les lignes de pli transversales. La succession des gouttières 4 et les languettes l'atérales 15 rabattúes'forment'-avec'les'liai- sons 8 les cellules pour les dents 6. Ces dents sont formées avec une bande ferromagnétique 19 dont la largeur est égale à la hauteur des dents 6.La bande 19 est ondulée suivant la largeur, de façon que les flancs des ondes aient une -longueur égale à la longueur du cir- cuit magnétique. On peut également réaliser les dents 6 avec des plaques séparées. Les dents formées 6 sont placées dans les cellules de la zone dentée 2, et elles sont assemblées avec les languettes 15 et la liaison 8 aux extrémités frontales. Les languettes de montage 16 restent d'abord horizontales, c'est-à-dire dans le plan du fond de la gouttière 4. Les becs 14 de la gouttière 4 peuvent être mis dans toute position commode pour la mise en place de l'enroulement 5 dans la gouttière 4 formant encoche. Si la section à mettre en place dans la gouttière 4 est rigide, les becs 14 doivent rester droits, t si l'enroulement 5 est réalisé par une bobineuse existante, la gouttière 4 doit être partiellement fermée par les becs 14. Quand la longueur de la zone dentée 2 atteint la valeur prescrite, on la sépare de la bande de départ et on la roule en cylindre.On isole le cylindre selon le diamètre extérieur et on l'introduit dans la culasse 1. Ensuite, on rabat les languettes de montage 16 sur les culasses 1 et on comprime toute la zone dentée 2, afin de la -serrer uniformément contre la culasse 1. On fixe la zone dentée 2 à la culasse 1. Après la mise en place de l'enroulement 5 dans les gouttières 4, on conforme les becs 14 au diamètre intérieur du circuit magnétique. Pour la fabrication d'un circuit magnétique à encoches 4 inclinées, les entailles 17 et 18 sont exécutées sous un angle déterminé par rapport aux bords de la bande. Pour la fabrication du circuit magnétique d'un rotor, on réalise les becs 14 plus larges que ceux du stator, -car lors du formage de la zoné dentée 2 pour sa mise en place sur la culasse 1, les encoches s'élargissent au diamètre extérieur du circuit magnétique. Dans le système conforme à l'invention, il est prévu des sillons cunéiformes selon tous les axes de pliage, exécutés sur la bande 9 en tenant compte de ses écarts d'épaisseur, de sorte que les dimensions prescrites du circuit magnétique de la machine électrique sont obtenues sans opération de parachèvement. La conception proposée de lagout- tière semi-fermée 4 améliQre'le champ magnétique dans l'entrefer de travail.La transposition de la fixation de la zone dentée 2 à la culasse 1 de l'espace de travail à la partie frontale de l'empilage du circuit magnétique a permis de diminuer l'influence de l'entrefer 20 (figure 8) sur les performances de la machine électrique. La compression de la zone dentée 2 dans la culasse 1 permet de réduire cet entrefer au minimum et d'augmenter ainsi les performances énergétiques de la machine électrique. L'entrefer 20 influe sur l'intensité du courant d'aimantation et, par conséquent, également sur le rendement de la machine électrique. I1 est caractérisé par le coefficient de Carter (coefficient d'entrefer). L'absence de denture à l'entrefer 20 assure un affaiblissement minimal du flux magnétique et la valeur du coefficient est proche de l'unité. La réalisation du circuit magnétique conforme à l'invention avec des gouttières 4 inclinées permet d'abaisseur le niveau du bruit et des vibrations de la machine électrique. Le circuit magnétique selon l'invention rend possible l'emploi d'outillages existant pour lamie en place fil par fil de l'enroulement 5 dans les gouttières ou encoches 4. Dans une-variante conforme à l'invention, la fixation de la zone dentée 2 sur la culasse est effectuée sur les faces de l'empilage du circuit magnétique qui est l'endroit le plus commode et le plus sûr pour la fixation, sans influence défavorable sur les performances énergétiques de la machine électrique. En outre, la mise en place de l'isolation d'encoche et-de l'enroulement 5 dans le circuit magnétique est notablement simplifiée. Etant donné qu'aux bords libres des gouttières 4, il n'y a pas d'angles vifs (les angles sont obtenus par pliage de la bande d'acier et ont un arrondi avec un raccordement continu), il nflest pas nécessaire de prévoir une isolation sunplémentaire ou d'en compliquer la constitution. Les becs 14 (figure 6) recouvrant la gouttière 4 présentent également des avantages technologiques. Etant mobiles, ils améliorent notablement la méthode d'assemblage du stator. Après la mise en place de l'enroulement 5 (figure 9) dans les gouttières ou encoches 4, ces becs 14 sont comprimés et enfoncés dans la gouttière, ce qui accroît le coefficient de remplissage de-la gouttière ou encoche par le cuivre. Les becs sont réalisés de telle façon qu'ils dépassent quelque peu les limites du circuit magnétique, ce qui procure des avantages importants, car ils recouvrent partiellement les parties frontales de l'enroulement 5 (figure 1), font office de dissipateurs de chaleur et protègent l'enroulement 5 lors du montage du rotor ou de son démontage. Dans le rotor, par exemple, de telles saillies améliorent les caractéristiques de démarrage. Le circuit magnétique faisant l'objet de l'invention est réalisé par une méthode qui ne produit pas de déchets. Le coefficient d'utilisation du matériau magnétique est proche de l'unité. La conception du circuit magnétique conforme à l'invention est universelle. Elle peut être appliquée aussi bien en tant que circuit magnétique du stator qu'en tant que circuit magnétique du rotor. REVENDICATIONS 1. Circuit magnétique composite pour machine électrique, comprenant une culasse (1) et une zone dentée (2) comprenant des encoches (4) pour l'enroulement (5) et des dents (6) constituées par une bande continue ondulée (3) avec des nervures radiales orientées selon l'axe de la machine électrique, caractérisé en ce que la zone dentée (2) est constituée par des portions de la bande continue ondulée'(3) se présentant sous la forme de gouttières (4) dont la longueur est égale à la longueur du circuit magnétique et qui ont une section droite dont le përimetre est au moins egal à ia largeur de la bande continue (3) à onduler, ces gouttières étant réunies par des liaisons (8), tandis que les gouttières (4) de chaque paire de gouttières (4) successives sont repliées l'une par rapport à l'autre de 180 et que les liaisons (8) sont alternativement situées aux faces d'extrémité de la zone dentée (2), chacune d'elles étant une partie de la bande continue ondulée (3) faisant corps avec les gouttières (4) successives et ayant une hauteur égale à la hauteur de la zone dentée (2). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois latérales (12) des gouttières (4) sont formées par plusieurs couches. 3. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois latérales (12) de chaque gouttière (4) sont rabattues l'une contre l'autre, les parties rabattues délimitant une fente (13) de l'encoche formée par la gouttière (4). 4. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque liaison (8) entre les gouttières (4) successives a une longueur égale à la largeur de la dent (6). 5. Circuit selon'les revendications 1 et 4 prises ensemble, caractérisé en ce que la partie fron tale des dents (6) opposée à la liaison (8) est recouverte par des languettes (15), faisant corps avec les parois latérales (12) des gouttières (4). 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'espace entre les parois latérales (12) des gouttières (4) successives, la liaison (8) et les languettes (15) est rempli par une bande ferromagnétique (19). 7. Circuit selon les revendications 1 et 4 prises ensemble, caractérisé en ce qu'il est nrévu des languettes (16) faisant corps avec le fond des gouttières (4) et destinées à' la fixation' dela onedentéé (2)' a la culasse (1), ces languettes (16) étant disposées sur la face de la culasse (1).