Brevet FR2644943A1 — publié le 19900928

AGENCEMENT DE COLLECTEUR POUR MACHINES ELECTRIQUES, EN PARTICULIER POUR MOTEURS DE TRACTION ELECTRIQUE L'invention concerne un agencement de collecteur pour machines électriques, utilisé de préférence pour les moteurs de traction électriques de locomotives, en particulier de locomotives pour voies étroites. La machine électrique la plus simple et, partant la plus fiable, est le moteur asynchrone. Toutefois, en raison de la rigidité de ses caractéristiques de vitesse, on ne peut l'utiliser dans une certaine partie des systèmes de trans- mission. La vitesse variable peut être simplement obtenue grace à une machine à courant continu, dont la partie carac- téristique est constituée par le collecteur incorporé à l'in- duit de la machine. Le collecteur est une partie intégrante de la machine qui influence les dimensions principales, et même la puissance de sortie de la machine. Le collecteur limite considérablement la puissance de sortie de la machine à courant continu car on ne peut l'améliorer qu'en fonction du diamètre de l'induit. La puissance que l'on peut ainsi atteindre est limitée structurellement, et cette limite est influencée de façon décisive par la structure du collecteur. La structure des collecteurs des machines électriques contient lames ou segments, fixes dans la plupart des cas par un calage à queue d'aronde sur l'arbre de la machine. Les queues d'aronde comprennent une surface en partie conique, assemblée de façon analogue par des bagues de serrage coni- ques. Les bagues de serrage sont serrées axialement et la force axiale transmise tire les lames en direction de l'ar- bre. Les lames sont comprimées ensemble en forme d'arc, de façon à former une couronne de lames massive. La précontrain- te devrait être suffisante pour empêcher la force centrifuge de desserrer l'arc. L'application d'une contrainte préalable est compliquée par l'isolement des lames de collecteur entre elles et par rapport aux bagues de serrage. L'isolement est une source de manque d'homogeneité qui conduit à un desser- rage, ce qui affecte la sécurité de fonctionnement du collec- teur. D'autre part, la dilatation thermique inévitable est une source de difficultés. Ceci implique à nouveau un échauf- fement inévitable du collecteur pendant la marche, et comme les lames sont réalisées en cuivre, ils ont facilement ten- dance à coller en raison du coefficient de dilatation ther- mique élevée. Par suite de l'adhérence l'isolateur, générale- ment en micanite, se détériore, ce qui desserre les lames du collecteur lors du refroidissement. Le desserrage des lames du collecteur peut être évité de deux façons. Selon le premier procede, les bagues de serrage sont comprimées ensemble Plastiquement par des boulons longs, et de faible section. Plus la fixation du collecteur par des boulons est bonne, plus les boulons sont longs et de faible section. Toutefois, la longueur des boulons ne doit pas dé- passer la longueur structurelle du collecteur, sinon la lon- gueur structurelle de la machine s'en trouverait accrue. D'autre part, la faible section des boulons ne doit pas être choisie arbitrairement car leur section transversale doit supporter la force centrifuge. Pour toutes ces raisons, l'élasticité produite par les boulons ne convient pas car ils sont trop rigides. Dans le document US-A-2 495 194, on décrit un collecteur dans lequel la longueur du moteur de traction peut être raccourcie et l'élasticité du collecteur peut être améliorée- sans que son assemblage nécessite une machine à pression hydraulique. Dans cette solution, on utilise de longs boulons qui traversent l'ensemble du rotor, y compris le collecteur. L'élasticité est assurée par l'élasticité longitudinale des boulons traversants. Les besoins en main d'oeuvre et en ma- tériel sont relativement élevés. Des perçages de précision sont nécessaires pour les boulons traversant le rotor et ses lames. Dans le procédé de fabrication, le corps feuilleté du rotor est soumis à un revenu avec le collecteur, ce qui né- cessite un outillage spécial et l'exécution d'un travail com- pliqué. Il est nécessaire de démonter l'ensemble de la ma- chine pour l'entretien et la réparation du collecteur. Les boulons traversants sont serrés uniformément avec une clé a limitation de couple, mais la précision de forme du collec- teur et sa durée de fonctionnement nécessitent la mesure et le réglage de la force de compression de la couronne de lames et un équilibrage adaptable des forces. L'autre possibilité de serrage des lames en queue d'aronde consiste à fixer solidement l'une des bagues de serrage sur l'arbre de la machine (ou de l'usiner dans la masse de celui-ci), tandis que l'autre bride de serrage est à montage coulissant sur l'arbre et serrée axialement par l'an- neau basculant. Dans le cas de grands diamètres, les anneaux basculants constituent des ressorts plus souples que les bou- lons et, de plus, ce type de collecteur est capable de sup- porter de fortes dilatations thermiques. L'inconvénient de cette solution est du au fait que le serrage de l'anneau basculant dans la machine assemblée est difficile et que, par conséquent; les réparations ultérieures du collecteur s'en trouvent compliquées. Un autre inconvénient réside dans le fait que les cônes de serrage sont sensibles aux défauts uniaxiaux; on doit par suite observer des tolérances strictes lors de la fabrication. Un autre inconvenient de la solution du type & anneau basculant est que l'espace axial requis est relativement grand ce qui, en particulier dans les conditions de service sévère des chemins de fer et de limitation du ga- barit du matériel roulant, limite la puissance de sortie du moteur électrique. L'invention vise à éliminer les inconvénients ci-dessus et le problème primaire à résoudre est de réaliser un tel élément générateur d'une force axiale pour la couronne de lames du collecteur des moteurs de traction électrique de chemins de fer, dans lesquels l'espace requis par le collec- teur (dimension axiale) est inférieur a l'espace classique, ce qui permet par suite de réaliser un moteur de traction fournissant la puissance de sortie spécifiée en particulier pour les voies étroites. L'invention vise en outre la réalisation d'un élément de serrage plus élastique que l'élément classique et qui soit capable de supporter les dilatations thermiques extrêmes du collecteur d'un moteur de traction, mieux que les précédentes solutions. Un autre but de l'invention est de proposer une concep- tion de la structure du collecteur assurant un montage plus simple que celui des solutions connues, du type à boulons traversants et à anneau basculant, et qui permette le serrage de la bague de serrage annulaire dans la machine assemblée. La solution selon l'invention s'applique à un collecteur pour machines électriques, de préférence pour un moteur de traction électrique de locomotives, en particulier de loco- motives pour voies étroites qui comprend un moyeu de collec- teur agencé sur l'arbre de la machine électrique, une bague de serrage annulaire, une couronne de lames isolées dudit moyeu de collecteur et de ladite bague de serrage annulaire, ainsi qu'un élément élastique pressant le moyeu de collecteur et la bague de serrage axialement l'un vers l'autre. L'élé- ment élastique est une plaque de serrage en forme de disque, pourvue d'une bride, comprenant une partie conique de tran- sition adjacente à la bride, et une partie centrale munie d'un passage central, ladite partie centrale étant fixée par des boulons au moyeu de collecteur. Un bossage circulaire est ménagé sur le côté de la bride de la plaque de serrage por- tant contre la bague de serrage. Cette solution peut être considéree comme un développe- ment supplémentaire de la solution connue, du type à anneau basculant, dans laquelle l'anneau basculant a été remplace par une plaque de serrage élastique en forme de disque, et des trous ont été ménagés dans la partie centrale pour les boulons traversants. La partie de transition conique est usinée sur la plaque de serrage se prolongeant au dessous de la couronne de lames du collecteur o elle est fixée, par des boulons régulièrement répartis, sur la partie de moyeu du collecteur s'adaptant sur l'arbre du moteur électrique. La plaque de serrage élastique est pourvue d'une bride exté- rieure, et un bossage circulaire est usiné sur sa face d'extrémité tournée vers la partie de transition conique. Dans la forme de réalisation préférée du collecteur selon l'invention, des évidements sont usinés dans la plaque de serrage, de manière à augmenter encore plus l'élasticité de la plaque de serrage. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparai- tront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: - la figure 1 représente une vue en demie-coupe de la version du collecteur incorporé au moteur de traction, - la figure 2 est une vue en demie-coupe de la plaque de serrage élastique du collecteur, - la figure 3 représente un détail de la face d'extré- mité de la plaque de serrage du collecteur, 264494' - la figure 4 represente une coupe partielle du collee- teur, selon la ligne lV-IV de la figure 1. La figure 1 représente la coupe axiale du collecteur d'un moteur de traction électrique d'une locomotive pour voies étroites réalisé selon la structure de collecteur conforme a l'invention. Un moyeu de collecteur 2 est monté solidaire en rotation par clavetage sur l'arbre d'entraînement 1 dudit moteur de traction tournant sur un palier à roulements (non représen- tée) par l'intermédiaire d'un flasque 19. Une bague de serra- ge coulissante 6 est montée sur une partie cylindrique 21 du moyeu de collecteur 2. La partie du moyeu de collecteur 2 ad- jacente a la partie cylindrique 21 et à la bague de serrage 6 entoure une couronne de lames à queues d'aronde 3. La couron- ne de lames 3 est isolée de la partie cylindrique 21 par une couche d'isolant 20 et, respectivement, du moyeu de collec- teur 2 et de ladite bague de serrage 6 à l'aide de calottes isolantes 9. Le matériau des calottes isolantes 9 et de la couche isolante est une feuille de micanite. Une plaque de serrage élastique 7, réalisée en acier, est fixée à la partie extérieure de la bague de serrage 6, et ladite plaque de serrage 7 est fixée par des boulons 8 au moyeu de collecteur 2. La plaque de serrage 7 et l'arbre d'entrainement 1 sont espacés l'un de l'autre et délimitent entre eux un conduit annulaire de communication avec des canaux de refroidissement ménagés dans le moyeu de collecteur 2. Le conduit est re- lié à un passage annulaire ménagé entre la structure du col- lecteur et le flasque 19. En raison de la limitation de ga- barit du matériel roulant, la couronne de lames 3 est en queue d'aronde car ceci permet le dimensionnement axial le plus court du collecteur. Le collecteur à queue d'aronde, selon une conception classique et pratique, est pourvu d'une couronne de lames 3 constituee de lames 5 et d'isolements 4 (voir la figure 4). La couronne de lames 3 est pourvue d'un cone à queue d'aronde à 60 sur lequel sont montés les cones correspondants du moyeu de collecteur 2 et de la bague de serrage 6. La plaque de serrage 7 est supportée par la bague de serrage 6, dont le manchon conique vient porter sur la surface extérieure conique de la couronne de lames 3. La sur- face conique de l'autre côte de la couronne de lames 3 est supportée par la surface conique interne du moyeu de collec- teur 2. La couronne de lames 3 ainsi que la calotte isolante 9 etla ciouche d'isolant 20 sont places sur le moyeu de col- lecteur 2, puis la bague de serrage 6 est serrée sur la cou- ronne de lames 3 comportant les lames 5. La bague de serrage 6 est ensuite serrée sur l'arbre 1 et pressée contre la bague de serrage 6 parles boulons 8. Lorsque les boulons 8 sont serrés dans l'ordre approprié, on mesure le couple de serra- ge; la bague de serrage 6 peut être serrée uniformément sur la couronne de lames. A ce stade, la bague de serrage 6 tire lesdites lames 5 radialement vers l'intérieur. Les lames sont comprimées ensemble comme les pierres d'une voûte et sont donc réunies en une couronne de lames massive 3. Une poussëe en voûte se développe entre les lames 5. La force de compres- sion, ou la poussée en voûte, doit être assez importante pour résister au déplacent des lames 5 ou du jeu de lames sous l'effet de la force centrifuge qui se produit lors de la ro- tation. Sinon, les lames 5 détérioreraient les balais reliés & la couronne de lames 3, ce qui entrainerait une défaillance du collecteur. Les efforts développés en service et dûs à la dilatation thermique de la couronne de lames 3, sont absorbés par la déformation élastique de la plaque de serrage 7. Lors d'un démarrage difficile, les segments 5 situés au dessous des balais s'échauffent anormalement et il s'ensuit que la répartition de la température périphérique de la couronne de lames 3 devient instable. La conception structurelle selon l'invention est susceptible de compenser cette charge insta- B ble jusqu'a un certain point par la plaque de serrage 7. La réalisation pratique de la plaque de serrage élasti- que 7 est représentée sur les figures 2 et 3. La plaque de serrage 7 comprend une partie de transition 11 avec une bride 12 et une partie centrale 13 contiguës. La partie centrale 13 est pourvue de trous 16 pour les boulons 8. Les trous 16 com- portent des lamages 17 pour recevoir les têtes de boulons 8. Afin de réduire les dimensions, les boulons 8 sont réalisés en forme de vis à tête à empreinte. Un bossage circulaire 22 est usiné sur le côté de la bride 12 (relié a l'extérieur de la partie de transition conique 11) qui porte contre la cou- ronne de lames 3. L'autre côte de la bride 12 est pourvu d'une surface extérieure 14 servant de surface de référence (expliquée plus loin). Une surface de mesure 15 est usinée sur le méplat, à l'intérieur de la partie centrale 13. La plaque de serrage 7 constitue un disque à rebord ayant une épaisseur de paroi d'environ 10 à 11 mm et dont la partie centrale 13 comprend un passage central permettant la traversée de l'arbre d'entraînement 1 du moteur de traction électrique. Elle est réalisée en acier à ressort forgé et trempé, précontraint dans les conditions de service. Pour l'assemblage, on serre les boulons à tête à em- preinte 8 utilisés pour fixer la plaque de serrage 7, après quoi l'ensemble de la plaque de serrage 7 subit une défor- mation. Entre temps, la bride 12 subit elle aussi une défor- mation, mais le bossage circulaire 22 est supporté uniformé- ment par la bague de serrage 6 sur le cercle à l'état pré- contraint. La force axiale requise pour exercer une poussée en arc adéquate afin de comprimer les lames 5 de la couronne de lames les unes sur les autres est maintenue par la défor- mation élastique qui se développe dans la plaque élastique et dans ses boulons de serrage 8. Le risque de déformation per- manente peut être exclu par un dimensionnement et un traite- ment thermique adéquats. La plaque de serrage 7 agit comme un ressort dont les caractéristiques élastiques peuvent être déterminées. L'étendue de la déformation élastique donne la force appli- quée par la plaque de serrage 7 sur la bague de serrage 6. Cette force, en connaissant la constante d'élasticité, peut être calculee de façon simple à partir de la variation de la distance séparant la surface extérieure 14 et une surface de mesure 15. Les expériences et les mesures indiquent que la constan- te d'élasticité de la plaque de serrage 7 du collecteur selon l'invention atteint le double de celle de la solution classi- que du type à boulons longs, et qu'elle dépasse de 50 % au minimum celle de l'anneau basculant utilisé pour le collec- teur d'un moteur de traction d'une puissance de sortie analogue. Bien évidemment, l'assemblage ou la réparation du col- lecteur selon l'invention n'exige pas de disposer d'une presse hydraulique pour l'application des forces axiales. On peut le faire avec des outils simples, à une étape quelconque du montage du collecteur, par exemple lorsque l'assemblage du rotor est terminé. En conséquence, les frais d'assemblage et d'entretien sont réduits considérablement. Contrairement aux solutions antérieures, aucune presse hydraulique n'est néces- saire pour appliquer la force axiale et on ne rencontre aucun problème associé à l'exécution des travaux courants (serrage excessif, rappel élastique, etc.) ce qui améliore en consé- quence la qualité du travail d'assemblage. Grâce à la pression constante en arc produite par la plaque de serrage 7 et à la plus grande élasticité, la dé- formation de la couronne de lames provoquée par la dilatation thermique, ainsi que le vieillissement et les symptômes de fatigue de l'isolement des lames et de la calotte isolante 9 sont réduits. On améliore d'autre part, la fiabilité et la longévité du moteur de traction, exprimée en kilommetres et on réduit par suite, le nombre d'interventions d'entretien et de réparations. La plaque de serrage 7 du collecteur selon l'invention est serrée avec des boulons 8 fabriqués par roulage et est considérablement plus simple et moins coteuse que la struc- ture avec anneau basculant et que la broche de serrage file- tée correspondante, de forme complexe, forgée et trempée en acier spécial à haute résistance & la traction, et exigeant des tolérances de fabrication précises. La plaque de serrage 7 selon l'invention est en forme de disque, sa partie inférieure se prolonge au dessous de la ba- gue de serrage 6 et de la couronne de lames 3. C'est pourquoi elle nécessite un espace inférieur à celui d'un collecteur classique, ce qui permet de disposer de moteurs de traction à grande puissance, principalement dans les locomotives pour voies étroites. Toutefois, en raison de ses nombreux avantages, on peut l'utiliser avec succès dans les moteurs de traction de locomotives pour la voie normale. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'inven- tion. 1 1 REVENDICATIONS 1. Agencement de collecteur pour machines électriques, de préférence pour moteur de traction électrique de locomo- tives, en particulier de locomotives pour voies étroites, ledit agencement de collecteur comprenant un moyeu de col- lecteur monté sur l'arbre de la machine électrique, une bague de serrage, une couronne de lames isolées dudit moyeu de col- lecteur et de ladite bague de serrage, ainsi qu'un élément élastique pressant axialement ledit moyeu de collecteur et ladite bague de serrage l'un vers l'autre, caractérisé en ce que ledit élément élastique est une plaque de serrage (7) en forme de disque, munie d'une bride (12), comprenant une par- tie de transition conique (11) adjacente à la bride (12) et une partie centrale (13) fixée par des boulons (8) audit moyeu de collecteur (2), et en ce qu'en outre un bossage circulaire (22) est formé sur le côté de la bride (12) de la plaque de serrage (7), portant contre la bague de serrage (6). 2. Agencement de collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi de la plaque de serrage (7) présente des configurations réduisant la constante d'élasti- cité et constituées, le cas échéant, de cavités et/ou d'évi- dements ménagés dans ladite paroi.