Brevet FR2683959A1 — publié le 19930521

La présente invention concerne un induit annulaire de machine dynamo-electrique . Les machines dynamo-électriques présentant un ou plusieurs rotors et stators annulaires coaxiaux à entrefers radiaux sont connues de lthomme de l'art pour apporter un gain notable en puissance massique par rapport aux machines conventionnelles. Le brevet français 1211092 propose ainsi d'insérer entre deux anneaux magnétiques, l'un étant inducteur multipolaire, l'autre servant de rebouclage magnétique, un induit annulaire formé de tulles circulaires empilées dans le sens axial. Dans le brevet français 1339895, la structure est similaire mais le deuxieme anneau magnétique est aussi inducteur multipolaire, en vis à vis magnétique exact du premier, ce qui réduit les champs de dispersion. Dans ces deux exemples de brevet, l'induit est mobile (rotor) tandis que l'inducteur est statique (stator), cette solution étant pré +érable du fait de la présence d'un commutateur mécanique. De nos jours, l'usage d'un dispositif de commutation électronique permet d'inverser les rdless l'induit devenant statique et l'inducteur mobile. La réalisation devient alors plus aisée, éliminant méme tout contact glissant si l'inducteur est à aimants permanents Il y a avantage à augmenter autant que possible le champ utile et la charge linéique, ce qui réduit la taille de la machine. Toutefois les contraintes mécaniques, électriques et thermiques appliquées à l'induit deviennent de plus en plus sévere. Aussi les conducteurs d'induit sont le plus souvent divisés pour réduire les courants de Foucault, transposés, comprimés suivant par exemple le brevet français 1429469, puis fixés sur un noyau magnétique en tôles feuille- tées résistant aux intenses forces appliquées. Jusqu'à présent la fabrication de ce noyau magnétique consistait à empiler dans le sens axial un paquet de tôles minces annulaires à haute perméabilité magnétique. Pour réduire la chute de matière, les anneaux peuvent entre divisés en de multiples secteurs juxtaposés, ou réalisés avec une unique bande laminée courbée sur chant en spirale, comme respectivement dans les brevets français 2536222 et 2424656 Les efforts pour réduire plus encore la taille de la machine sont limités par sa capacité à évacuer les calories à travers un espace de plus en plus restreint. La température peut alors s'élever à des valeurs inacceptables, avec une contribution croissante des pertes propres du noyau d'induit, appelées communément pertes fer. Ce problème est encore plus sensible quand l'inducteur utilise des aimants réalisés en poudre magnétique mélangée à un liant ou compactée, car leur température limite de fonctionnement est plus basse que pour des aimants frittés ou un inducteur bobiné. C'est pourquoi l'invention a pour but d'améliorer la capacité d'échange thermique de l'induit avec l'extérieur de la machine tout en réduisant les pertes générées localement par le noyau d'induit. Ce problème est résolu en utilisant le noyau d'induit lui-mXme comme drain de chaleur privilégié pour évacuer les calories. De façon à réduire la résistance thermique dans le sens axial, le noyau d'induit est constitué d'une multiplicité de lames minces juxtaposées parallèlement à l'axe de rotation de la machine, en matériau perméable magnétiquement et bon conducteur thermique. Certaines lames sont plus longues, et éventuellement plus larges, à au moins une extrémité, de façon à délimiter des ailettes de refroidissement entre lesquelles peut circuler un fluide caloporteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront avec la description qui va suivre de certains de ses modes de réalisation donnés à titre d'exemple non limitatifs, en référence aux dessins ci-annexés sur lesquels: - La figure 1 est une demi-coupe longitudinale d'une machine dynamo-électrique à deux stators et trois rotors coaxiaux, les rotors étant représentés en pointillé, et les stators utilisant deux variantes de noyaux d'induit selon l'invention. - La figure 2 représente une demi-coupe diamétrale correspondant à une section À de la figure 1. - La figure 3 représente quatre types de lames nécessaires généralement pour constituer un noyau d'induit à encoches selon l'invention. - La figure 4 représente un détail de la section d'un induit à encoches équipé de son bobinage, selon la coupe BB de la figure 1. - La figure 5 représente diverses formes d'empreintes améliorant la rigidité des lames. - La figure 6 représente une variante de noyau d'induit sans dent, utilisée dans les machines dites à entrefer lisse. Comme on 1 'a compris précédemment, l'invention consiste à utiliser le noyau d'induit lui-mEme pour transporter les calories dans le sens axial vers une de ses extrémités od il les cède à un fluide caloporteur. Ce mécanisme est mis en évidence dans l'exemple de la figure 1, ou le côté gauche de la machine forme un échangeur thermique dont le fluide circule radialement à travers des fentes intrinsèques de 1 'induit. Pour ce faire, le noyau d'induit est composé d'un grand nombre de lames minces de différents types (dans 1 'exemple quatre types: 1 2 3 4) isolées électriquement entre elles et collées les unes contre les autres suivant leurs faces larges, leur direction longitudinale étant sensiblement paallèle à l'axe de rotation de la machine et leur direction transversale étant radiale, de façon à composer un volume annulaire. Certaines lames 1,3, sont plus grandes d'une longueur W, cette excroissance participant à la fonction d'ailette de refroidissement. Leur épaisseur étant très fine, on pourra entre amené à les juxtaposer par paquets de N lames, pour obtenir une rigidité suffisante. De me me, les lames courtes 2,4, seront assemblées par paquets de P unités, de façon à obtenir des fentes radiales d'épaisseur convenable. Par ailleurs certaines lames 1,2 sont rétrécies sur une certaine distance de façon à pouvoir y accueillir les conducteurs d'induit. Elles seront assemblées par paquets de R lames, remplissant la fonction d'encoche, alors que les dents seront constituées de l'assemblage de Q lames 3,4, dépourvues du rétrécissement (note: la largeur d'une encoche additionnée de celle d'une dent est dénommée "pas de spire"). L'assemblage donné en figure 4 en est une illustration spécifique qui ne saurait Entre limitative étant donnée la souplesse de choix laissée par l'invention. En particulier, on peut aussi imaginer de constituer un noyau d'induit sans dent qui permet aux conducteurs d'étire adjacents il suffit d'éliminer les lames de type 3 et 4. La machine est alors du type à entrefer lisse dont une variante de réalisation est représentée en figure 6. Dans ce cas on peut interposer entre le noyau et les couches inférieures et supérieures de conducteurs une couche 9 isolante électriquement et améliorant les caractéristiques mécaniques de l'ensemble, par exemple une couche de tissu de verre imprégné de résine, à fibres croisées en diagonale. De la mEme façon, on peut imaginer que les conducteurs des couches supérieures et inférieures de la figure 4 ne sont pas en vis à vis radial direct, mais qu'une des deux couches a subi une rotation d'un demi pas de spire. Cette disposition permet une discrimination de phase supérieure, mais nécessite au moins un type supplémentaire de lame identique à 1 ou 2 mais rétrécie d'un seul côté. Il faudra le plus souvent deux types supplémentaires de lames si les lames sont asymétriques transversalement. La forme même des lames A un impact sur la résistance thermique entre les bobinages et l'extérieur. La figure 1 montre ainsi, pour des raisons didactiques, deux types de noyau d'induit : 1 'un, le noyau extérieur, est rétréci jusqu'à l'ailette de largeur W, ce qui réduit la masse de matériau magnétique nécessaire; l'autre, le noyau intérieur, n'est rétréci que dans la zone d'influence magnétique du rotor, ce qui réduit la résistance thermique du segment de lame situé sous la tète d'enroulement. Il serait possible bien sûr que les lames soient d'une largeur constante, pour des raisons de simplicité de découpe, par exemple. Il faut noter qu'une forme adequate des lames permet de réduire au minimum les pertes de découpe. On s'efforcera de rendre les lames juxtaposables côte à côte ou tbte-beche, comme dans le cas par exemple des figures 1, 3 et 6. Les seules pertes qui subsistent alors sont éventuellement dues à des chanfreins de pliage comme l'extrémité de la lame de la figure 6. Il est aussi possible de découper deux ctu plus types de lames sur le même ruban de tôle. Ainsi la lame 2 s'ajuste parfaitement sur la lame 1 quand elle lui est jux tapotée tête-bêche et il suffit de répéter ce couple sur toute la longueur du ruban. La plupart des matériaux magnétiques modernes présentent une anisotropie de leurs caractéristiques, acquise par exemple lors d'un recuit sous champ ou lors d'un laminage à une température définie. C'est le cas notamment des tôles à cristaux orientés, dites tôles à texture de GUSS, dont les caractéristiques dans la direction du laminage sont nettement améliorées. I1 y a donc lieu, quand cela est possible, d'orienter convenablement les lames de façon à bénéficier des plus faibles pertes par hystérésis dans la direction transversale. On peut obtenir ainsi une amélioration d'un facteur 3 ou plus sur la perméabilité et les pertes par hystérésis, conjuguée avec un accroissement de l'induction de saturation. Les lames plates ne peuvent être qu'imparfaitement plaquées les unes contre les autres à cause de la différence qui existe entre les rayons intérieurs et extérieurs du noyau d'induit. Il se crée alors un jeu entre les lames qui sera maximal sur la périphérie externe. Ce jeu peut être aisément comblé par la colle assemblant les lames, mais il a un rôle néfaste magnétiquement en diminuant la perméabilité apparente du noyau. Ce phénomène peut être compensé en chargeant la colle d'un fort pourcentage de particules magnétiques en poudre, la taille et le type des particules affectant la perméabilité magnétique et l'induction de saturation du composé, cette dernière étant de préférence supérieure ou égale à l'induction de travail dans l'entrefer. Il peut être judicieux de réaliser chaque type de lame en un matériau spécifique qui convienne plus particulièrement au rôle de la lame. ainsi les lames prolongées par une ailette gagneront à être réalisées dans un alliage à haute conductivité thermique, par exemple un alliage Fer-SiliciumÀlumunium, alors que les lames courtes seraient en poudre ferromagnétique compressée ou agglomérée dans un liant, pour de très faibles pertes par hystérésis. Le profil de ces dernieres n'étant pas forcément d'épaisseur constante, il est alors possible de compenser sans difficulté le jeu variable entre les lames. Quelle que soit leur nature, la résistance thermique des lames peut être diminuée par le dépôt, sur une face ou sur les deux, d'une pellicule très conductrice de la chaleur, comme du cuivre ou de l'aluminiums ou les composés récents à base de fibres de carbone graphitées. Ce dépôt peut concerner toute la surface de la lame ou seulement une zone limitée, comme par exemple la surface de l'ailette. La résistance mecanique des lames peut être accrue si leur profil n'est pas plan mais incurve transversalement. Cette forme peut par exemple être brute de moulage ou réalisée à la presse après découpe dans une tôle. Ces profils, dont plusieurs empreintes 8 sont proposées sur la figure 5 à titre d'exemples non limitatifs, peuvent s'étendre sur toute la longueur des lames ou être restreints à une zone particulièvre. Le dépôt final d'une couche isolante 7, optionnelle, permet une amélioration de la tenue mécanique de 1 'ensemble d'induit, notamment en torsion. I1 faut noter que cette construction permet de réaliser sans difficulté des formes d'induit légèrement tronconiques, à condition d'incliner l'axe longitudinal des lames. L'ensemble de ces perfectionnements permet de procurer les avantages recherchés, à savoir: - une résistance thermique très faible entre l'induit et l'extérieur de la machine, procurée par l'absence des multiples jonctions d'isolation rencontrées dans le cas d'un empilement axial de tôles et améliorée par la proximité immédiate de l'échangeur de chaleur qui fait de plus partie intégrante du noyau d'induit. - des pertes par hystérésis nettement diminuées, les lames étant utilisées dans leur direction magnétique privilégiée en tous points du noyau d'induit. On notera de plus que la perte de matière, quand il y a découpe, peut être rendue quasi nulle par une forme appropriée des lames, ce qui représente une économie importante. L'invention s'applique notamment aux induits annulaires de machines dynamo-électriques. REvENDICATIONS t- Noyau d'induit annulaire 5 de machine Jynamo-élec- trique à entrefer radial, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une multiplicité de lames minces 1,2,3,4, en matériau magnétique conducteur de la chaleur, isolées électriquement entre elles et juxtaposées circulairement par collage selon leurs faces larges de façon que leur direction longitudinale soit sensiblement parallèle à l'axe de rotation de la machine et que leur direction transversale soit radiale, les-dites lames se présentant d'une part par paquets de N et P lames en alternance, les N lames 1,3, ayant une extrémité W plus longue en forme d'ailette et les P lames 2,4, délimitant des fentes radiales 6 à travers lesquelles pourra circuler un fluide caloporteur, les-dites lames étant organisées d'autre part par paquets alternant de Q lames 3,4, réalisant la fonction de dents, et par paquets de R lames rétrécies 1,2, réalisant la fonction d'encoches recevant les conducteurs d'induit, N P Q et R étant des entiers naturels n'atteignant pas O sauf Q dans le cas d'un noyau à entrefer lisse, ltensemble noyau et bobinages pouvant être recouvert sur ses surfaces internes et externes d'une couche 7 isolante électriquement et tenace mécaniquement. 2- Noyau d'induit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lorsque Q est égal à zéro et que le noyau est lisse, une couche 9 isolante électriquement et tenace mécaniquement est ins6-rée entre les faces internes et externes du noyau et les couches de bobinage. 3- Noyau d'induit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conducteurs des faces supérieures et inférieures du noyau ne sont pas en vis à vis radial exact mais décalés d'un demi pas de spire, ce qui nécessite alors le plus souvent 6 formes différentes de lames au lieu de 2 ou 4. 4- Noyau d'induit selon 1 'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la forme des lames leur permet d'être juxtaposables côte à côte ou tEte-bEche, de façon que la découpe des lames ne crée que très peu de pertes de matière. 5- Noyau d'induit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la direction transversale des lames est la direction de plus faibles pertes par hystérésis, lorsque le matériau utilisé est anisotrope magnétiquement, par exemple en découpant les lames de façon que leur direction transversale soit parallèle au sens du laminage, quand les lames sont issues de tôles lamines. 6- Noyau d'induit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la colle assemblant les lames est chargée d'une poudre magnétique, le composé en résultant ayant de préférence une induction de saturation supérieure ou égale à l'induction de travail dans l'entrefer de la machine. 7- Noyau d'induit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que certains types de lames sont réalisés en poudre magnétique agglomérée dans un liant ou par compression, leur profil assurant un jeu minimal entre lames adjacentes. 8- Noyau d'induit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que certains types de lames sont recouverts sur une ou deux faces, dans une zone qui peut être restreinte, notamment la zone d'ailette, d'une pellicule de matière à haute conductivité thermique, telle du cuivre ou de l'aluminium. 9- Noyau d'induit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les lames sont rigidifiées par une empreinte creuse transversale 8 pouvant ne pas s'étendre sur toute la longueur de la lame. 10- Noyau d'induit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe longitudinal des lames est légèrement oblique de façon à ce que l'induit ait une forme de révolution tronconique.