Brevet FR2691720A1 — publié le 19931203

BROCHE DE MACHINE TEXTILE DESTINEE A LA FABRICATION DE FILES L'invention concerne une broche de machine textile destinée à la fabrication de filés, munie d'un dispositif d'entraînement indépendant constitué par un moteur asynchrone, lequel dispositif d'entraînement, en partant de l'état arrêté, peut être intégré dans un ensemble d'entraînements alimentés par l'intermédiaire d'un convertisseur de fréquence central. L'invention peut être appliquée sur des machines à retordre pour l'entraînement direct de broches pouvant être mises en service individuellement qui doivent être amenées de manière optimale de l'état arrêté à la vitesse nominale des autres broches déjà en fonctionnement de la machine. Un procédé de ce type permettant une montée en vitesse adaptée du point de vue de la technologie de filage d'un moteur asynchrone mis en service est décrit dans le document DE 36 19 647 Al. Le dispositif d'entraînement de la broche, à moteur indépendant avec le couple élevé du moteur asynchrone, est équipé d'un dispositif de commande supplémentaire destiné à améliorer sa montée en vitesse lorsqu'il vient se joindre aux autres moteurs en service. Pour obtenir la montée en vitesse souhaitée du moteur mis en service, il est prévu, dans la phase de démarrage, des élévations de tension qui ne sont pas sans avoir des répercussions fâcheuses sur les autres moteurs asynchrones tournant avec la même fréquence d'alimentation. La tension d'alimentation élevée est appliquée à tous les moteurs pendant la majeure partie de la phase de démarrage d'un moteur bien que ceci ne soit pas nécessaire. Ceci provoque, pendant ladite phase de démarrage, des pertes supplémentaires éventuellement liées à un échauffement de tous les moteurs. La complication supplémentaire des circuits qui en résulte constitue elle aussi un inconvénient. L'objet de la présente invention est, tout en évitant les inconvénients mentionnés des machines textiles connues lors de l'intégration d'une broche à inertie relativement faible dans un groupe de broches entraînées avec la même fréquence d'alimentation, d'obtenir une montée en vitesse améliorée sur le plan de la technologie du filage et, simultanément, un fonctionnement nominal plus stable. Ceci doit permettre une meilleure utilisation des fils ainsi qu'un meilleur rendement du dispositif dlentraînement. Le démarrage et la montée en vitesse doivent se dérouler de manière automatique en fonction des exigences technologiques de filage sans que le fonctionnement des autres broches soit influencé par la mise en service. Le problème est résolu pour une broche de machine textile du type indiqué en introduction par le fait que la broche qui présente une inertie relativement faible est solidaire en rotation d'un rotor présentant une courbe caractéristique de démarrage progressive, avec une élévation lente de la vitesse angulaire, adaptée aux exigences d'une machine à retordre ainsi qu'un très faible glissement à la vitesse nominale avec un comportement en charge stable à la vitesse nominale. L'avantage de l'invention est qu'elle permet d'éviter des ruptures et des détériorations du fil dues à des accélérations angulaires de celui-ci et de sa broche mal adaptées à la technologie. Par ailleurs, le rendement du moteur asynchrone en fonctionnement nominal est amélioré. La broche solidaire en rotation d'un rotor à cage en court-circuit d'un moteur asynchrone, laquelle broche, du fait de l'absence de bobine, a une inertie relativement faible, est caractérisée par un démarrage progressif adapté à la technologie de filage. La courbe de démarrage de la broche n'étant que très peu différente de celle d'un moteur asynchrone fonctionnant à vide, une telle montée en vitesse contrôlée est importante si on veut éviter des détériorations lors du processus du retordage. On obtient une courbe de vitesse progressive, sans action sur les broches qui sont déjà en fonctionnement lorsqu'une broche isolée vient se joindre aux autres broches dans un dispositif d'entraînement à convertisseur de fréquence. Le dispositif d'entraînement de broche est non seulement caractérisé par son démarrage progressif mais encore par une courbe caractéristique de charge très stable en fonctionnement nominal, minimisant ainsi les différences de vitesse de rotation nominale de broche à broche. On obtient dès le démarrage une bonne forme de ballon grâce à la rotation douce que le moteur à synchrone donne au fil, la rotation qui est suffisamment importante pour que le fil ne forme pas une boucle autour d'une bobine fixe, mais tourne librement autour de celle-ci. Grâce à l'accélération angulaire du moteur parfaitement adaptée aux exigences technologiques du retordage, on obtient une bonne utilisation du filé dès la mise en service du moteur. L'agencement selon l'invention du dispositif d'entraînement de broches est également intéressant - à la différence de broches pourvues d'une bobine - en raison du fait qu'il n'y a pas de variations dynamiques de la masse de la broche et que l'on peut adapter de manière optimale le moteur au type de broche concernée. Selon un perfectionnement de l'invention, le rotor du moteur asynchrone comporte des rainures fermées avec un agencement de la partie des éléments de couverture des rainures tel que l'on obtienne, avec des rainures très profondes de section aussi grande que possible, une courbe de démarrage progressive grâce à une réduction importante de l'effet pelliculaire dans la cage. Avec le courant de démarrage élevé, il se produit une saturation magnétique de la région des éléments de couverture des rainures. I1 en résulte un démarrage plus lent avec un couple de démarrage MA plus réduit. Ces influences disparaissent cependant à la vitesse nominale et les rainures fermées améliorent le rendement et diminuent le glissement. I1 n'y a qu'une faible saturation. L'agencement de la région des éléments de couverture des rainures du rotor est fonction des éléments caractéristiques de démarrage progressives et caractéristiques de charge stable du moteur à la vitesse nominale pour un fonctionnement quasiment synchrone de toutes les broches dont les moteurs asynchrones sont connectés dans un dispositif d'entraînement global. Selon un autre perfectionnement de l'invention, le rotor est agencé de manière à obtenir une courbe vitesse de rotation-temps en forme de S au démarrage et un couple nominal très stable. L'agencement des rainures dans le rotor permet d'obtenir automatiquement le démarrage en forme de S et la stabilité élevée en fonctionnement nominal ; les variations de charge en fonctionnement nominal ne peuvent pas altérer la qualité du fil retordu. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rapport k de l'épaisseur bs de la partie de fermeture de la rainure à la largeur de dent bz des rainures dans le rotor est optimisée de telle sorte qu'avec le rapport k = bs/bz spécifique à l'application, la caractéristique du moteur soit encore améliorée. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rapport k des rainures du rotor est compris entre 0,05 et 1,2, ledit rapport étant fonction du type d'application et du type de broche. Un rotor avec un rapport k élevé ralentit de manière très favorable la montée en vitesse de la broche, mais réduit du même coup la surcharge admissible par la broche. Un moteur asynchrone peut être utilisé pour différentes tailles de broche. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif d'entraînement de broche d'une machine textile, telle qu'une retordeuse à double torsion, est agencée de manière telle que l'arbre de broche creux est intégré dans le rotor du moteur asynchrone. Grâce au démarrage progressif du rotor à partir de l'état arrêté, le fil qui traverse l'arbre de broche creux forme la balle de fil autour de la bobine fixe sans toucher celle-ci ni l'entourer. On a ainsi une bonne utilisation du fil retordu dès la mise en service de la broche. Les rainures fermées selon l'invention dans le rotor augmentent l'inductivité de fuite du rotor et simultanément empêchent les effets pelliculaires qui se produisent dans les rainures ouvertes avec des dents de grande hauteur. Ainsi donc, les éléments de fermeture des rainures permettent d'utiliser des convertisseurs à basse fréquence de synchronisation et à faible filtrage des tensions pour l'alimentation du moteur. L'invention est décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté sur les dessins. Ceux-ci montrent figure 1, une représentation schématique d'un dispositif d'entraînement d'une broche à moteur indépendant comportant un moteur asynchrone dans une machine à retordre du type retordeuse à double torsion figure 2, une vue partielle agrandie du moteur asynchrone avec les lignes de champ figure 3, un diagramme couple-vitesse de rotation du moteur asynchrone, figure 4, un diagramme en fonction du temps de la vitesse de rotation du moteur asynchrone après la mise en service de celui-ci. La figure 1 représente une coupe d'un dispositif d'entraînement d'une broche 1 à moteur indépendant d'une machine à retordre non représentée du type à double torsion. Tandis qu'une bobine 2 est fixe, une broche 1 placée sous celle-ci et solidaire en rotation du rotor 3 d'un moteur asynchrone 4 est animée d'un mouvement de rotation. Le fil 6 qui est tiré à travers l'arbre de broche creux 5 à l'intérieur du rotor 3 est amené en rotation par le plateau de retordage 7 de la broche 1 et forme une balle de fil 8 parfaitement définie autour de la bobine 2. Le fil 6 est tiré vers le haut avec un fil intérieur 9 de la bobine 2 en direction d'un poste de retordage non représenté. Des moteurs asynchrones 4 disposés côte à côte sont alimentés en groupes par un convertisseur de fréquence non représenté. Pour changer une bobine 2 ou éliminer un défaut du fil sur une machine en marche, on arrête la broche 1 correspondante. Puis on remet le moteur asynchrone 4 indépendant en service avec les autres moteurs tournant à des vitesses élevées. Grâce à des rainures 10 fermées aménagées dans le rotor 3, la montée en vitesse du moteur asynchrone 4 jusqu'à son fonctionnement en quasi synchronisme avec les autres moteurs asynchrones est si progressive qu'il se forme, grâce à l'accélération lente du fil, une balle 8 autour de la bobine 2 et qu'aucune boucle de fil n'apparaît autour de ladite bobine 2. Le démarrage progressif de la broche 1 à inertie relativement faible n'est qu'une caractéristique de l'invention ; le très faible glissement du moteur en fonctionnement nominal en est une autre. Ainsi, l'invention permet de minimiser les différences de vitesses de rotation d'une broche à l'autre. Les pertes dues à des vitesses de rotation élevées avec des fréquences de convertisseur de 150 Hz est plus sont réduites. La figure 2 montre une vue partielle du moteur asynchrone 4. Les rainures 10 profondes du rotor 3 sont fermées. La zone de l'élément de fermeture 11 entre la cage et le corps du rotor 3 est agencée en fonction de la montée en vitesse recherchée du moteur asynchrone 4. La section des rainures 10 et des deux bagues de court-circuit non représentées est importante ; la résistance ohmique de la cage en court-circuit est faible. L'épaisseur de l'élément de fermeture des rainures 10 fermées est désignée par b5 et l'épaisseur de dent moyenne par bz. Le dispositif d'entraînement de broche peut être optimisé en fonction des exigences technologiques du filage en agissant sur la forme des rainures dans le rotor 3, le rapport k = bs/bz étant situé dans la plage préférentielle 0,05 à 1,2 pour un démarrage progressif et un comportement en fonctionnement stable. En faisant varier l'épaisseur bs, on peut optimiser le rotor 3 soit pour des temps de démarrage plus longs et des consommations de puissance et de courant légèrement plus élevées, soit pour des temps de démarrage plus courts et des caractéristiques en fonctionnement nominal plus favorables. Un moteur asynchrone 4 peut être adapté à différentes tailles de broche en faisant varier la pente de la courbe caractéristique du convertisseur. Les rainures 10 fermées permettent d'augmenter de 2 à 4 fois le temps de montée en vitesse par rapport au rotor 3 à rainures 10 ouvertes. L'accélération du moteur asynchrone 4 est très progressive avec un courant de démarrage élevé. La figure 3 représente un diagramme avec des courbes de couples de différents rotors 3 ; le stator est identique. L'abscisse du diagramme représente la vitesse de rotation n, les ordonnées le couple M. A la mise sous tension, le moteur asynchrone 4 développe le couple de démarrage MA qui croît lentement jusqu'au couple de basculage MK. Le couple de démarrage MA du moteur asynchrone 4 selon l'invention est très inférieur au couple de démarrage MA du moteur asynchrome à rainures ouvertes. Ainsi, le temps qui s'écoule jusqu'à l'obtention de la vitesse de rotation nominale nN est nettement plus important. Lorsque les rainures 10 sont profondes et la largeur bs plus importante, le couple de basculement MK est plus faible et le comportement en charge plus stable, tandis que le couple de démarrage MA est plus faible. Le couple de démarrage MA peut être adapté à la technologie de filage en fonction de l'inertie relative de la broche 1 en agençant le rotor 3 de manière telle que l'on obtienne une bonne forme de balle 8 pour un couple de démarrage MA qui correspond sensiblement au couple nominal MN. Le glissement du moteur asynchrone 4 est également représenté en abscisse s, lequel glissement, diminue constamment pendant la phase de montée en vitesse à partir de s = 1 à la mise sous tension du moteur jusqu'à une valeur de s très faible à la vitesse nominale. Le rapprochement de s de la valeur zéro, valeur qu'il n'atteint jamais, dépend de la structure du moteur asynchrone 4. Le démarrage progressif obtenu avec l'invention et la caractéristique de charge stable (pente de la courbe à la vitesse nominale) du moteur asynchrone 4 sont représentés par la courbe I. Par rapport à un rotor pourvu de rainures ouvertes (courbe II), l'agencement de la zone de fermeture des rainures 11 dans le rotor 3 selon l'invention permet, malgré un courant de démarrage élevé, environ 8 fois plus élevé que le courant nominal, d'abaisser le couple de démarrage MA de manière telle que le fil 6 ne tourne pas trop vite et ne puisse pas s'enrouler autour de la bobine 2. Ce démarrage doux est obtenu avec le dispositif d'entraînement de la broche 1 sans avoir recours à des dépenses supplémentaires. La figure 4 montre un diagramme de vitesses au démarrage de la broche 1. La durée de démarrage t est indiquée en abscisse et la vitesse de rotation n en ordonnée. La courbe II représente une montée en vitesse rapide du moteur asynchrone tel qu'il est obtenu avec un rotor connu à rainures ouvertes. En revanche, la courbe de démarrage I du dispositif d'entraînement de broche selon l'invention, un rotor 3 à rainures 10 fermées présente une forme de S qui est idéal pour accélérer le fil 6 devant être amené en rotation et obtenir une forme de balle parfaite. La courbe de démarrage I montre que l'accélération angulaire de la broche 1 est si lente que l'adaptation de la vitesse de rotation de ladite broche 1 mise en service à la vitesse de rotation nominale du dispositif d'entraînement global a lieu sans problème. Le démarrage progressif de la broche 1 mise en service est caractérisé par une courbe de démarrage I très plate au début avec une accélération angulaire lente de la broche 1 jusqu'à l'obtention d'une balle de fil 8 optimale lorsque la vitesse de rotation nB est atteinte. Le rotor 3 à rainures 10 fermées permet de diviser par 3 à 4 l'accélération angulaire au début. Le temps important tB à l'intérieur d'une zone B avantageuse jusqu'à la formation de la balle de fil 8 est la partie essentielle du temps de démarrage tAL, l'agencement des rainures 10 fermées étant orienté vers un temps tB aussi long que possible. REVENDICATIONS 1. Broche de machine textile destinée à la fabrication de filés munie d'un dispositif d'entraînement indépendant constitué par un moteur asynchrone, lequel dispositif d'entraînement peut être intégré à partir de l'arrêt dans un dispositif d'entraînement global alimenté par l'intermédiaire d'un convertisseur de fréquence central, caractérisé par le fait que la broche (1) qui présente une inertie relativement faible est solidaire en rotation d'un rotor (3) présentant une courbe caractéristique de démarrage progressive, avec une élévation lente de la vitesse angulaire, adaptée aux exigences d'une machine à retordre, et un très faible glissement à la vitesse nominale avec un comportement en charge stable à la vitesse nominale. 2. Broche selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le moteur asynchrone (4) comporte, dans un rotor (3), des rainures (10) fermées et par le fait que la partie de fermeture (11) des rainures et la profondeur des rainures (10) dans le rotor (3) sont adaptées en vue d'obtenir courbe caractéristique du moteur avec un démarrage doux et une vitesse de rotation stable en régime nominal. 3. Broche selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la courbe vitesse de rotation-temps de la broche (1) mise en service présente, grâce aux rainures (10) fermées aménagées dans le rotor (3), un tracé en forme de S et la vitesse de rotation nominale est stabilisée en quasi-synchronisme avec la vitesse de rotation de tous les autres moteurs appartenant au même dispositif d'entraînement global 4. Broche selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que le rapport k de l'épaisseur bs de la partie de fermeture (11) de la rainure à la largeur de dent bz moyenne des rainures (10) dans le rotor (k = bs/bz) est optimisé de telle sorte que la courbe caractéristique de démarrage dynamique soit progressive et la courbe caractéristique de charge du moteur asynchrone (4) soit très stable. 5. Broche selon la revendication 4, caractérisée par le fait qu'il est prévu des rainures (10) profondes de forte section avec un rapport k compris entre 0,05 et 1,2 et par le fait que le rapport spécifi que k est déterminé en fonction de l'importance de l'utilisation du moteur asynchrone (4). 6. Broche selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait qu'un fil (6) est amené par une broche (1) qui peut être accélérée doucement au démarrage et travaille selon le principe du double fil par le bas dans l'organe tournant (5) de ladite broche (1) et par le fait que le fil (6) sort radialement d'un plateau de retordage (7) rotatif de manière telle que celui-ci, en formant un ballon de fil (8), soit tiré autour d'une bobine fixe (2) jusqu'au poste de retordage avec un fil intérieur (9) de la bobine fixe (2), la force qui agit sur le fil (6) et résulte de la rotation de la broche (1) et de la traction axiale du fil soit pratiquement constante. 7. Broche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que le temps de montée en vitesse tA du moteur asynchrone (4) peut être adapté à diverses exigences technologiques et à diverses tailles de broche au moyen de la pente de la courbe caractéristique tension-fréquence du convertisseur de fréquence. 8. Broche selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée par le fait que l'on peut utiliser des convertisseurs de fréquence à basse fréquence de synchronisation et à faible filtration des tensions d'alimentation pour le moteur asynchrone (4) et par le fait que les rainures (10) fermées dans le rotor (3) sont agencées de manière telle que l'inductance de fuite du rotor soit augmentée et l'action perturbatrice de l'effet de peau dans les dans les dents de rainures ouvertes soit éliminée.