Brevet FR2711455A1 — publié le 19950428

La présente invention concerne une nouvelle structure de rotor pour une machine électrique tournante. Dans une application particulière, l'invention concerne aussi une groupe motoventilateur dont la turbine est avantageusement associée au rotor de l'invention. L'invention remonte au problème général de la liaison mécanique entre une charge mécanique et un élément moteur. Il existe un grand nombre de solutions que les inventeurs ont essayé mais qui ne produisent pas de résultats satisfaisants à divers points de vue. En particulier, les moyens de fixation entre un arbre de rotation et une charge sont biens connus. Mais, si la question est bien résolue pour une charge simple, elle reste entière quand la charge est constituée de plusieurs morceaux qui eux mêmes doivent être solidarisés. Dans l'état de la technique, chaque morceau de la charge est solidarisé à la charge par son propre moyen de fixation, et l'ensemble de la charge est alors monté et solidarisé sur l'arbre. On constate donc que plusieurs opérations sont rendues nécessaires alors que, mécaniquement, à la fin du procédé de montage des moyens distincts de fixation, la liaison est globale. En particulier, dans le cas des machines électriques, on connais une disposition dans laquelle une cloche, ou toute autre partie mécanique de type support, est reliée à l'arbre de rotation. Cette cloche ou support fait partie d'un rotor ou partie tournante d'une machine électrique comme un moteur électrique å commutation électronique. Pour produire de bonnes conditions électromécaniques comme le couple, une zone périphérique de la cloche doit se trouver aussi loin que possible de l'axe de l'arbre de rotation, notamment quand il s'agit d'un moteur électrique à commutation élctronique à rotor extérieur. De ce fait, la distance qui sépare cette partie périphérique de la cloche de l'arbre du rotor doit être rattrapée par un disque ou un système de bras radiaux. D'autre part, la cloche ou support du rotor porte des éléments électromagnétiques actifs qui permettent d'engendrer ou de capter un champ magnétique tournant selon que la machine est motrice ou génératrice. Quand la machine est un moteur à commutation électronique, ces éléments électromagnétiques actifs sont des aimants permanents, notamment des tuiles en forme d'arcs de cylindre qui sont solidarisées sur la cloche, chacune par son propre moyen de fixation. Dans une application connue en elle- même, la machine entrain une charge comme une turbine aérolique de refroidissement, ou bien pour refroidir la machine électrique comportant le rotor de l'invention elle-même, ou bien pour produire un flux forcé d'air par exemple quand la mahine est un moteur électrique & commutation électronique, à rotor extérieur qui équipe un groupe motoventilateur d'un système de refroidissement. Il faut alors prévoir aussi un moyen pour solidariser cette charge sur l'axe de rotation du rotor. Ainsi qu'on l'a dit, jusqu'à présent, chacune de ces fixations est réalisée séparément. Il en résulte - une augmentation du court de fabrication puisqu'il faut réaliser plusieurs opérations de fixation par plusieurs moyens de fixation spécialement étudiés pour chcune des parties à fixer ou à solidariser avec l'axe de rotation ; - une augmentation des risques de voir apparaître des défauts liés notamment & la multiplication des composants de fixation. C'est un objet de la présente invention de remédier à cet inconvénient de l'état de la technique. En effet, l'invention concerne un rotor de machine électrique tournante, du genre comportant - un arbre de rotation, - un support périphérique comme une cloche rotorique, sur laquelle sont portés des éléments électromagnétiques actifs comme des aimants permanents, - et éventuellement mais non nécessairement une charge, à solidariser à l'arbre de rotation. L'invention se caractérise en ce que le moyen de fixation des divers éléments est réalisé par une pièce qui vient de matière. L'invention concerne aussi un groupe motoventilateur comportant une machine électrique tournante, comme un moteur à commutation électronique équipé d'un tel rotor, particulièrement d'un rotor extérieur. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention, seront mieux compris à l'aide de la description et des dessins qui sont - la Figure 1 : une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention - la Figure 2 : une vue en coupe schématique d'un second mode de réalisation de l'invention. A la Figure 1, on a représenté un premier mode de réalisation de l'invention, appliquée à la réalisation d'un moteur électrique à commutation électronique, & rotor extérieur. Seul, le rotor et l'arbre de rotation sont concernés dans ce mode de réalisation et sont donc représentés. Les autres éléments de la machine sont connus de l'homme du métier. L'arbre de rotation 1 porte à une extrémité 4, un disque 5 réalisé par moulage en un matériau au moins plastique å chaud, au delà de la température de fonctionnement du rotor. Le disque 5 présente une partie 14, 16 centrale qui lui sert de moyeu d'une part et de moyen de fixation sur le bout 4 de l'arbre de rotation 1. La cloche ou support du rotor est constituée simplement par un anneau de support et de fermeture du flux magnétique 2, de forme cylindrique d'axe l'axe de rotation du rotor. Dans le mode de réalisation décrit, l'anneau présente un bord, qui, après la fabrication du disque 5, est attaché à la périphérie de celui-ci. En particulier, l'anneau 2 est localement surmoulé par la matière du disque 5. A cet effet, le moule de fabrication selon l'invention permet de recouvrir partiellement au moins la partie d'attache de l'anneau 2. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la partie d'attache de l'anneau comporte le bord qui est bordé par un épaulement 7 et la face interne de l'anneau 2 qui fait face & l'arbre de rotation. D'autres parties de l'anneau peuvent aussi recevoir la matière de moulage de la périphérie du disque 5. A la surface intérieure du rotor sont disposés des aimants permanents en forme de tuiles comme la tuile 3 qui sont appuyées sur la face intérieure de l'anneau 2. Une fois placées convenablement, par exemple à l'aide d'un gabarit, sur la face interne du support 2, on vient placer l'anneau 2 et ses aimants 3 autour de l'arbre de rotation 1. En disposant de part et d'autre de la zone occupée par le disque 5 un moule réalisable par l'homme de métier, il est alors possible d'injecter ou d'amener de la matière de façon å simultanément - constituer le disque de liaison 5 entre l'anneau 2 et l'arbre de rotation - constituer la liaison entre l'anneau servant de support et de fermeture des lignes de flux magnétique 2 et les tuiles servant d'aimants permanents 3 - réaliser la fixation permanente des aimants permanents 3 du rotor sur l'anneau de support 2. Le disque 5 comporte un moyen de fixation des aimants 3, par un enrobage partiel de chaque tuile 3 dans le matériau de réalisation du disque 5. A cette fin, le disque 5 présente des doigts 6 qui viennent occuper l'espace libre entre deux tuiles 3 successives. Il présente aussi des câles comme la cale 8 qui sert de butée à une extrémité de la tuile et/ou des câles disposées à l'extrémité opposée de façon à enserrer dans le sens axial du rotor la ferrite ou tuile 3. Ainsi, les tuiles 3 sont enserrées dans le sens radial et/ou dans le sens axial du rotor. Comme il est classique que les bords des aimants permanents en forme de tuiles aient des bords détalonnés pour améliorer les caractéristiques électromécaniques de la machine électrique, il est clair que la matière entourant ces bords par les parties 8 et 6 du disque 5 vient enserrer et fixer les tuiles de manière permanente sans nécessiter d'agrafes, de rivets ou de colle comme selon l'art antérieur. Dans un mode de réalisation non représenté au dessin, les aimants qui présentent une face qui est tournée vers l'arbre de rotation 1, sont protégés par une couche de matière qui vient en une seule pièce avec le reste du disque 5. Cette couche supplémentaire permet d'enrober complètement les aimants permanents de façon à les protéger de l'extérieur, d'éviter aussi que de petits débris de ferrite ne s'échappent de la tuile, ce qui est inévitable avec le vieillissement de la machine. La réalisation de cette couche de protection supplémentaire est réalisable par moulage et elle permet notamment de réaliser un tube d'entrefer entre le rotor et le stator de la machine électrique. Selon un autre aspect, on remarque que l'un des mérites de l'invention est de permettre de réduire la quantité de matière strictement nécessaire à la fonction de fermeture du flux magnétique au rotor puisque la majorité du flux utile se trouve dans la zone occupée par l'anneau 2 et par le disque 5. Dans les réalisations antérieures, la cloche rotorique est entièrement réalisée en un matériau susceptible de conduire le flux magnétique et de ce fait, la partie de liaison entre la partie périphérique précitée et l'arbre de rotation est en matériau magnétique ce qui nuit au bilan de coût. Dans un mode de réalisation, le disque 5 est en matériau plein. Dans un mode de réalisation, le disque 5 est réalisé par des bras comme le bras 13, séparés par des fentes comme la fente 9. Des trous comme le trou 10 sont prévus aussi sur le disque de façon å permettre la fixation de la charge sur le disque 5, notamment par clipsage de la charge. D'une manière générale dans l'invention, la charge peut être constituée par - une turbine aérolique ; - une hélice ; - une poulie - un pignon. Dans ce cas, la charge peut comporter des moyens de clipsage dotés de bras relativement souples présentant un retour. Quand les bras sont insérés dans le trou 10, ils se relâchent derrière lui de façon à ce que le retour vienne appuyer et clipser la charge sur le disque 5. Dans un mode de réalisation, le disque 5 est complété par des nervures extérieures comme la rainure 11, qui viennent au moulage de la matière et permettent de rendre rigide et solide le disque 5 sur son moyen 16, 14. Les nervures extérieures 11 relient la partie extérieure 16 du moyeu à une zone éloignée du disque 5, notamment sur un bras 13. Dans un mode de réalisation, le disque 5 est complété par des nervures intérieures comme la rainure 12, qui viennent au moulage de la matière et permettent de rendre rigide et solide le disque 5 sur son moyeu 16, 14. Les nervures intérieures 12 relient la partie intérieure 14 du moyeu à une zone éloignée du disque 5, notamment sur un bras 13. A la Figure 2, on a représenté un second mode de réalisation de l'invention dans lequel on s'affranchit du problème de la fixation séparée de la charge pour permettre une seule opération de fixation par le moyen de l'invention. A la Figure 2, les éléments identiques à ceux de la Figure 1 portent les mêmes numéros de référence et ne sont pas plus décrits. Le disque 5 présente un bord périphérique 7 qui vient appuyer sur la tranche de l'anneau ou support 2 et qui remonte de façon à former le fond 20 d'une turbine aérolique montée en bout d'arbre 1. De cette façon, on conçoit que le disque 5 et le fond de la turbine constituent une seule et même pièce obtenue en une seule opération de fabrication comme un moulage. De ce fait, on évite ici aussi un problème de pose d'un moyen de fixation supplémentaire entre la turbine et le rotor. Dans un autre mode de réalisation, la turbine est complétée par des lames courbes 21, 23 dont une première extrémité est solidaire du fond 20 qui vient de matière avec le disque 5 selon l'invention. Une seconde extrémité des lames 21, 23 est reliée aux autres extrémités homologues des lames de la turbine par soudure sur un anneau de liaison 22 qui permet d'assurer le réglage de position et d'attitude des lames de la turbine 20- 23, ainsi que sa cohésion. Dans un autre mode de réalisation, les lames 21, 23 et l'anneau 22 sont obtenus par moulage en même temps que le disque 5 et le fond 20. Dans ce mode de réalisation, le concept de l'invention est poussé plus loin que dans le mode de réalisation de la Figure 1. Selon l'invention, le surmoulage à chaud de l'extrémité 4 de l'arbre de rotation 1 par la partie intérieure 14 du moyeu 16, 14 du disque moulé 5 constitue un moyen de solidarisation de l'arbre de rotation à au moins l'un des éléments suivants - la cloche rotorique constituée notamment par le seul anneau de fermeture du flux magnétique ; - les aimants permanents comme éléments électromagnétiques actifs 3 - la charge par clipsage ou par réalisation unitaire avec la cloche rotorique. En particulier, la solidarisation des éléments du rotor avec l'arbre peut être réalisée en une zone intermédiaire de l'arbre 1 entre ses deux extrémités, ou en plusieurs zones. Chaque zone de solidarisation de l'arbre 1 peut être préparée, notamment en usinant la zone de solidarisation, et comporter un élément de retenue de la matière de moulage au droit du moyeu 16, 14. Un tel élément de retenue, éprouvé par les inventeurs, est constitué par un filetage de pas et module prédéterminés et de longueur prédéterminée, par exemple égale à la longueur du moyeu ou de la zone de solidarisation. Les bras 13 et fentes 9 pratiqués sur le disque 5 sont utilisés pour permettre le refroidissement du rotor et de la machine électrique dans laquelle elle est installée. Cette mesure est particulièrement nécessaire quand la machine est un moteur & commutation électronique qui porte un module électrique permettant d'alimenter séquentiellement les phases d'un stator bobiné. Un tel module électrique réalise les commutations électriques des phases à l'aide d'interrupteurs statiques comme des transistors de puissance qui voient passer des puissances électriques importantes et sont donc le siège d'une perte importante par échauffement thermique. Le refroidissement par les ouvertures du disque 5, ouvertures constituées par les fentes 9, assurent une bonne ventilation. Dans un autre mode de réalisation, le rotor comporte des ailettes permettant de propulser l'air ou le milieu ambiant, dans lequel se trouve plongé la machine électrique dans laquelle est monté le rotor de l'invention. Ces ailettes constituent ainsi une turbine qui peut améliorer le refroidissement ou la lubrification de la machine électrique proprement dite. Elles peuvent aussi constituer une turbine pour entraîner un fluide comme de l'air ou le fluide d'une canalisation dans une turbopompe. Ces ailettes sont avantageusement constituées par les nervures intérieures 12 et/ou extérieures 11. Parmi les avantages de l'invention, on reconnaîtra que les aimants sont mieux attachés et sans nécessiter d'agrafes, ni de colle ni de rivets qui sont des moyens délicats à mettre en oeuvre notamment quand l'aimant est réalisé en ferrite qui est un matériau fragile. De même, ils sont plus facilement disposés en relation géométrique avec des éléments mécaniques de référence par exemple portés par l'arbre de rotation 1 et/ ou l'anneau 2. Il est alors facile de réaliser le montage du rotor en utilisant des gabarits qui permettent de régler une seule fois la position relative de tous les aimants et de les fixer en une seule opération de moulage dans un matériau convenable, au lieu de répéter l'opération de réglage des positions å chaque fixation. REVENDICATIONS 1. Rotor de machine électrique tournante, du genre comportant divers éléments ; notamment - un arbre de rotation (1), - un support périphérique (2) comme une cloche rotorique, sur laquelle sont portés des éléments électromagnétiques actifs comme des aimants permanents (3), - et une charge (20 -23), à solidariser à l'arbre de rotation (1), caractérisé en ce que le moyen de fixation des divers éléments est réalisé par une pièce constituée par un disque (5) réalisé par moulage en un matériau au moins plastique å chaud, au-delà de la température de fonctionnement du rotor, et qui vient de matière sur une partie de fixation convenable (4) de l'arbre (1) comme l'extrémité dudit arbre (1). 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque (5) présente une partie (14, 16) centrale qui lui sert de moyeu d'une part et de moyen de fixation sur le bout (4) de l'arbre de rotation (1) d'autre part. 3. Rotor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cloche ou support (2) du rotor est constituée simplement par un anneau de support et de fermeture du flux magnétique (2), de forme cylindrique d'axe l'axe de rotation du rotor, la partie magnétique dudit support (2) étant limitée à la zone occupée par le retour du flux magnétique au rotor, et au moins une partie, comme l'un de ses bords, étant attachée en au moins une zone périphérique du disque (5). 4. Rotor selon la revendication 3, caractérisé en ce que le disque (5) comporte un moyen de fixation des aimants (3), obtenu par enrobage partiel de chaque tuile (3) dans le matériau de réalisation du disque (5) et comportant - des doigts (6) qui viennent occuper l'espace libre entre deux tuiles (3) successives - des câles (8) qui servent de butée à une extrémité de la tuile, et/ou - des câles disposées & l'extrémité opposée de façon à enserrer dans le sens axial du rotor ladite tuile (3) ledit moyen de fixation étant adapté à enserrer dans le sens radial et/ou dans le sens axial du rotor lesdites tuiles (3) comme des aimants permanents, notamment quand leurs bords sont détalonnés. 5. Rotor selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face tournée vers l'arbre de rotation (1) de chaque tuile ou aimant est protégée par une couche de matière qui vient en une seule pièce avec le reste du disque (5), de façon à enrober complètement les aimants permanents réalisant ainsi une couche de protection supplémentaire et/ou constituant un tube d'entrefer entre le rotor et le stator de la machine électrique associée. 6. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce ou disque (5) est réalisée suivant l'un des moyens suivant pris séparément ou en combinaison - en matériau plein - en un ensemble de bras (13) séparés par des fentes (9). 7. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le disque (5) comporte des trous (10) de fixation de la charge sur le disque (5), notamment par l'intermédiaire de moyens de clipsage de la charge, notamment dotés de bras relativement souples présentant un retour et destinés à être insérés dans lesdits trous (10). 8. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque (5) est complété par des nervures extérieures (11) et/ou des nervures intérieures (12), qui viennent de matière et permettent de rendre rigide et solide le disque (5) sur son moyeu (16, 14). 9. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce ou disque (5) présente un bord périphérique (7) qui remonte dans la direction de son axe de façon å former le fond (20) d'une turbine aérolique montée en bout d'arbre (1), le disque (5) et le fond de la turbine constituant une seule et même pièce obtenue en une seule opération de fabrication comme un moulage. 10. Rotor selon la revendication 9, caractérisé en ce que la turbine est complétée par des lames courbes (21, 23) dont une première extrémité est reliée au fond (20) qui vient de matière avec le disque (5), et dont une seconde extrémité est reliée aux autres extrémités homologues des lames de la turbine par l'intermédiaire d'un anneau de liaison (22) qui permet d'assurer la cohésion de la turbine, lesdites lames (21, 23) et ledit anneau de liaison étant notamment de matière avec le disque (5) et le fond (20). 11. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de solidarisation de l'arbre de rotation (1) à au moins l'un des éléments suivants - la cloche rotorique constituée notamment par le seul anneau de fermeture du flux magnétique ; - les aimants permanents comme éléments électromagnétiques actifs (3) ; - la charge par clipsage ou par réalisation unitaire avec la cloche rotorique, réalisé par un surmoulage à chaud de l'extrémité (4) de l'arbre de rotation (1) par la partie intérieure (14) du moyeu (16, 14) du disque moulé (5), surmoulage réalisé sur une ou en plusieurs zones intermédiaires de l'arbre (1) entre ses deux extrémités, chaque zone de solidarisation comportant un élément de retenue de la matière de moulage au droit du moyeu (16, 14), notamment constitué par un filetage de pas, de module et de longueur prédéterminés, par exemple égale & la longueur du moyeu ou de la zone de solidarisation. 12. Rotor selon les revendications 9 et 11, caractérisé en ce qu'il comporte des ailettes permettant de propulser l'air ou le milieu ambiant, dans lequel se trouve plongé la machine électrique dans laquelle est monté le rotor de l'invention, à travers des fentes (9) pratiquées sur le disque (5), de façon à constituer une turbine pour améliorer le refroidissement ou la lubrification de la machine électrique proprement dite, ou pour entraîner un fluide comme de l'air ou le fluide d'une canalisation dans une turbopompe, lesdites ailettes étant constituées par des nervures intérieures (12) et/ou extérieures (11) 13. Groupe motoventilateur du genre comportant une machine électrique tournante motrice, comme un moteur à commutation électronique, comportant un rotor selon l'une des revendications précédentes.