Brevet FR2724070A1 — publié le 19960301

" Machine électrique notamment génératrice pour véhicu- les ". L'invention concerne une machine électrique no- tamment générateur pour véhicules comprenant un rotor à griffes polaires monté à rotation dans un boîtier de sta- tor, et portant coaxialement à son axe, un enroulement d'excitation solidaire en rotation, et des griffes polaires passant avec leurs doigts polaires par dessus la surface périphérique de l'enroulement d'excitation, ainsi qu'un dispositif à ventilateur tournant avec le rotor à griffes polaires. Etat de la technique: Il est connu d'équiper les véhicules par exemple les véhicules automobiles et les véhicules sur rails avec des générateurs pour charger les batteries et assurer l'alimentation du réseau embarqué. Pour cela, les généra- teurs ont un rotor à griffes polaires monté à rotation dans un boîtier de stator. Le rotor à griffes polaires possède un enroulement d'excitation solidaire en rotation de son arbre et coaxial à celui-ci et autour de la surface péri- phérique de cet enroulement se trouvent les doigts des pô- les des griffes polaires. Comme pendant le fonctionnement du générateur, les pertes d'excitation et les pertes dans le fer dégagent de la chaleur, il est connu d'associer au rotor polaire un dispositif de ventilation tournant avec rotor à griffes polaires. Selon le document US 41 62 419, il est connu de monter sur une face frontale d'un disque polaire d'un rotor à griffes polaires, un disque de ventilateur, supplémen- taire avec des pales de ventilateur recourbées axialement. Toutefois cela allonge la longueur du rotor à griffes po- laires. Selon le document FR 1 505 264, on connaît un ro- tor à griffes polaires dont les doigts des griffes sont en forme de pales de ventilateur pour assurer un certain débit d'air de refroidissement. Une telle mise en forme ne permet toutefois pas de répartir et d'utiliser de manière optimale le champ magnétique, car un tel générateur ne peut fonc- tionner qu'avec un rendement réduit et des pertes corres- pondantes, élevées. Selon le document DE 34 10 760, on connaît un dispositif de ventilateur comportant des pales de ventila- teur à effet axial, dans les volumes intermédiaires, formés tangentiellement avec les doigts polaires; ces pales sont adaptées en section au passage de l'air de refroidissement. Avantages de l'invention: La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet une machine élec- trique du type défini ci-dessus caractérisée en ce que le rotor à griffes polaires comporte un support d'enroulement solidaire en rotation de l'axe de rotor pour recevoir l'en- roulement d'excitation, qui forme en même temps le disposi- tif de ventilateur sur au moins une face frontale du rotor à griffes polaires. La machine électrique selon l'invention permet d'améliorer le refroidissement du rotor à griffes polaires. Comme le rotor à griffes polaires comporte un support d'en- roulement pour recevoir l'enroulement d'excitation, qui est monté solidaire en rotation de l'axe du rotor, et que ce- lui-ci constitue en même temps le dispositif de ventila- tion, il est possible de donner au rotor à griffes polaires, globalement une forme très compacte et d'obtenir en même temps un bon effet de refroidissement. Le rotor à griffes polaires se compose globalement de quelques pièces et est de ce fait d'une fabrication simple et peu coûteuse; en outre, il est réalisé pour permettre de remplacer le ro- tor à griffes polaires connu, dans des générateurs déjà installés. Cela donne une solution avantageuse sur le plan du coût pour augmenter la durée de vie de générateurs déjà montés dans des véhicules automobiles, pour améliorer le refroidissement et réduire les pertes. Selon un développement préférentiel de l'inven- tion, il est prévu que le support d'enroulement comporte au moins d'un côté, un enroulement d'excitation avec une bride, comportant des moyens pour créer un courant d'air; ces moyens sont de préférence constitués par des pales de ventilation prévues sur le côté des brides opposé au côté de l'enroulement d'excitation. Cela permet de monter les pales du ventilateur pour que le débit d'air axial soit conçu de façon optimale à travers le rotor à griffes polai- res puisque dans les volumes intermédiaires tangentiels formés par les doigts polaires, on n'a prévu aucune pièce de construction supplémentaire qui pourrait gêner le débit d'air. De manière préférentielle, la machine électrique comporte des zones au niveau des brides munies des surfaces de guidage d'air associées aux pales de ventilateur et qui possèdent en même temps des zones d'appui pour soutenir les doigts polaires qui s'étendent déjà de la direction de la bride opposée. Ces zones permettent d'une part d'améliorer l'air sollicitant les doigts polaires par les surfaces de guidage d'air dirigées sur ces doigts et d'autre part l'ap- pui des doigts polaires permet de stabiliser leur position relative dans l'ensemble du rotor à griffes polaires même aux vitesses de rotation élevées, pour les stabiliser afin qu'à côté d'une réduction du bruit, les pertes de fer créées dans les pôles à griffes soient réduites réduisant par là même la demande globale de refroidissement. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, les pales de ventilateur sont réalisées en une seule pièce par des entretoises axialement en saillie avec la couche de recouvrement en matière isolante, injectée, et les entretoises possèdent des surfaces en forme d'éléments radiaux de guidage d'air et la couche de recouvrement blo- que les conducteurs de branchement de l'enroulement d'exci- tation et relie les bagues de collecteur avec une zone cylindrique de l'axe du rotor. Dessins: Un exemple de réalisation de l'invention sera dé- crit ci-après de manière plus détaillée à l'aide des des- sins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un support d'enroulement. - la figure 2 est une vue en coupe d'un support d'enroulement avec un enroulement d'excitation. - la figure 3 est une vue en coupe d'un rotor à griffes polaires, pré-assemblé. - la figure 4 est une vue en coupe d'un rotor à griffes polaires à la fin du montage. - la figure 5 montre schématiquement une vue par- tielle en perspective d'un rotor à griffes polaires pré- assemblé. - la figure 6 montre schématiquement une vue par- tielle en perspective d'un rotor à griffes polaires à la fin du montage. Description des exemples de réalisation: La figure 1 montre un support d'enroulement por- tant globalement la référence 10. Le support d'enroulement possède coaxialement à un axe de rotation 12 simplement indiqué ici, un manchon 14 se terminant à chaque extrémité par une bride radiale 16, 18. La bride 16 est munie sur sa face opposée à celle du manchon 14, des pales de ventila- teur 20. Les pales de ventilateur 20 sont réparties à la périphérie de la bride 16 comme cela sera décrit ultérieu- rement. Les pales de ventilateur 20 sont simplement indi- quées et peuvent avoir une géométrie choisie librement. Cela signifie que les pales de ventilateur 20 peuvent par exemple être planes ou courbées de manière convexe ou con- cave. On peut également envisager des formes mixtes, si bien que par exemple une pale de ventilateur est à l'ori- gine plane ou cintrée et se poursuit par une partie cintrée ou plane. Au niveau de chaque pale de ventilateur 20, la bride 16 est munie de saillies radiales 22 ayant une cavité 24 sur leur face tournée vers le manchon 14. La bride 18 possède sur sa face opposée au manchon 14, des prolonge- ments 26 d'o partent des éléments en saillie 28, dirigés essentiellement suivant l'axe. La bride 18 comporte égale- ment des saillies 22 comprenant les cavités 24. Le support d'enroulement 10 est par exemple une pièce en matière plas- tique injectée. D'autres explications concernant le support d'enroulement 10 seront données à propos des figures sui- vantes. La figure 2 montre le support d'enroulement 10 déjà représenté à la figure 1 en utilisant les mêmes réfé- rences pour les mêmes pièces; la description ne sera pas reprise. A la figure 2, il apparaît que le manchon 14 est muni d'un enroulement d'excitation 30 dont les bornes 32 sortent. Les bornes de branchement 32 sont munies d'une isolation par exemple d'une gaine d'isolation 34. L'enrou- lement d'excitation 30 lui-même peut être bloqué par exem- ple par une imprégnation 36 et un agent de collage par exemple un ruban collant 38 pour être bloqué sur le manchon 14 du support d'enroulement 10. A la figure 3, on a utilisé les mêmes références que ci-dessus pour désigner les mêmes pièces; cette figure montre le rotor à griffes polaires portant globalement la référence 40, tel qu'il apparaît à l'état pré-assemblé. En plus du support d'enroulement 10 et de l'enroulement d'ex- citation 30, le rotor à griffes polaires 40 possède un axe de rotor 42 portant solidairement en rotation un noyau 44 en fer doux. Le noyau 44 en fer doux est monté pour venir dans le manchon 14 et ainsi dans le volume entouré par l'enroulement d'excitation 30. De façon connue sur les fa- ces frontales du noyau de fer doux 44, on a en appui chaque fois un disque polaire 46 ou 48; ces disques se poursui- vent en une seule pièce avec les griffes polaires 50, 52. Les griffes polaires 50, 52 débordent ainsi par-dessus l'enroulement d'excitation 30. Les griffes polaires 50, 52 sont montées pour qu'elles alternent à la périphérie du ro- tor à griffes polaires 40 c'est-à-dire qu'elles soient en saillie soit à partir du disque polaire 46, soit à partir du disque polaire 48. Les griffes polaires 50, 52 forment ainsi (en vue de dessus) un doigt polaire 56, 58 en pointe, de forme trapézoïdale et ces doigts sont imbriqués en lais- sant un intervalle 60 (non représenté à la figure 3). Les volumes intermédiaires 60 sont dirigés en biais par rapport à l'axe de rotation 12. Les branchements 32 de l'enroule- ment d'excitation sont reliés à des bagues collectrices 62, 64. Les branchements 32 sont par exemple soudés directement aux bagues collectrices 62, 64. L'axe de rotor 42 possède un segment étagé (téton) 66 sur lequel on peut glisser avec un intervalle annulaire, radial, les bagues collectrices 62, 64 qui comportent une cavité correspondante. Les doigts polaires 56, 58 à l'état final de mon- tage s'appuient par leur zone d'extrémité dans les cavités 24 des parties en saillie 22. Cela signifie que l'extrémité des doigts polaires 56 s'appuie ainsi dans les cavités 24 associées à la bride 18 du support d'enroulement 10 sur les saillies 22 prévues à cet endroit. Par ailleurs, l'extrémi- té des doigts polaires 58 se logent dans les cavités 24 des saillies 22 prévues à cet endroit, dans la bride 16 du sup- port d'enroulement 10. Les cavités 24 servent ainsi d'ap- puis aux extrémités libres respectives des doigts polaires 56, 58. Les autres détails du rotor à griffes polaires 40 comme par exemple ses paliers et son rôle dans le généra- teur ne seront pas détaillés ici puisqu'il s'agit d'infor- mations connues de manière générale. La figure 4 montre en coupe, un rotor à griffes polaires 40 dont le montage est terminé. Les mêmes pièces que celles des figures précédentes portent les mêmes réfé- rences; ces pièces ne seront pas décrites une nouvelle fois. Les bagues collectrices 62, 64 sont glissées sur le segment 66 du rotor 40 pour prendre leur position défini- tive. Les branchements des enroulements d'excitation 32 avec leur isolation 34 sont disposés ici pour venir contre la face du disque polaire 48, opposée à l'enroulement d'ex- citation 30 et viennent en appui dans des cavités corres- pondantes 68 de l'axe de rotor 40. Le rotor à griffes polaires 40 ainsi préparé est conduit tout d'abord dans un moule d'injection non représenté pour injecter sur le rotor à griffes polaires 40 un couvercle 70 pratiquement du côté des bagues de frottement. Il s'agit d'une opération d'in- jection de matière plastique. Le moule d'injection est con- çu pour permettre d'une part d'enrober les saillies axiales des prolongements 26 pour obtenir dans ce cas également des aubes de ventilateur 20. En même temps, les bornes de rac- cordement isolées 32 sont enrobées par projection pour ob- tenir ici une couche de recouvrement 72, isolée. La couche de recouvrement 72 rejoint une zone sensiblement cylindri- que 74 qui entoure l'axe de palier 40 au niveau des cavités prévues à cet endroit, en remplissant l'intervalle annu- laire entre le segment 66 et les bagues collectrices 62, 64 en formant de cette manière un blocage pour les bagues col- lectrices 62, 64. La zone 74 comporte un échelon annulaire 76 servant à recevoir un palier 78 non représenté ici pour l'axe de rotor 40. Entre la zone 74 et les pales de venti- lateur 20, on peut prévoir des entretoises radiales 80 réa- lisées également par injection, ces entretoises améliorant d'une part la rigidité de la forme des pales de ventilateur et formant d'autre part les surfaces de guidage d'air qui améliorent la circulation radiale de l'air vers les pa- les de ventilateur 20. Le rotor à griffes polaires 40 re- présenté de façon complète à la figure 4, forme ainsi un ensemble très compact permettant un encombrement réduit tout en assurant une bonne évacuation de la chaleur de dé- perdition. L'utilisation du support d'enroulement 10 permet une construction modulaire du rotor à griffes polaires 40 à partir d'un nombre réduit de pièces. Les pales de rotor 20 ainsi obtenues pour le montage du rotor sont reliées soli- dairement au support d'enroulement 10, c'est-à-dire en une seule pièce avec le rotor, de sorte que même sous l'effet des forces centripèdes relativement élevées aux vitesses de rotation importantes, cela garantit un montage solide des pales de ventilateur 20. Comme le support d'enroulement 10 est réalisé globalement comme pièce en matière plastique injectée, cela n'entraîne aucune augmentation du poids de l'ensemble du rotor à griffes polaires. Par rapport au dis- positif de ventilateur connu ayant des pales en tôle sur les deux faces frontales du rotor à griffes polaires, on a ainsi une économie de nombre de pièces séparées et de poids. Le cas échéant, on peut prévoir toutefois sur la face frontale 82 opposée aux bagues collectrices 62, 64, et appartenant au disque polaire 46 (représenté en traits in- terrompus dans la partie inférieure de la figure 4) un yen- tilateur en tôle, usuel 84 avec des pales de ventilateur 86) cintrées. La réalisation du rotor à griffes polaires 40 ou du support d'enregistrement 10 selon les figures 1 à 4 ne correspond qu'à un exemple. Le support d'enregistrement 10 peut également comporter d'origine, des pales de ventila- teur 20 injectées avec les brides 16, 18. L'enrobage par injection, représenté ici des parties en saillie 28 jusque vers les pales de ventilateur 20 n'est plus alors néces- saire. En outre, selon un autre mode de réalisation, on peut également prévoir les bagues collectrices 62 et 64 en- tre le palier 34 et le disque polaire 48. En choisissant de façon appropriée un moule d'injection, on obtient alors pour la zone de couvercle 70 ou la zone cylindrique 74 du couvercle 70, une forme appropriée. En outre, on peut uti- liser exclusivement le support d'enregistrement 10 avec des pales de ventilateur déjà intégrées ou fixées des deux cô- tés par injection; le raccordement des branchements de l'enroulement d'excitation 32 aux bagues collectrices 62 ou 64 peut se faire d'une manière connue avec des bornes de branchement intermédiaires. Les figures 5 et 6 sont des vues en perspective schématiques, partielles du rotor à griffes polaires 40 vu du côté des bagues collectrices. Les dessins des figures 5 et 6 explicitent une nouvelle fois la structure de base du rotor à griffes polaires 40. Les mêmes pièces que celles des figures précédentes portent les mêmes références et leur description ne sera pas reprise. La figure 5 montre le rotor à griffes polaires 40 dans l'étape de montage déjà représentée à la figure 3. Pour des raisons de simplification, les bagues collectrices 62 ou 64 et les bornes de branchement de l'enroulement d'excitation n'ont pas été représentées ici dans un but de simplification. La figure 5 montre clairement l'interpéné- tration des doigts polaires 56, 58; entre les flancs laté- raux 88, 90 des griffes polaires 50, 52, on a des volumes intermédiaires 60 s'étendant dans la direction périphérique et la direction axiale. Les flancs 88, 90 sont en biais par rapport à l'axe de rotation 12, si bien que les volumes in- termédiaires 60 sont également dirigés en biais. De manière particulièrement claire, il apparaît comment les extrémités des doigts polaires 56, 58 s'appuient sur les saillies 22 du support d'enroulement 10. Les saillies 22 (seul le côté de la bague de friction est illustré ici) correspondent ainsi aux brides 16, 18 du support d'enroulement 10. La bride 18 possède en outre les prolongements d'o partent les pièces en saillie 28, axiales. La figure 6 montre un rotor à griffes polaires 40 complètement enrobé par injection, selon la figure 4, sui- vant une vue partielle. On voit clairement les pales de ventilateur 20 qui sont maintenant intégrées par injection, et pour lesquelles les saillies axiales 28 forment des or- ganes d'accrochage et de fixation. Les pales de ventilateur peuvent être cintrées suivant la vitesse de rotation du rotor 20, indiquée par la flèche 91. La courbure des pales de ventilateur 20 favorise pendant la rotation du rotor à griffes polaires 40, une circulation axiale de l'air dans les intervalles 60 entre les griffes polaires 50, 52. Il n'y a pas d'autres pièces de construction dans les inter- valles 60, ce qui permet au courant d'air de passer sans difficulté dans les intervalles 60. On a ainsi globalement un bon effet de refroidissement pour les rotors à griffes polaires 40. Les parties en saillie 22 possèdent des surfa- ces latérales 92 dirigées radialement, et qui se rejoignent vers l'extérieur pour être alignées avec les flancs 88, 90 des griffes polaires 50, 52. Les surfaces latérales 92 for- ment ainsi en même temps les surfaces de guidage d'un cou- rant d'air de refroidissement. La figure 6 laisse apparaître clairement les branches 80, injectées, qui passent radialement entre les pales de ventilateur 20 et la zone cylindrique 74. Ces en- tretoises 80 stabilisent les pales de ventilateur 20. Les surfaces frontales 94 des entretoises forment pour le sens de rotation envisagé selon la flèche 91, des surfaces de guidage d'air supplémentaires, favorisant une ventilation radiales des pales de ventilateur 20, qui produisent ainsi Il un débit d'air important dans les intervalles 60. Comme ce- la apparaît en outre à la figure 6, on peut prévoir de plus entre les pales de ventilateur 20, injectées sur les par- ties en saillie 28, d'autres pales de ventilateur 20', in- jectées, qui n'assurent pas directement une circulation d'air dans les intervalles 60, mais qui tournent en parti- culier à l'intérieur du stator, non représenté, dans lequel tourne le rotor 40 et y assurer un passage d'air radial. Les pales de ventilateur 20' peuvent coopérer par exemple avec des fentes de ventilation correspondantes prévues dans le corps du stator. Aux pales de ventilateur 20', on peut également associer des entretoises 80' pour les renforcer et conduire à un guidage radial de l'air. La courbure des pales 20 ou 20' se choisit librement pour que comme déjà indiqué, on puisse avoir des pales de ventilateur 20 planes ou des pales de ventilateur cintrées 20 ou encore une com- binaison de pales planes et cintrées 20. La forme des pales de ventilateur 20 peut ainsi s'adapter au débit d'air sou- haité à travers le rotor à griffes polaires 40 ou à l'inté- rieur du corps du stator. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Machine électrique notamment générateur pour véhicules comprenant un rotor à griffes polaires monté à rotation dans un boîtier de stator, et portant coaxialement à son axe, un enroulement d'excitation solidaire en rota- tion, et des griffes polaires passant avec leurs doigts po- laires par dessus la surface périphérique de l'enroulement d'excitation, ainsi qu'un dispositif à ventilateur tournant avec le rotor à griffes polaires, caractérisée en ce que le rotor à griffes polaires (40) comporte un support d'enrou- lement (10) solidaire en rotation de l'axe de rotor (42) pour recevoir l'enroulement d'excitation (30), qui forme en même temps le dispositif de ventilateur sur au moins une face frontale du rotor à griffes polaires. 2 ) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le support d'enroulement (10) pos- sède au moins d'un côté de l'enroulement d'excitation une bride (16, 18) munie de moyens pour créer un courant d'air? 3 ) Machine électrique selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que la bride (16) porte sur sa face opposée à l'enroulement d'excitation (30), des pales de ventilateur (20) réparties à la périphé- rie de la bride (16). 4 ) Machine électrique selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les pales de ven- tilateur (20) sont prévues au niveau d'un intervalle (60) formé entre deux griffes polaires (50, 52). ) Machine électrique selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que le support d'en- roulement (10) est une pièce injectée en matière plastique et les pales de ventilateur (20) ne sont injectées sur la bride (18) qu'après montage du rotor à griffes polaires (40). 6 ) Machine électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que la bride (18) comporte des saillies (28) essentiellement axiales qui sont entourées par injec- tion pour former des pales de ventilateur (20). 7 ) Machine électrique selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que le support d'en- roulement (10) comporte de part et d'autre de l'enroulement d'excitation (30) des brides (16, 18) sur lesquelles sont déjà injectées des pales de ventilateur (20), les brides (16, 18) formant des zones ayant des surface de guidage d'air associées aux pales de ventilateur (20) et qui sont formées par des saillies radiales (22) des brides (16, 18), les saillies (22) ayant des zones d'appui pour soutenir des doigts polaires (56, 58) venant de la bride (16, 18) de la direction opposée. 8 ) Machine électrique selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les zones d'appui sont formées par des cavités (24) dans lesquelles se pla- cent les extrémités des doigts polaires (56, 58), les sur- faces latérales (92) des saillies (22) étant alignées sur les flancs axiaux (88, 90) des doigts polaires (56, 58). 9 ) Machine électrique selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que le rotor à grif- fes polaires (40) comporte d'autres pales de ventilateur (20') qui ne sont pas associées à la zone d'un volume in- termédiaire (60). 10 ) Machine électrique selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que les pales de ventilateur (20, 20') sont réalisées en une seule pièce par des entretoises axialement en saillie (80, 80') avec la couche de recouvrement (72) en matière isolante, injectée, et les entretoises (80, 80') possèdent des surfaces (94) en forme d'éléments radiaux de guidage d'air et la couche de recouvrement (72) bloque les conducteurs de branchement (32) de l'enroulement d'excitation (30) et relie les bagues de collecteur (62, 64) avec une zone cylindrique (94) de l'axe (42) du rotor.