Brevet FR2757703A1 — publié le 19980626

L'invention est relative à un rotor pour moteur électrique et au procédé de fabrication de ce rotor. Les industries de production de biens de consommation telles que l'industrie automobile ou l'industrie de fabrication d'appareils électroménagers utilisent de nombreux moteurs de faible puissance (par exemple 1 à 500 Watts) qui peuvent être des moteurs à courant continu ou des moteurs universels dont l'alimentation est assurée par le courant alternatif à 50 hertz des lignes de distribution mises à la disposition des usagers. Le rotor de ces moteurs de faible puissance comporte un corps de forme sensiblement cylindrique présentant des encoches de direction axiale pour recevoir un bobinage. Le corps du rotor est réalisé sous forme feuilletée par empilage de tôles en un matériau à haute perméabilité magnétique tel qu'un acier doux ou de préférence un acier au silicium. Les tôles sont découpées suivant une forme correspondant à la forme de la section transversale du rotor et présentent une ouverture centrale assurant le passage de l'axe du rotor. Les tôles sont enfilées l'une à la suite de l'autre sur l'axe de rotor en acier, de manière à constituer un empilement dans la direction axiale du rotor. Les encoches prévues dans chacune des tôles sont placées en coïncidence et constituent, par leur juxtaposition, les encoches du rotor. Entre les encoches, les tôles présentent des épanouissements qui, par leur juxtaposition lors de l'empilage des tôles, constituent des pièces polaires dont les surfaces externes en forme de secteurs cylindriques définissent la surface externe cylindrique du rotor. Les tôles sont enfilées en force sur l'axe, ce qui assure le maintien et la cohésion de l'empilement de tôles. De tels moteurs présentent des caractéristiques électriques, en particulier des caractéristiques de ren dement relativement médiocres mais qui sont suffisantes dans le cas de moteurs de faible puissance utilisés de manière épisodique. L'inconvénient principal des rotors feuilletés de petits moteurs est que leur procédé de fabrication requiert des étapes successives de découpage et d'assemblage d'un très grand nombre de tôles de forme complexe. Le rotor assemblé comportant son axe doit être ensuite revêtu d'une couche d'isolation constituée par exemple par une résine époxyde qui est déposée sur le rotor sous forme de poudre puis fondue dans un four à induction. Du fait qu'il est nécessaire d'effectuer de nombreuses opérations successives lors de la fabrication des rotors, les lignes de fabrication comportent de nombreux postes et de nombreuses installations telles que des unités de découpage, d'assemblage et de revêtement et des fours de traitement. Il est donc nécessaire de réaliser des investissements coûteux et il est également difficile de limiter ou réduire les prix de revient des rotors et donc des moteurs. Pour certaines fabrications de dispositifs électromagnétiques, on utilise des noyaux ou des pièces d'aimants qui sont réalisés par frittage. On connaît par exemple des noyaux de transformateurs en ferrite doux qui sont réalisés par frittage. Cependant, de tels matériaux, même à supposer qu'ils présenteraient les caractéristiques électromagnétiques voulues, auraient un prix de revient beaucoup trop élevé pour être envisagés dans le cadre de la fabrication de rotors de petits moteurs. De plus, un matériau céramique fritté ne présente pas des caractéristiques mécaniques suffisantes pour être envisagé dans le cas de la fabrication de pièces mobiles et pouvant supporter des chocs, tels que les rotors de petits moteurs. En outre, la forme des rotors des moteurs à courant continu ou des moteurs universels ainsi que les proportions géométriques de ces moteurs se prêtent difficilement à une fabrication par frittage de poudre. Il est apparu récemment sur le marché des pièces réalisées à partir de poudre pouvant présenter des formes complexes et une forte compacité. Ces pièces ont été réalisées en particulier par le procédé MIM (Metal Injection Moulding) inventé et mis au point par la société VALLOU REC. Le procédé n'a jamais été développé jusqu'ici pour la réalisation de rotors de petits moteurs. L'état de la technique ne fait pas connaître non plus de corps de rotor réalisé sous forme monobloc, du fait qu'une réalisation feuilletée des rotors a toujours été jugée nécessaire pour limiter les pertes par courants de Foucault à un niveau acceptable. Le but de l'invention est donc de proposer un rotor pour moteur électrique comportant un corps en un alliage à haute perméabilité magnétique, de forme sensiblement cylindrique ayant des encoches de direction axiale pour recevoir un bobinage, qui puisse être fabriqué en très grande série et avec un faible prix de revient et utilisé pour la fabrication de moteurs électriques de faible puissance sur des lignes de fabrication plus simples et moins coûteuses que les lignes de fabrication habituelles. Dans ce but, le corps du rotor réalisé sous forme monobloc est constitué d'une pièce de composition homogène frittée. De préférence, le corps du rotor est réalisé en un alliage de fer, tel qu'un acier doux, un acier au nickel ou un acier au silicium. L'invention est également relative à un procédé de fabrication du corps de rotor mettant en oeuvre le procédé de moulage MIM. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple, en se référant à la figure jointe en annexe, un rotor de moteur électrique à courant continu selon l'invention et son procédé de fabrication. La figure unique est une vue en perspective d'un rotor de moteur à courant continu selon l'invention. Le rotor, désigné de manière générale par le repère 1, comporte un corps 2 de forme complexe limité extérieurement par une surface cylindrique et un axe 3 monté dans l'alésage central 2c de direction axiale du rotor 2. Le rotor 2 comporte des lames radiales 2a (par exemple 10) terminées chacune par un épanouissement 2b constituant une pièce polaire délimitée extérieurement par une surface en forme de secteur cylindrique. Les surfaces extérieures des secteurs des pièces polaires définissent la surface extérieure cylindrique du rotor 1. Entre deux lames successives 2a du corps de rotor 2, un espace vide 4 ou encoche permet de recevoir plusieurs spires d'un bobinage (non représenté). Selon l'invention, le corps de rotor 2, réalisé sous forme monobloc, est constitué par une seule pièce en un matériau de composition homogène fritté, à la différence des rotors selon l'art antérieur qui étaient constitués par un empilement de tôles ayant la forme de la section transversale du rotor (visible sur la figure) et comportant une ouverture centrale assurant leur engagement en force sur l'arbre du rotor. Le corps de rotor suivant l'invention est en un alliage métallique de composition homogène à haute perméabilité dont les caractéristiques mécaniques en particulier sont supérieures aux caractéristiques d'une matière céramique telle qu'un ferrite. De préférence, le corps de rotor est réalisé en un alliage de fer renfer mant une très faible proportion de carbone, et éventuellement, des éléments métalliques tels que le nickel, l'aluminium, le chrome, le cuivre ou l'étain dans une proportion pondérale totale de quelques pour-cents, ainsi que du silicium. En particulier, le corps de rotor peut être réalisé en un acier à 2 % de nickel renfermant en poids moins de 0,05 % de carbone, moins de 0,25 % de silicium et de 1,5 à 2,5 % de nickel, le solde de l'alliage à l'exception d'impuretés inévitables étant constitué par du fer. Le rotor 2 est réalisé à partir de poudres constituées par des particules d'alliage ou d'éléments métalliques qui sont liées entre elles par un traitement thermique au cours duquel la liaison entre les grains de poudre est réalisée par diffusion thermique. De préférence, on utilise des poudres préalliées, c'est-à-dire des poudres dont toutes les particules ou grains ont une composition homogène qui est celle de l'alliage métallique du rotor. Dans certains cas, il est également possible d'utiliser des poudres constituées par des éléments de la composition de l'alliage à obtenir qui sont mélangées puis frittées. De préférence, du fait de la forme complexe du corps de rotor, on utilise le procédé MIM de fabrication de pièces métalliques. Dans ce procédé, on réalise dans un premier temps le mélange des poudres en alliage métallique avec un liant constitué par des composants d'une matière plastique. Le mélange est réalisé à une température de fusion de la matière plastique puis inject à cette température dans un moule généralement en deux parties dont la cavité présente en creux la forme du corps de rotor 2. On utilise, pour réaliser l'injection du mélange de poudres métalliques et de matière plastique fluidisée, une presse d'injection de matière plastique de type courant. On démoule ensuite le corps de rotor à l'état refroidi et solidifié. Du fait de la réalisation d'un mélange ayant une bonne plasticité et pouvant être injecté, renfermant des particules de poudre métallique fines (d'une taille de 5 à 20 pm), on peut réaliser sans difficulté le remplissage d'un moule de forme complexe correspondant à la forme précise du corps de rotor. Dans une production en série, on réalise les pièces avec une très forte cadence et les pièces moulées constituées par le mélange de poudre métallique et de matière plastique sont rassemblées sous forme de charges pouvant comporter un très grand nombre de pièces moulées. Les charges sont placées dans un four dans lequel les corps de rotor moulés sont portés à une température supérieure à 200"C et inférieure à 400"C. A cette température, la matière plastique constituant le liant du mélange se vaporise de sorte qu'en sortie du four, on obtient des pièces mises en forme précises et constituées par un agglomérat de particules métalliques. Les pièces sont alors soumises à un traitement de densification à une température supérieure à 1000"C. Les vides laissés par le liant entre les pièces se comblent progressivement par diffusion thermique des composants métalliques des particules de poudre. Au cours de ce traitement de densification, le retrait des pièces qui peut être important se traduit par l'obtention d'une forme exactement homothétique de la forme de départ, si bien qu'on peut obtenir, par réglage préalable de la composition du mélange moulé, des corps de rotor présentant, après densification, la forme et les dimensions exactes du corps de rotor à obtenir à l'état fini. Il est à remarquer que le traitement de densification qui réalise le frittage des poudres ne met pas en oeuvre une forte pression, le frittage étant réalisé uniquement par diffusion thermique. Après ce traitement, on obtient donc des corps de rotor monoblocs, de composition homogène et présentant une forme et des cotes très précises. On peut ainsi réaliser des corps de rotor de moteurs à courant continu ayant par exemple un diamètre de 32 mm et une longueur dans la direction axiale de 35mm présentant des lames 2a séparant les encoches 4 du corps de rotor dont l'épaisseur est de 2 mm. Le procédé MIM permet d'obtenir des pièces de géométrie tout-à-fait satisfaisante, malgré la complexité de forme de la pièce et le rapport des dimensions diamètre/longueur. Il serait extrêmement difficile d'obtenir de telles pièces par un procédé de frittage classique par compression et chauffage d'une poudre métallique sans moulage préalable d'un mélange de la poudre avec une matière plastique. Les corps de rotor 2 obtenus à l'issue du traitement de densification (ou frittage) peuvent être refroidis puis revêtus d'une poudre de résine époxyde avant un chauffage par induction permettant de fondre la poudre sur les surfaces du corps de rotor de manière à le recouvrir entièrement d'une couche isolante. On peut alors réaliser le montage des rotors par engagement en force de l'axe 3 dans l'alésage central 2c de direction axiale du rotor et par bobinage de fil dans les encoches 4 du corps de rotor 2. Il est à remarquer que, contrairement au cas des corps de rotor feuilletés dont la cohésion est assurée par engagement en force de tôles sur l'axe du rotor, le corps de rotor constitue une pièce indépendante de l'axe du rotor qui peut être fabriquée en dehors de l'usine de montage des moteurs et revêtue d'une matière époxyde isolante, avant le montage sur l'axe. Les pièces frittées constituant les corps de rotor peuvent être livrées au fabricant des moteurs sous forme revêtue ou non revêtue. Les opérations d'assemblage des rotors chez le fabricant de moteurs sont alors fortement simplifiées par rapport aux opérations de montage des rotors feuilletés. Les installations qui doivent être utilisées pour le montage des rotors sont alors beaucoup plus simples et beaucoup moins coûteuses que dans le cas de la fabrication des rotors feuilletés suivant l'art antérieur. On a mesuré les caractéristiques d'un moteur à courant continu équipé d'un rotor feuilleté suivant l'art antérieur et d'un moteur à courant continu équipé d'un rotor fritté suivant l'invention. Les caractéristiques mesurées sont la vitesse de rotation du moteur et l'intensité du courant d'alimentation en fonction du couple sur l'arbre du moteur. Les caractéristiques du moteur équipé du rotor fritté suivant l'invention se sont avérées satisfaisantes et proches des caractéristiques correspondantes du moteur à rotor feuilleté. Cependant, pour des compositions identiques du matériau à haute perméabilité magnétique du rotor fritté et du rotor feuilleté, on observe des pertes par courants de Foucault supérieures dans le moteur à rotor fritté, du fait que la résistivité du matériau fritté est sensiblement inférieure à la résistivité du matériau feuilleté. Il est donc préférable d'utiliser, pour la fabrication des corps de rotor frittés, des alliages présentant la plus forte résistivité électrique possible, compte tenu des propriétés de perméabilité recherchées. C'est ainsi qu'au lieu d'utiliser de l'acier doux, c'est-à-dire un acier non allié renfermant une faible quantité de carbone, on utilisera de préférence, dans le cas du rotor fritté, un acier présentant des éléments d'alliage tels que ceux qui ont été énumérés cidessus et en particulier du nickel ou encore un acier au silicium pouvant renfermer de plus différentes additions métalliques. Pour augmenter la résistance électrique du corps de rotor, il est possible également d'augmenter la taille du grain du matériau métallique homogène du corps de rotor. Il est donc préférable d'utiliser des poudres ayant les plus fortes granulométries dans les gammes de granulométrie mentionnées plus haut. Il est possible également d'ajuster la taille du grain dans le matériau fritté du rotor, par un traitement thermique approprié, par exemple en réglant la température et la durée du traitement de densification. L'invention s'applique non seulement aux rotors de moteurs à courant continu mais encore aux rotors de moteurs universels et de manière générale aux rotors de moteurs électriques de faible puissance pouvant présenter des performances médiocres mais qui doivent être produits à un très faible prix de revient. REVENDICATIONS 1.- Rotor pour moteur électrique comportant un corps (2) en un alliage à haute perméabilité magnétique, de forme sensiblement cylindrique ayant des encoches (4) de direction axiale pour recevoir un bobinage, caractérisé par le fait que le corps (2) du rotor (1) réalisé sous forme monobloc est constitué d'une pièce de composition homogène frittée. 2.- Rotor suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps de rotor (2) est en un alliage de fer renfermant une faible proportion de carbone. 3.- Rotor suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le corps de rotor (2) est en un acier renfermant l'un au moins des éléments nickel, silicium, chrome, aluminium, étain. 4.- Rotor suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il est constitué en acier à 2 % en poids de nickel. 5.- Procédé de fabrication d'un rotor pour moteur électrique comportant un corps (2) en un alliage à haute perméabilité magnétique, caractérisé par le fait - qu'on mélange une poudre de l'alliage à haute perméabilité magnétique avec un liant constitué par une matière plastique, - qu'on injecte dans un moule ayant une cavité de forme identique à la forme du corps de rotor (2), le mélange de poudre d'alliage et de matière plastique dans un état fluidifié, pour réaliser un corps de rotor (2) moulé, - qu'on maintient le corps de rotor moulé (2) à une température d'au moins 200"C pendant une durée suffisante pour évaporer la matière plastique du liant contenue dans le corps de rotor moulé, et - qu'on porte et qu'on maintient à une température supérieure à 1000"C le corps de rotor (2) moulé, après évaporation du liant pour réaliser la densification et le frittage de la poudre en alliage métallique. 6.- Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'on réalise le revêtement du corps de rotor (2) par une couche d'isolation électrique et qu'on engage à force un arbre (3) dans un alésage central (2c) de direction axiale du corps de rotor (2) pour assurer le montage du rotor (1). 7.- Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que la poudre d'alliage a une granulométrie comprise entre 5 et 20 um. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 5, 6 et 7, caractérisé par le fait que la poudre est une poudre préalliée. 9.- Procédé suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que la poudre renferme, en poids, de 1,5 à 2,5 % de nickel, une teneur en carbone au plus égale à 0,05 %, une teneur en silicium au plus égale à 0,25 %, le solde de l'alliage, à l'exception des impuretés éventuelles, étant constitué par du fer.