Brevet FR2756676A1 — publié le 19980605

MOTEUR A VITESSE VARIABLE ET CARCASSE POUR UN TEL MOTEUR La présente invention a pour objet un moteur à vitesse variable. Elle a aussi pour objet une carcasse pour un tel moteur. I1 est connu d'associer à un moteur asynchrone des variateurs de fréquence électriques ou électroniques afin de permettre un fonctionnement du moteur dans une plage de vitesse. De tels produits, disponibles sur le marché, sont constitués d'un boîtier externe à un moteur, et assurant l'alimentation électrique du moteur. Les boîtiers, outre la fonction de variateur de fréquence, assurent aussi d'autres fonctionnalités, comme par exemple, la compatibilité électromagnétique. D'autres sociétés, telles que SIEMENS, LEROY SOMER ou GRUNDFOS commercialisent un variateur de fréquence, disposé dans un boîtier, destiné à être fixé sur un moteur asynchrone. Ces dispositifs connus présentent différents inconvénients. Ils sont tout d'abord d'un coût élevé, notamment du fait de leur complexité. I1 est nécessaire de les associer au moteur, ce qui complique la mise en place du moteur et son utilisation. Une solution partielle est apportée par les boîtiers susceptibles d'être fixés sur les moteurs. Ces boîtiers présentent encore l'inconvénient d'augmenter l'encombrement du moteur. Les solutions connues de l'art antérieur impliquent pour l'utilisateur un choix d'un moteur et d'un variateur de fréquence en fonction d'une puissance et d'une vitesse souhaitées. Ceci complique le choix et, pour le fabricant, crée des problèmes dans la gestion d'une offre étendue et complexe. Enfin, les dispositifs des variateurs de fréquence connus doivent être soumis à des tests de conformité, afin de pouvoir être commercialisés. I1 est notamment nécessaire de s'assurer de la compatibilité électromagnétique du variateur de fréquence. Cette contrainte complique la conception des variateurs de fréquence et augmente leur coût. L'invention propose une solution à ces différents problèmes. Elle fournit un moteur asynchrone à vitesse variable sur une plage étendue, à prix réduit. L'invention simplifie considérablement le choix d'un moteur asynchrone, en assurant les mêmes fonctionnalités techniques à partir d'un nombre de modèles plus réduit. Elle supprime aussi la contrainte de la vérification de la conformité du variateur de fréquence. L'invention propose un moteur à vitesse variable, comprenant une carcasse de moteur à l'intérieur de laquelle sont disposés un moteur asynchrone et des moyens de variation de la fréquence d'alimentation électrique du moteur. Avantageusement, le moteur présente aussi des moyens de refroidissement communs pour le refroidissement du moteur asynchrone et des moyens de variation de la fréquence. Ces moyens de refroidissement comprennent par exemple un ventilateur commun. La carcasse du moteur peut présenter un compartiment pour le moteur et un compartiment distinct pour les moyens de variation de la fréquence De préférence, le moteur comprend des moyens de rupture thermique entre les compartiments, lesdits moyens comprenant notamment des barrettes en matériau thermiquement isolant. Dans un mode de réalisation, les moyens de refroidissement comprennent un ventilateur désaxé par rapport à l'axe du compartiment pour le moteur. La carcasse du moteur présente de préférence un canal de ventilation commun disposé entre le compartiment pour le moteur et le compartiment pour les moyens de variation de la fréquence, qui peut être muni d'ailettes en quinconce, les moyens de rupture thermique étant disposés dans le canal. L'entrée du canal de ventilation commun présente avantageusement une section transversale se rétrécissant dans le sens du flux d'air de refroidissement. Les moyens de refroidissement peuvent comprendre un ventilateur à pales unidirectionnelles. Les moyens de refroidissement peuvent comprendre un motoventilateur Dans un mode de réalisation, les moyens de variation de la fréquence d'alimentation électrique du moteur comprennent des composants électroniques montés sur un substrat métallique isolé, ledit substrat étant couplé thermiquement et mécaniquement à la carcasse du moteur. Les moyens de variation de la fréquence d'alimentation électrique du moteur sont avantageusement reliés au moteur par brochage sur le moteur à travers la carcasse. L'invention a aussi pour objet une carcasse pour moteur à vitesse variable, présentant un compartiment pour un moteur et un compartiment distinct pour des moyens de variation de la fréquence. Avantageusement, il est prévu des moyens de rupture thermique entre les compartiments et lesdits moyens comprennent de préférence des barrettes en matériau thermiquement isolant. De préférence, les moyens de rupture thermique sont disposés dans le canal. La carcasse présente avantageusement un canal de ventilation commun disposé entre le compartiment pour un moteur et le compartiment pour des moyens de variation de la fréquence, et de préférence muni d'ailettes en quinconce. L'entrée du canal de ventilation commun peut aussi présenter une section transversale se rétrécissant dans le sens du flux d'air de refroidissement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux figures qui montrent: - figure 1, une vue schématique en coupe longitudinale d'un moteur selon l'invention - figure 2, une vue en coupe frontale d'une carcasse de moteur selon l'invention; - figure 3, une vue à plus grande échelle du canal de ventilation de la carcasse de la figure 2; - figure 4, une vue en coupe longitudinale de la carcasse de la figure 3, au voisinage de l'entrée du canal de refroidissement La figure 1 montre une vue schématique en coupe longitudinale d'un moteur à vitesse variable selon l'invention. Le moteur de la figure 1 comprend une carcasse de moteur 1. A l'intérieur de celle-ci sont disposés un moteur asynchrone 2, d'axe de rotation 3, et des moyens 4 de variation de la fréquence électrique d'alimentation du moteur 2. Typiquement ces moyens présentent un ensemble de composants électroniques formant un variateur de fréquence qui peuvent par exemple être brochés sur la carcasse. L'invention présente une structure plus simple que les moteurs de l'art antérieur: il n'est plus nécessaire de prévoir un boîtier séparé pour le variateur de fréquence, ce qui évite les inconvénients de mise en place et d'utilisation mentionnés plus haut. Disposer le variateur de fréquence dans la même carcasse de moteur permet d'utiliser celle ci pour le blindage électromagnétique des moyens électroniques de variation de fréquence. En outre, le couplage avec le moteur asynchrone s'effectuant à l'intérieur de la carcasse, il ntest plus nécessaire de tester la compatibilité électromagnétique du variateur indépendamment du moteur: il suffit de tester comme cela est classiquement fait, la compatibilité électromagnétique du moteur dans son ensemble. Grâce à un couplage thermique approprié, on évite aussi de devoir utiliser des moyens de refroidissement distincts pour les moyens de variation de la fréquence d'alimentation du moteur. On peut coupler sur la carcasse de moteur 1 des moyens de refroidissement, comme par exemple le capot de ventilateur 5 représenté schématiquement sur la figure 1. Le ventilateur 5 assure le refroidissement conjoint du moteur asynchrone 2 et des moyens 4. Une disposition avantageuse pour le ventilateur 5 consiste à placer l'axe 6 du capot de ventilateur et du ventilateur désaxé par rapport à l'axe 3 du moteur, en direction des moyens de variation de la fréquence, de telle sorte à assurer un refroidissement optimal du moteur 2 et des moyens 4, pour une puissance de ventilateur donnée. L'utilisation des moyens de refroidissement commun simplifie la structure du moteur de l'invention et permet de diminuer ces coûts. On prévoit de préférence des moyens de rupture thermique, assurant une rupture thermique entre le moteur asynchrone 2 et des moyens 4 de variation de la fréquence électrique d'alimentation du moteur. La figure 2 montre une vue en coupe frontale d'une carcasse de moteur selon l'invention. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1 est destinée à recevoir un moteur asynchrone et des moyens de variation de la fréquence d'alimentation du moteur. La carcasse de moteur 8 présente un premier compartiment 9 destiné à recevoir un moteur asynchrone. Elle présente un deuxième compartiment 10 destiné à recevoir les moyens de variation de la fréquence d'alimentation du moteur. Le couvercle permettant de fermer le compartiment 10 n'est pas représenté sur la figure 2. Entre ces deux compartiments, la carcasse 8 peut avantageusement présenter un canal de ventilation 11, qui permet un refroidissement simultané du compartiment 9 et du compartiment 10. Le flux d'air dans le canal 11 est augmenté si on prévoit, comme expliqué en référence à la figure 1, un ventilateur désaxé par rapport à l'axe de symétrie du compartiment 9 pour le moteur. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le fait de prévoir les compartiments distincts pour le moteur et les moyens de variation de la fréquence simplifie l'isolation thermique et électromagnétique entre le moteur et les moyens électronique. Le mode de réalisation permet de conserver la grande simplicité déjà soulignée en référence à la figure 1. Avantageusement, dans le moteur de la figure 2, la carcasse unique est équipée sur toute sa longueur de moyens de rupture thermique, assurant une rupture thermique entre la partie moteur et la partie variateur. On peut par exemple utiliser des barrettes en matériau thermiquement isolant, comme du polyamide chargée en fibre de verre, disposées entre la partie moteur et la partie variateur. On a représenté sur la figure 2 deux barrettes 12, 13, situées de part et d'autre du canal de ventilation commun 11. La forme et le nombre des moyens de rupture thermique dépendent de la forme de la carcasse, et peuvent être facilement modifiés. Les barrettes 12, 13 peuvent être serties dans les compartiments 9 et 10, de sorte à assurer une bonne intégrité mécanique de la carcasse. La présence de moyens de rupture thermique empêche l'effet de "build-up" que pourraient créer les deux sources de chaleur que constituent le moteur et les moyens de variation de la fréquence. On appelle effet de "build-up" l'effet d'échauffement alternatif et séquentiel d'une source par l'autre, qui peut conduire à une escalade catastrophique de la température. La figure 3 montre une vue à plus grande échelle du canal de ventilation 11 de la figure 2. On reconnaît sur la figure 3 une partie de la carcasse de moteur 1, le compartiment moteur 9, le compartiment 10 pour les moyens de variation de la fréquence d'alimentation du moteur, et les barrettes 12, 13 formant les moyens de rupture thermique. On prévoit avantageusement des ailettes de ventilation 14, 15 disposés du côté du compartiment 9 et du côté du compartiment 10. La taille et le nombre des ailettes permettent d'ajuster la répartition entre les compartiments 9 et 10 de la dissipation de la chaleur, en fonction de la chaleur dissipé par le moteur ou par les moyens électroniques. On prévoit avantageusement dans le canal de ventilation un volume 16 permettant le passage de broches 17 de contact entre le compartiment 10 et le compartiment 9. On assure ainsi une retransmission électrique simple et fiable entre les moyens de variation de la fréquence du compartiment 10 et le moteur du compartiment 9, entièrement à l'intérieur de la carcasse 8. Comme expliqué plus haut, on évite ainsi toute perturbation électromagnétique due au couplage électrique entre le variateur de fréquence et le moteur. On peut aussi simplement prévoir entre les deux compartiments des trous pour le passage de câbles. La figure 4 montre une vue en coupe longitudinale de la carcasse de la figure 3, au voisinage de l'entrée du canal de refroidissement 11. On reconnaît sur la figure 4 la carcasse du moteur 8, le canal de refroidissement 11, le deuxième compartiment 10 pour les moyens de variateur de la fréquence, le premier compartiment 9 pour le moteur, avec l'axe de symétrie 19, du compartiment avec lequel coïncide l'axe de rotation du moteur. On a en outre représenté sur la figure 4 des moyens de refroidissement sous forme d'un motoventilateur 20, avec un bloc moteur 21, un arbre 22 muni des pales 23. L'utilisation d'un motoventilateur, dont les pales sont entraînés par un moteur 21, à vitesse fixe indépendamment de la rotation du moteur asynchrone permet une régulation plus efficace du flux d'air de refroidissement, notamment pour les vitesses de rotation faible du moteur asynchrone. L'utilisation d'un motoventilateur permet en outre de prévoir des pales unidirectionnelles, car le ventilateur tourne toujours dans la même direction, quelle que soit le sens de rotation du moteur asynchrone. On assure ainsi un rendement de ventilation plus élevé, et on peut prévoir une vitesse de rotation plus faible du ventilateur. Cette solution est particulièrement avantageuse pour les moteurs de puissance supérieure à 1 kW. L'invention propose en outre d'utiliser des pales unidirectionnelles, même lorsque le ventilateur est entraîné par l'arbre du moteur asynchrone, en fixant le sens de rotation du moteur asynchrone. Cette solution, qui va de l'encontre de l'approche classique selon laquelle on permet les deux sens de rotation au moteur, permet une augmentation importante du rendement de ventilation. Cette solution permet aussi de réduire le niveau de bruit. Revenant à la figure 4, le ventilateur 20 est recouvert d'un capot 24. Avantageusement l'entrée du canal de refroidissement 11 est conformée en se rétrécissant en section transversale, dans le sens du flux d'air de refroidissement. Ceci peut être réalisé par exemple en conformant le capot 24, la carcasse 8 ou le bloc moteur 21 au voisinage de l'entrée du canal 11. On assure ainsi, en maintenant un débit d'air constant, une augmentation de la pression d'air dans le canal de refroidissement, et une meilleure dissipation de la chaleur dans le flux d'air de refroidissement. On peut aussi, alternativement ou en combinaison, limiter le flux d'air vers le bas du moteur, à l'encontre de la solution classique, et renvoyer tout ou la majorité du flux d'air à travers le canal de refroidissement 11. Ceci permet un refroidissement optimal, pour une puissance de ventilateur donnée. Selon l'invention, les composants électroniques qui forment les moyens de variation de la fréquence d'alimentation du moteur asynchrone sont de préférence mécaniquement couplés à la carcasse du moteur. On assure ainsi un couplage thermique efficace et une bonne dissipation de la chaleur dégagée par les composants ou par exemple utiliser la technique du substrat métallisé et isolé. Un circuit imprimé monocouche est reporté à plat sur une semelle d'aluminium. Des composants électroniques sont ensuite soudés sur le circuit imprimé. La semelle d'aluminium est ensuite fixée sur la carcasse du moteur, de sorte à assurer un bon couplage mécanique et thermique entre la carcasse et la plaque. Ceci permet un couplage thermique efficace entre les composants de puissance et la carcasse du moteur, par l'intermédiaire de la semelle métallique, ainsi qu'une bonne fixation mécanique des composants. Enfin, l'utilisation d'une plaque métallique en aluminium assure un coefficient de dilatation comparable à celui de la carcasse du moteur, qui comprend généralement des matériaux à base d'aluminium. On préserve ainsi sur la plage de température de la carcasse et des composants, un bon couplage mécanique et thermique. L'invention permet aussi de fournir une solution complète, simple et efficace aux différents problèmes rencontrés dans les moteurs de l'art antérieur. Le moteur de l'invention est compact, simple d'emploi, et robuste. I1 peut être employé dans des utilisations variées et être adapté à toutes les circonstances. Les moyens de variation de la fréquence d'alimentation du moteur peuvent être fabriqués indépendamment et montés simplement dans la carcasse de différents moteurs par simple brochage et fixation mécanique du substrat métallisé. L'invention, en fournissant une carcasse unique, et en prévoyant pour les deux sources de chaleur un radiateur commun formé par des ailettes dans un canal de refroidissement commun, permet de simplifier la structure connue des moteurs. Bien entendu, les modes de réalisation représentés ne sont que des exemples, que l'homme du métier peut modifier en restant dans l'enseignement de l'invention. On peut ainsi prévoir divers modes d'assemblage de la carcasse du moteur, pour permettre à la fois un montage rapide du moteur et un accès simple aux composants électroniques. Les composants électroniques ne sont pas nécessairement dans un compartiment différent de celui du moteur, comme sur les figues 2 à 4. On peut prévoir un compartiment unique, et disposer les composants électroniques le long des parois de la carcasse, dans le même compartiment que le moteur. On pourrait aussi disposer les composants sur le palier arrière. On a décrit l'invention dans le cas des moteurs asynchrones. Elle peut aussi s'appliquer dans le cas des moteurs synchrone, l'électronique présentant alors des fonctions différentes. REVENDICATIONS 1.- Moteur à vitesse variable, comprenant une carcasse de moteur (1, 8) à l'intérieur de laquelle sont disposés un moteur asynchrone (2) et des moyens (4) de variation de la fréquence d'alimentation électrique du moteur. 2.- Moteur à vitesse variable selon la revendication 1, caractérisé par des moyens de refroidissement (5, 20) communs pour le refroidissement du moteur asynchrone (2) et des moyens (4) de variation de la fréquence. 3.- Moteur à vitesse variable selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent un ventilateur commun. 4.- Moteur à vitesse variable selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite carcasse présente un compartiment (9) pour le moteur et un compartiment (10) distinct pour les moyens (4) de variation de la fréquence. 5.- Moteur à vitesse variable selon la revendication 4, caractérisé par des moyens de rupture thermique entre les compartiments (9) et (10), lesdits moyens comprenant de préférence des barrettes (12, 13) en matériau thermiquement isolant. 6.- Moteur à vitesse variable selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent un ventilateur désaxé par rapport à l'axe du compartiment (9) pour le moteur. 7.- Moteur à vitesse variable selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que la carcasse (8) présente un canal de ventilation (11) commun disposé entre le compartiment (9) pour le moteur et le compartiment (10) pour les moyens de variation de la fréquence, et de préférence muni d'ailettes (14, 15) en quinconce, et en ce que les moyens de rupture thermique sont disposés dans le canal. 8.- Moteur à vitesse variable selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'entrée du canal de ventilation (11) commun présente une section transversale se rétrécissant dans le sens du flux d'air de refroidissement. 9.- Moteur à vitesse variable selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent un ventilateur à pales unidirectionnelles. 10.- Moteur à vitesse variable selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent un motoventilateur (20). 11.- Moteur à vitesse variable selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens (4) de variation de la fréquence d'alimentation électrique du moteur comprennent des composants électroniques montés sur un substrat métallique isolé, ledit substrat étant couplé thermiquement et mécaniquement à la carcasse (1, 8) du moteur. 12.- Moteur à vitesse variable selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens (4) de variation de la fréquence d'alimentation électrique du moteur sont reliés au moteur (2) par brochage sur le moteur à travers la carcasse. 13.- Carcasse pour moteur à vitesse variable, présentant un compartiment (9) pour un moteur et un compartiment (10) distinct pour des moyens (4) de variation de la fréquence. 14.- Carcasse pour moteur à vitesse variable selon la revendication 13, caractérisée par des moyens de rupture thermique entre les compartiments (9) et (10) , lesdits moyens comprenant de préférence des barrettes (12, 13) en matériau thermiquement isolant. 15.- Carcasse pour moteur à vitesse variable selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle présente un canal de ventilation (11) commun disposé entre le compartiment (9) pour un moteur et le compartiment (10) pour des moyens de variation de la fréquence, et de préférence muni d'ailettes (14, 15) en quinconce. 16.- Carcasse pour moteur à vitesse variable selon la revendication 13, 14 ou 15, caractérisée en que lesdits moyens (12, 13) de rupture thermique sont disposés dans le canal (11). 17.- Carcasse pour moteur à vitesse variable selon la revendication 15 ou 16, caractérisée en ce que l'entrée du canal de ventilation (11) commun présente une section transversale se rétrécissant dans le sens du flux d'air de refroidissement.