Brevet FR2761212A3 — publié le 19980925

FR 2761212 A3 19980925 FR 9801299 A 19980204 Moteur électrique avec convertisseur de fréquence amont. L'invention concerne un moteur électrique avec un convertisseur de fréquence amont pour le contrôle de la vitesse de rotation, dont l'électronique de puissance et d'acheminement des signaux, logée dans un boîtier, forme une unité de construction avec le moteur électrique. Il faut entendre par convertisseur de fréquence un convertisseur qui transforme la tension du réseau, d'une fréquence et d'une tension constantes, en un système 1o triphasé de fréquence et de tension variables. Ce système est transmis au moteur triphasé à entraîner (moteur asynchrone), pour prédéfinir ainsi la vitesse de rotation du moteur électrique par un choix adéquat de la fréquence de sortie du convertisseur. is Contrairement au montage conventionnel, dans lequel le convertisseur est monté dans une armoire de commande, sous forme d'unité séparée, et alimente le moteur électrique par l'intermédiaire d'un câble allant jusqu'à 100 m de long, des moteurs électriques sont déjà connus, dans lesquels l'électronique de puissance et de signaux, qui commande le moteur, est intégrée à ce dernier sous forme d'unité mécanique. Cette mesure vise à éviter l'encombrement, préalablement requis pour l'armoire de commande, et à réduire en outre la problématique de la compatibilité électromagnétique, provoquée sur le montage conventionnel par le rayonnement, lié aux longs câbles d'alimentation du moteur pouvant aller jusqu'à 100 m de long. 2 2761212 Pour intégrer le convertisseur de fréquence au moteur électrique, il est prévu, d'une part, de monter son électronique dans l'une des boîtes de connexions du moteur. Les éléments de jonction, tels que bornes et/ou connecteurs pour les circuits d'alimentation et d'acheminement des signaux, sont également montés à I'intérieur de la boîte de connexions. Un tel montage, dans lequel le convertisseur de fréquence et le moteur électrique sont assemblés en une unité de construction, présente d'innombrables avantages au plan de la technique de fabrication, c'est-à- dire des coûts de construction consécutifs. Le refroidissement du convertisseur de fréquence pose toutefois problème, car l'étage de sortie de l'électronique de 0o puissance, notamment, génère de fortes pertes de chaleur. Pour dissiper cette chaleur perdue du convertisseur, il convient de monter sur le moteur électrique, côté B (le côté B est le côté opposé à l'extrémité menée de l'arbre du moteur), un capot de refoulement séparé avec ventilateur, ce ventilateur étant entraîné par le moteur électrique lui-même, ou par un moteur de ventilateur séparé supplémentaire. Au lieu d'intégrer le convertisseur de fréquence à la boîte de connexions, le boîtier du convertisseur peut être également monté sur le moteur électrique, côté B. Dans ce cas également, il convient de monter sur le moteur électrique, côté B, pour dissiper la chaleur perdue du convertisseur de fréquence, un ventilateur entraîné par le moteur électrique lui-même ou par un moteur de ventilateur séparé. Dans cette variante, seuls les éléments de jonction, tels que bornes et/ou connecteurs pour les circuits d'alimentation et d'acheminement des signaux, sont logés dans l'une des boîtes de connexions ou dans plusieurs de ces boîtes, de sorte qu'elles conservent leur dimension standard. Mais le montage de la partie électronique sur l'extrémité côté B du moteur électrique débouche sur une augmentation de la longueur hors tout du moteur. Le capot de refoulement spécial requis implique une hausse supplémentaire de la longueur hors tout. En raison des pièces spéciales décrites pour l'intégration du convertisseur dans le moteur électrique, il est impossible d'utiliser un simple moteur standard. Des constructions spéciales s'imposent sur le moteur électrique, pour le montage du convertisseur de fréquence et du capot de refoulement spécial et, éventuellement, du moteur de ventilateur. En dehors de l'encombrement provoqué par le ventilateur supplémentaire, des bruits de ventilation gênants se produisent en supplément, et les dépenses d'énergie pour le ventilateur, en tant qu'élément de refroidissement actif, sont extrêmement élevées. Le moteur séparé, requis pour le ventilateur, constitue par ailleurs un composant coûteux. A partir d'un moteur électrique, dans lequel le convertisseur de fréquence forme une unité de construction avec le moteur, l'invention vise donc à créer un moteur électrique réalisable simplement et à bon marché, et dans lequel le convertisseur 1o de fréquence puisse être intégré sans pièces spéciales coûteuses au moteur électrique. Dans un moteur électrique du type cité en introduction, cet objectif est atteint, conformément à l'invention, par le fait que le boîtier du convertisseur de fréquence, muni d'un corps de refroidissement et découplé thermiquement du moteur électrique, peut être fixé sur ce dernier par le biais d'une pièce intermédiaire qui reçoit des éléments de jonction et remplace une boîte de connexions. Dans le moteur électrique conforme à l'invention, avec le convertisseur de fréquence intégré, il est vrai que la jonction du convertisseur est également assurée par la boîte de connexions, mais le boîtier du convertisseur de fréquence et celui de la boîte de connexions sont séparés en soi l'un de l'autre. Un tel convertisseur de fréquence peut être, en conséquence, également monté sur un moteur électrique conventionnel au moyen de la pièce intermédiaire, car les composants supplémentaires, tels que ventilateur et moteur de ventilateur séparé, sont alors supprimés. Le refroidissement, donc la dissipation de la chaleur perdue, sont assurés au moyen d'un corps de refroidissement prévu sur le boîtier du convertisseur de fréquence. Il ne s'agit donc plus d'adapter, par des constructions spéciales, la totalité de l'unité de construction du moteur, en vue de refroidir le convertisseur de fréquence, de dissiper notamment la chaleur perdue de l'étage final de puissance, mais il suffit de procéder à des mesures adéquates sur le boîtier du convertisseur de fréquence lui-même, d'adapter par exemple la surface active du corps de refroidissement à l'électronique de puissance. Les équipements auxiliaires courants de moteurs, côté B, tels que ventilateurs, capteurs, freins, et/ou des combinaisons de ces derniers, peuvent donc être montés sans réserves. En raison de la configuration conforme à l'invention, le convertisseur de fréquence ne dépend pas d'un ventilateur supplémentaire ou d'une forme de construction particulière du ventilateur et/ou du capot de refoulement. Les éléments de jonction, tels que bornes et/ou connecteurs pour les circuits d'alimentation et d'acheminement des signaux, sont logés dans la pièce intermédiaire et sont facilement accessibles après le démontage du boîtier du convertisseur de fréquence. Pour ne pas élever inutilement l'encombrement requis io par le moteur électrique, avec le convertisseur intégré, il est prévu dans un perfectionnement que le boîtier du convertisseur de fréquence dépasse de la pièce intermédiaire dans le sens longitudinal, et que le corps de refroidissement soit disposé au-dessous du boîtier, sur le côté de la pièce intermédiaire. L'électronique de signaux du convertisseur de fréquence et l'électronique de puissance sont alors, de préférence, respectivement disposées dans le boîtier au- dessus de la pièce intermédiaire et au-dessus du corps de refroidissement. La chaleur perdue issue de l'électronique de puissance, de son étage de sortie en particulier, peut être ainsi directement transmise au corps de refroidissement par conduction thermique. En raison des conditions de température ainsi permises dans le boîtier du convertisseur de fréquence, ce dernier peut être refroidi au maximum dans la plage de l'électronique de signaux, d'une sensibilité extrême. Dans les moteurs électriques connus par l'état de l'art munis d'un convertisseur de fréquence intégré, toutes les pièces sont d'une chaleur égale, car elles présentent un bon couplage thermique par le vissage et du fait de l'utilisation d'alliages d'aluminium pour le boîtier du convertisseur de fréquence. Pour obtenir un bon couplage thermique du corps de refroidissement avec l'étage final de puissance du convertisseur de fréquence, c'est-à-dire pour dissiper la chaleur perdue par l'étage de sortie, le corps de refroidissement se compose de préférence d'un matériau d'une forte conductivité thermique. Les semi- conducteurs de l'étage de sortie peuvent avoir en conséquence une utilisation très élevée, sans que l'électronique de signaux ne soit endommagée. Le corps de refroidissement peut également avoir une réalisation très compacte, quant à son volume et à sa surface active. Il est prévu dans un perfectionnement que le boîtier du convertisseur de fréquence se compose également d'un matériau d'une conductivité thermique élevée. La dissipation de la chaleur perdue du convertisseur de fréquence intégré est en conséquence assurée par la surface du boîtier du convertisseur, d'une part, par le corps de refroidissement, d'autre part, et enfin par convection et rayonnements naturels. La chaleur perdue du convertisseur de fréquence en particulier, non dissipable par le corps de refroidissement, peut être de ce fait cédée d'une manière efficace à l'air ambiant, par l'intermédiaire du boîtier du convertisseur. Pour augmenter sa surface, le corps de refroidissement lui-même peut être formé par une multiplicité d'ailettes ou de barres de refroidissement. Pour pouvoir munir rapidement et simplement le moteur électrique du is convertisseur de fréquence, adapté aux conditions d'utilisation respectives, il est judicieux de prévoir un assemblage amovible entre le convertisseur et le moteur électrique, de sorte que des unités à associer mutuellement peuvent être facilement reliées électriquement, par une connexion enfichable par exemple, sans que des connaissances techniques particulières ne soient requises à cet effet. Le convertisseur de fréquence est alors relié électriquement à la pièce intermédiaire au moyen d'un connecteur à fiches, une partie du connecteur étant assemblée fixement au convertisseur, et l'autre partie étant reliée fixement à la pièce intermédiaire. Il suffit de démonter le convertisseur du moteur et/ou de le monter sur le moteur en séparant la jonction. Dans un perfectionnement, des dispositifs d'antiparasitage sont montés dans la pièce intermédiaire. Aucun dispositif externe supplémentaire n'est ainsi requis à cet effet. Dans une configuration préférentielle, le découplage thermique entre le convertisseur de fréquence et le moteur électrique est obtenu par le montage d'une barrière thermique, au moins, entre le boîtier du convertisseur de fréquence et le corps de refroidissement et/ou la pièce intermédiaire. Une barrière thermique entre le boîtier et le corps de refroidissement réduit le transfert de chaleur direct entre le corps de refroidissement et le boîtier du convertisseur de fréquence, d'une part, le transport de chaleur indirect par une baisse de la circulation d'air dans l'espace interne compris entre le corps de refroidissement et le boîtier du s convertisseur, d'autre part. Si la barrière thermique est prévue entre le boîtier du convertisseur de fréquence et la pièce intermédiaire, elle réduit le transfert thermique direct du stator du moteur, par le biais de la pièce intermédiaire, au boîtier du convertisseur, d'une part, le transfert de chaleur indirect par réduction de la circulation d'air dans l'espace interne compris entre la pièce intermédiaire et le 1o boîtier du convertisseur de fréquence, d'autre part. Dans une configuration avantageuse, des barrières thermiques séparées sont prévues entre le boîtier du convertisseur de fréquence et le corps de refroidissement, d'une part, la pièce intermédiaire, d'autre part. En conséquence, les barrières thermiques peuvent également se composer d'un matériau différent, d'une faible conductivité thermique. Il est aussi avantageux que les barrières thermiques couvrent en plan la totalité de la zone de contact entre le boîtier du convertisseur de fréquence et la pièce intermédiaire et/ou le corps de refroidissement. Dans une autre configuration préférentielle, une barrière d'humidité, au moins, est prévue entre le boîtier du convertisseur de fréquence et le corps de refroidissement et/ou la pièce intermédiaire. Cette mesure permet de réduire l'échange d'humidité entre la pièce intermédiaire et le convertisseur de fréquence, ainsi qu'entre le convertisseur et le corps de refroidissement. Les barrières thermiques et d'humidité forment alors une unité fonctionnelle. Les barrières thermiques permettent en conséquence d'éviter, d'une manière fiable, I'échange d'humidité entre l'un des côtés de la barrière et son autre côté, dans la totalité de la zone d'extension. Au lieu de barrières thermiques séparées, ou en sus de ces dernières, il est possible de réaliser la pièce intermédiaire en un matériau de faible conductivité thermique. La fonction de la barrière thermique est ainsi assurée par la pièce intermédiaire, ou le transfert de chaleur est encore réduit. Il est également possible de réaliser le boîtier du convertisseur de fréquence sous forme de barrière 7 2761212 d'humidité, de sorte que l'échange d'humidité entre la pièce intermédiaire et le convertisseur de fréquence soit ainsi réduit. Pour fermer le boîtier du convertisseur de fréquence en direction de l'extérieur également, de sorte que l'utilisation soit largement indépendante des conditions locales, telles qu'atmosphère chargée de poussières, etc..., les barrières thermiques et/ou d'humidité enveloppent le boîtier du convertisseur de fréquence, d'une manière hermétique, de préférence. Cette caractéristique multifonctionnelle permet d'obtenir une protection élevée, particulièrement avantageuse, par rapport lo aux liquides et/ou poussières pénétrant de l'extérieur. Une structure particulièrement avantageuse et facile à démonter et/ou à monter peut être obtenue en réalisant le boîtier du convertisseur de fréquence sous la forme d'un élément de couverture, qui peut être monté sur la pièce intermédiaire considérée en tant que pièce nférieure, en obturant cette dernière. Un remplacement facile du convertisseur de fréquence est ainsi permis, d'une part, la pièce intermédiaire peut être utilisée en tant que simple boîte de connexions après le retrait et la mise en place d'un autre couvercle, d'autre part. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention résultent des revendications et de la description ci-dessous, dans laquelle sont explicités des exemples de construction en faisant référence aux dessins annexés. Ces derniers correspondent à: Figure 1: une vue latérale d'un moteur électrique conforme à l'invention avec un convertisseur de fréquence intégré, dans une première forme de construction, Figure 2: une coupe transversale du convertisseur de fréquence de la figure 1, Figure 3: un moteur électrique conforme à l'invention avec un convertisseur de fréquence intégré, dans une seconde forme de construction, et 8 2761212 Figure 4: une vue en perspective d'un convertisseur de fréquence séparé de la pièce intermédiaire, ainsi que de la pièce intermédiaire. La figure 1 représente une première forme de construction d'un moteur électrique 1 fermé, refroidi en surface et muni dans sa partie interne, d'une manière connue, d'une partie fixe (stator) et d'un rotor. Pour obtenir une meilleure dissipation de chaleur, le carter 2 présente sur son côté externe plusieurs ailettes de refroidissement, qui augmentent sa surface. Pour ventiler le moteur électrique, un ventilateur est disposé côté B, à l'intérieur d'un capot de refoulement 3. L'extrémité io menée 4 de l'arbre du moteur est prévue côté A. Une pièce intermédiaire 5 est disposée sur le côté externe du carter 2, entre le côté A et le côté B du moteur électrique 1, cette pièce remplaçant la boîte de connexions sinon prévue à cet endroit, et présentant donc des éléments de jonction, tels que bornes et/ou connecteurs pour les circuits d'alimentation et d'acheminement des signaux. La pièce intermédiaire 5 peut se composer d'un matériau de faible conductivité thermique. Un boîtier 6 d'un convertisseur de fréquence 7 est prévu sur le côté supérieur, opposé au carter 2 du moteur électrique 1, de la pièce intermédiaire 5 montée sur le stator du moteur électrique 1, ce boîtier étant monté sous la forme d'un élément de couverture sur le côté supérieur de la pièce intermédiaire 5, qu'il obture. Le boîtier 6 dépasse latéralement de la pièce intermédiaire 5 en direction de l'extrémité côté B du moteur électrique 1, et présente sur sa face inférieure libre un corps de refroidissement 8, formé dans cet exemple de construction par des ailettes de refroidissement. Une barrière thermique 9 est prévue en plan entre la pièce intermédiaire 5 et le boîtier 6 du convertisseur de fréquence 7, en étanchéifiant mutuellement le boîtier 6 et la pièce 5. Une autre barrière thermique séparée 10 est prévue de la même manière entre le boîtier 6 et le corps de refroidissement 8. Ces barrières 9 et 10 sont simultanément réalisables sous forme de barrières d'humidité. Il est également possible de prévoir des barrières d'humidité supplémentaires. Les deux barrières thermiques 9 et 10 se composent de préférence d'un matériau de faible conductivité thermique et ont une réalisation plane. 9 2761212 Il ressort de la figure 2 que l'étage de sortie 1 1 de l'électronique de puissance du convertisseur de fréquence 7 est disposée à l'intérieur de la barrière thermique 10, au-dessus du corps de refroidissement 8. L'électronique de signaux du convertisseur 7 est disposée en conséquence au-dessus de la pièce intermédiaire 5. Dans la forme de construction reproduite sur la figure 3, les mêmes composants sont munis des mêmes références. Contrairement à la forme de construction précédente, la barrière thermique 12 entre le boîtier 6, la pièce intermédiaire 5, et le corps de refroidissement 8, est réalisée d'une seule pièce dans la forme de construction de la figure 3. Une structure particulièrement bon marché peut être obtenue par ce regroupement. Dans la forme de construction reproduite sur la figure 4, le couvercle et/ou le boîtier 6 du convertisseur de fréquence est démonté de la pièce intermédiaire 5. Pour augmenter sa surface, le corps de refroidissement 8' est formé dans cet exemple d'une multiplicité de barres de refroidissement. Un connecteur à fiches 13, 14 est prévu pour créer une jonction électrique entre le convertisseur de fréquence 7 et la pièce intermédiaire 5. L'une des parties 13 du connecteur est assemblée fixement avec le convertisseur 7, I'autre partie 14 étant assemblée fixement avec la pièce intermédiaire 5. g 2761212 Revendications. 1. Moteur électrique avec convertisseur de fréquence amont, dont l'électronique de puissance et de signaux, logée dans un boîtier, forme une unité de construction avec le moteur électrique, caractérisé en ce que le boîtier (6) du convertisseur de fréquence (7), muni d'un corps de refroidissement (8, 8') et découplé thermiquement du moteur électrique (1), peut être fixé sur le moteur (1) par le biais d'une pièce intermédiaire (5) qui reçoit des éléments de jonction et remplace une boîte de connexions. 2. Moteur électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier (6) du convertisseur de fréquence (7) dépasse de la pièce intermédiaire (5) dans le sens longitudinal, le corps de refroidissement (8, 8') étant disposé au-dessous du boîtier (6), sur le côté de la pièce intermédiaire (5). 3. Moteur électrique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'électronique de signaux du convertisseur de fréquence (7) et l'électronique de puissance (11) sont respectivement disposées dans le boîtier (6) au-dessus de la pièce intermédiaire (5) et au-dessus du corps de refroidissement (8, 8'). 4. Moteur électrique suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps de refroidissement (8, 8') se compose d'un matériau d'une conductivité thermique élevée. 5. Moteur électrique suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le corps de refroidissement (8) est formé par une multiplicité d'ailettes de refroidissement. 6. Moteur électrique suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le corps de refroidissement (8') est formé par une multiplicité de barres de refroidissement. 7. Moteur électrique suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le boîtier (6) du convertisseur de fréquence (7) se compose d'un matériau d'une conductivité thermique élevée. l1 8. Moteur électrique suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (7) peut être relié électriquement à la pièce intermédiaire (5) au moyen d'un connecteur à fiches (13, 14). 9. Moteur électrique suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'une partie (13) du connecteur à fiches est assemblée fixement avec le convertisseur de fréquence (7), I'autre partie (14) étant assemblée fixement avec la pièce intermédiaire (5). 10. Moteur électrique suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par des dispositifs d'antiparasitage prévus dans la pièce intermédiaire (5). 11. Moteur électrique suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par une barrière thermique (9, 10, 12), au moins, prévue entre le boîtier (6) du convertisseur de fréquence (7) et le corps de refroidissement (8) et/ou la pièce intermédiaire (5). 12. Moteur électrique suivant la revendication 11, caractérisé par des barrières thermiques séparées (9, 10) entre le boîtier (6) du convertisseur de fréquence (7) et le corps de refroidissement (8), d'une part, la pièce intermédiaire (5), d'autre part. 13. Moteur électrique suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par une barrière d'humidité, au moins, prévue entre le boîtier (6) du convertisseur de fréquence (7) et le corps de refroidissement (8) et/ou la pièce intermédiaire (5). 14. Moteur électrique suivant la revendication 13, caractérisé en ce que les barrières thermiques (9, 10, 12) et les barrières d'humidité forment une unité fonctionnelle. 15. Moteur électrique suivant l'une des revendications 1 à 11 ou 13, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire (5) se compose d'un matériau de faible conductivité thermique. 12 2761212 16. Moteur électrique suivant l'une des revendications 1 à 12 ou 15, caractérisé en ce que le boîtier (6) du convertisseur de fréquence (7) est réalisé sous forme de barrière d'humidité. 17. Moteur électrique suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les barrières thermiques et/ou d'humidité enveloppent hermétiquement le boîtier du convertisseur de fréquence. 18. Moteur électrique suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier (6) du convertisseur de fréquence (7) est réalisé en forme d'un élément de couverture, qui peut être monté sur la pièce intermédiaire (5), en tant que pièce inférieure, en obturant cette dernière.