Brevet FR2825535A1 — publié le 20021206

"Procédé de fabrication d'un rotor" L'invention propose un procédé de fabrication d'un rotor pour une machine électrique tournante. De façon connue, les machines électriques tournantes comportent un rotor et un stator sur chacun desquels peut être réalisé un bobinage électrique. La machine électrique tournante peut être un alternateur qui permet de transformer un mouvement de rotation du rotor en un courant électrique. La machine électrique peut aussi être un moteur qui permet de transformer un courant électrique qui traverse un bobinage du rotor en un mouvement de rotation du rotor. La machine peut être réversible et donc transformer l'énergie mécanique en énergie électrique et vice versa. Chaque bobinage électrique consiste en un enroulement d'au moins un élément conducteur électrique qui est revêtu d'une couche en matériau isolant électrique. En section transversale, un bobinage est donc constitué d'une juxtaposition horizontale et verticale de tronçons de l'élément conducteur électrique qui sont liés entre eux par un vernis. Le bobinage du rotor d'une machine électrique tournante est généralement réalisé dans un corps de bobine, en matière plastique isolante électrique, consistant en un élément annulaire dont une demi-section axiale à la forme d'un U. Le corps de bobine permet de guider l'élément conducteur électrique lors de son enroulement. Cependant il est fréquent que les ailes transversales du corps de bobine s'écartent légèrement l'une de l'autre, provoquant ainsi un mauvais bobinage. L'élément conducteur électrique peut se prendre dans les ailes transversales surélevées de pétales. Lors du transport avant l'imprégnation de vernis, il peut aussi se produire un affaissement partiel radial de certains tronçons de l'élément conducteur électrique du bobinage qui écarte les flancs du corps de bobine et provoque son élargissement. Ainsi lorsque l'on vient intercaler le bobinage réalisé entre les deux roues polaires, l'élargissement est compacté ce qui risque de détruire la couche isolante électrique, notamment celle des brins axiaux du conducteur, et ainsi créer des contacts entre eux qui provoquent une perte de résistance. De plus, l'élargissement radial peut empêcher le contact entre le noyau sur lequel sont montés le bobinage et les deux roues polaires, ce qui crée un entrefer parasite du noyau par rapport aux roues polaires, et par conséquent une perte de puissance et de rendement de la machine électrique tournante. Du vernis est ensuite déposé sur le bobinage puis est durci en figeant ainsi les défauts du bobinage. Le durcissement du vernis peut être obtenu par chauffage du bobinage dans une étuve. Cette étape est par conséquent très longue. De plus, le corps de bobine, généralement en plastique, forme un écran thermique entre le bobinage, le noyau, et les roues polaires, ce qui gène le transfert et la dissipation de la chaleur produite par le passage du courant dans l'élément conducteur électrique, lors du fonctionnement de la machine électrique tournante, et diminue le rendement de la machine électrique tournante. De façon à limiter ces problèmes, conformément à la demande de brevet français No. 00. 06853 du 29 mai 2000, une autre solution consiste à utiliser un élément conducteur électrique qui est revêtu d'au moins une couche en matériau isolant électrique et qui est enrobé d'une couche de liaison qui comporte un matériau de liaison qui permet de lier entre eux des tronçons adjacents de l'élément conducteur électrique enrobé. Le matériau de liaison permet aussi de lier le bobinage et le noyau. Il est ainsi possible de supprimer le corps de bobine de façon à favoriser le transfert et la dissipation de la chaleur produite dans l'enroulement lors du fonctionnement du rotor. Pour ce faire, lors de l'étape d'enroulement, l'élément conducteur électrique revêtu et enrobé peut être guidé transversalement par deux flasques transversaux qui déterminent la largeur du bobinage. Les deux flasques transversaux permettent le maintien de l'élément conducteur électrique revêtu et enrobé. Ensuite, le procédé de fabrication d'un tel enroulement comporte une étape de changement d'état du matériau de liaison qui consiste à provoquer son ramollissement ou sa fusion pour qu'il remplisse au moins partiellement les interstices existants entre les tronçons adjacents de l'élément conducteur puis qui provoque à nouveau sa solidification et lie entre eux les tronçons adjacents de l'élément conducteur. L'étape de changement d'état peut alors comporter une étape de chauffage du matériau de liaison. Celle-ci peut être réalisée dans une étuve. Cependant, il est avantageux de provoquer le ramollissement ou la fusion du matériau de liaison par chauffage de l'élément conducteur par effet Joule. Pour ce faire, il est nécessaire de faire circuler un courant d'une intensité suffisante dans l'élément conducteur de façon à provoquer son échauffement. Cependant, le noyau du rotor consiste en une pièce massive qui est de préférence en acier et qui a tendance à absorber la chaleur produite par effet Joule dans le bobinage. Le transfert et la dispersion de la chaleur du bobinage vers le noyau du rotor provoque un gradient de température dans le bobinage. En effet, une partie de la chaleur produite par les spires intérieures de l'enroulement, c'est-à-dire celles situées au contact ou à proximité du noyau, est absorbée par le noyau ce qui limite l'augmentation de leurs températures. De ce fait, à la fin de l'étape de chauffage, la température atteinte par le matériau de liaison qui enrobe les spires intérieures de l'élément conducteur est inférieure à celle atteinte par le matériau de liaison des autres spires. La différence entre ces deux températures peut atteindre plusieurs dizaines de degrés Celsius. Étant donné que la température de l'élément conducteur doit rester inférieure à une température maximale, de façon à ne pas endommager la couche de matériau isolant électrique, la température atteinte par le matériau de liaison qui enrobe les spires intérieures de l'élément conducteur est généralement inférieure à la température de ramollissement ou de fusion du matériau de liaison. Par conséquent, le matériau de liaison ne peut lier entre eux les tronçons adjacents des spires intérieures de l'élément conducteur. Cela est préjudiciable aux performances de la machine électrique tournante. Lors du fonctionnement de la machine, les spires inférieures du bobinage peuvent vibrer ce qui provoque du bruit. Le découplage du bobinage par rapport au noyau peut aussi provoquer du bruit. De plus, les vibrations des spires intérieures les unes sur les autres favorisent l'usure de la couche en matériau isolant, ce qui augmente le risque de courts-circuits. Dans le but de remédier à ces inconvénients, l'invention propose un procédé de fabrication d'un rotor qui comporte un noyau sur lequel est réalisé au moins un bobinage électrique comprenant au moins un élément conducteur électrique qui est enroulé de façon à former le bobinage, qui est revêtu d'au moins une couche en matériau isolant électrique, et qui est enrobé d'une couche de liaison qui comporte un matériau de liaison qui permet de lier entre eux des tronçons adjacents de l'élément conducteur enrobé, du type qui comporte une étape d'enroulement de l'élément conducteur revêtu de façon à former le bobinage électrique, et du type dont l'étape d'enroulement est suivie d'une étape de changement d'état du matériau de liaison, notamment le chauffage par effet Joule d'un élément conducteur, qui provoque le ramollissement ou la fusion du matériau de liaison pour qu'il remplisse au moins partiellement les interstices existants entre les tronçons adjacents de l'élément conducteur puis qui provoque à nouveau sa solidification pour lier entre eux les tronçons adjacents de l'élément conducteur, caractérisé en ce que l'étape de changement d'état est précédée d'une étape de préchauffage du noyau, de façon à limiter les gradients de température dans le bobinage. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le préchauffage du noyau est réalisé par induction ; - une bobine d'induction est agencée à proximité de la face latérale annulaire externe du bobinage du rotor ; - une bobine d'induction est située à proximité d'une face transversale extérieure du noyau ; - on utilise le bobinage pour constituer une bobine d'induction. - le préchauffage du noyau est obtenu par un rayonnement infrarouge ; - le préchauffage du noyau est obtenu par le chauffage des éléments conducteurs du bobinage par effet Joule à une température inférieure à la température de durcissement du matériau de liaison ; - le matériau de liaison de la couche externe de liaison est un polymère du type thermodurcissable ; - le matériau de liaison de la couche externe de liaison est un polymère du type thermoplastique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente en section axiale de façon schématique et partielle un rotor de machine électrique tournante ; - la figure 2 représente à grande échelle le détail D2 de la figure 1, avant l'étape de changement d'état du matériau de liaison ; - la figure 3 est une vue similaire à celle représentée à la figure 2, après l'étape de changement d'état du matériau de liaison selon l'état de la technique ; - la figure 4 représente en section axiale de façon schématique et partielle, un rotor de machine électrique tournante qui comporte un matériau isolant électrique interposé entre le bobinage et le noyau ; - la figure 5 représente schématiquement l'évolution de la température du bobinage et du noyau d'un rotor du type de celui représenté à la figure précédente lors de l'étape de changement d'état du matériau de liaison selon l'état de la technique ; - la figure 6 représente en section axiale de façon schématique et partielle, un rotor de machine électrique tournante qui comporte un matériau isolant électrique et thermique interposé entre le bobinage et le noyau ; - la figure 7 représente schématiquement l'évolution de la température du bobinage et du noyau d'un rotor du type de celui représenté à la figure précédente lors de l'étape de changement d'état du matériau de liaison selon l'état de la technique ; - la figure 8 représente schématiquement l'évolution de la température du bobinage et du noyau d'un rotor du type de celui représenté à la figure 4 lors de l'étape de changement d'état du matériau de liaison selon l'invention ; - la figure 9 est une vue similaire à celle représentée à la figure 2 après l'étape de changement d'état du matériau de liaison selon le procédé de l'invention ; - les figures 10 à 13 sont des vues schématiques qui illustrent des exemples de réalisation de dispositifs qui permettent de réaliser l'étape de préchauffage du noyau du rotor selon l'invention. On a représenté à la figure 1, de façon schématique, un rotor 10 de machine électrique tournante qui est solidaire d'un arbre 12 de sortie. Le rotor est principalement composé d'un noyau 14 sur lequel est réalisé un bobinage électrique 16. Le bobinage électrique 16 est par exemple constitué par l'enroulement en spires d'un élément conducteur électrique, tel qu'un fil de cuivre, qui est revêtu d'au moins une couche en matériau isolant électrique. La figure 2 représente à grande échelle, selon une section transversale, une partie de l'enroulement de l'élément conducteur 18 revêtu d'une couche 20 de matériau isolant électrique. L'élément conducteur 18 est ici un fil de cuivre. L'élément conducteur 18 revêtu est aussi enrobé d'une couche de liaison 22 en matériau de liaison qui permet de lier entre eux des tronçons adjacents de l'élément conducteur 18. De façon connue, conformément à la figure 3, une feuille isolante électrique est interposée entre le bobinage électrique 16 et le noyau 14. Elle permet de diminuer ou de supprimer les risques de courts-circuits entre le bobinage 16 et le noyau 14. Avantageusement, la feuille 24 isolante électrique permet également d'assurer le tenue de la bobine 16 sur le noyau 14. Pour ce faire elle peut être revêtue ou imprégnée d'un matériau de liaison similaire ou non au matériau de liaison de la couche de liaison 22. De façon à optimiser leurs fonctions spécifiques, le matériau de liaison de la couche de liaison 22 et le matériau de liaison qui revêt ou imprègne la feuille 24 isolante électrique sont compatibles chimiquement et thermiquement. Le matériau de la feuille 24 isolante électrique peut aussi être conducteur thermique. Cela permet, lors du fonctionnement de la machine électrique tournante, de favoriser l'évacuation, vers le noyau 14, de la chaleur produite par la circulation du courant électrique dans l'élément conducteur 18. La feuille 24 isolante peut aussi s'étendre sur les parois transversales du bobinage 16 de façon à supprimer les risques de courts-circuits entre le bobinage 16 et les roues polaires, non représentées, de la machine électrique tournante. Lors de la fabrication du rotor 10, la liaison des tronçons adjacents de l'élément conducteur 18 est avantageusement obtenue par une étape de changement d'état du matériau de la couche de liaison 22. L'étape de changement d'état provoque le ramollissement ou la fusion du matériau de liaison pour qu'il remplisse au moins partiellement les interstices existants entre les tronçons adjacents de l'élément conducteur 18 puis provoque à nouveau sa solidification et lie entre eux les tronçons adjacents de l'élément conducteur 18. L'étape de changement d'état correspond à une modification de la structure du matériau de liaison, c'est-à-dire un mouvement de certains des atomes le constituant les uns par rapport aux autres. L'étape de changement d'état du matériau comporte une étape de chauffage de la couche 22 de liaison à une température de durcissement qui est supérieure ou égale à la température de fusion du matériau de liaison, de façon à le faire fondre ou ramollir pour qu'il coule ou flue de façon à remplir de préférence quasi entièrement les interstices existants entre les tronçons adjacents de l'élément conducteur 18. L'étape de chauffage et suivie d'une étape de refroidissement au cours de laquelle le matériau de liaison se durcit ou se solidifie à nouveau. La température de durcissement ou de solidification du matériau de liaison est la température à partir de laquelle la structure du matériau est modifiée de façon que le matériau permette la liaison des éléments avec lesquels il est au moins partiellement en contact. Le matériau de liaison est avantageusement un polymère. Ainsi, lorsque le polymère est de type thermodurcissable, on appellera dans la suite de la description ainsi que dans les revendications température de durcissement sa température de réticulation. Ainsi, lorsque le polymère est de type thermoplastique, on appellera dans la suite de la description ainsi que dans les revendications température de durcissement sa température de fusion. Lorsque le matériau de liaison est un polymère, l'étape de chauffage permet sa polymérisation et l'étape de refroidissement permet sa solidification ce qui assure la liaison rigide des tronçons adjacents de l'élément conducteur 18 revêtu. La feuille isolante 24 peut également être enduite d'un matériau de liaison tel qu'un polymère. Ainsi les étapes de chauffage à une température supérieure ou égale à la température de durcissement du matériau de liaison et de refroidissement permettent de la lier au noyau 14 du rotor 10 et aux tronçons adjacents de l'élément conducteur 18 revêtu de façon à renforcer la liaison du bobinage 16 et du noyau 14. L'étape de chauffage consiste à échauffer l'élément conducteur électrique 18 revêtu et enrobé par effet Joule de façon à porter la température du matériau de liaison à une température supérieure ou égale à sa température de durcissement. Cependant, la feuille isolante 24 permet le transfert de la chaleur produite par effet Joule du bobinage vers le noyau 14. Ce transfert thermique provoque un gradient de température à l'intérieur du bobinage 16. Les spires intérieures de l'enroulement du bobinage 16 qui sont situées à proximité du noyau 14 sont à une température inférieure à la température des autres spires de l'enroulement du bobinage 16. La figure 5 illustre ce phénomène. Elle propose trois courbes 30,32 et 34 qui représentent les évolutions de la température du noyau 14, de la température des spires intérieures de l'enroulement et de la température des spires extérieures de l'enroulement respectivement lors du chauffage par effet Joule du bobinage 16. Ici le chauffage dure 30 secondes. Cette durée permet de porter les spires extérieures à une température de 240 C. La température de durcissement du matériau de liaison étant de l'ordre de 200 C, la température de l'élément conducteur 18 est suffisante pour permettre la polymérisation et la liaison des spires extérieures. Etant donné qu'une quantité de chaleur importante est transférée des spires intérieures vers le noyau 14, la température de ces spires n'augmente pas suffisamment pour permettre la polymérisation du matériau de liaison, empêchant ainsi la liaison entre les tronçons adjacents des spires intérieures de l'élément conducteur 18. En effet, la température de l'ordre de 130 C ne permet pas le changement d'état du matériau de liaison. La figure 3 représente partiellement une zone intérieure du bobinage 16 du rotor 14 dont la couche de liaison 22 des spires intérieures n'a pas changée d'état, alors que la couche de liaison des spires situées vers l'extérieur a polymérisé de façon à les lier entre elles. Pour remédier à ces inconvénients il est possible que la feuille 24 isolante électrique soit aussi isolante thermique. Un rotor de ce type est représenté à la figure 6. La feuille 24 limite fortement le transfert thermique entre les spires intérieures du bobinage 16 et le noyau 14 de façon à limiter fortement ou à supprimer le gradient de température dans le bobinage. Cet effet est représenté à la figure 7 dans laquelle les courbes 32 et 34, qui représentent les évolutions de la température des spires intérieures de l'enroulement et de la température des spires extérieures de l'enroulement respectivement lors du chauffage par effet Joule du bobinage 16, sont confondues. Cependant lors du fonctionnement de la machine électrique tournante une telle feuille 24 isolante limite fortement l'évacuation de la chaleur produite par le bobinage 16 ce qui réduit de façon sensible les performances de la machine électrique. De plus, la feuille 24 est épaisse ce qui augmente l'encombrement du rotor 10. De façon à supprimer ces inconvénients, l'invention propose que l'étape de changement d'état soit précédée d'une étape de préchauffage du noyau 14, de façon à limiter les gradients de température dans le bobinage 16 pour que la température soit sensiblement homogène. La limitation des gradients de température dans le bobinage 16 résulte de la diminution de la différence entre la température de l'élément conducteur 18 du bobinage 16 et de celle du noyau 14, ce qui réduit les transferts thermiques entre ces deux éléments. Le rotor 10 comporte alors une feuille 24 isolante électrique dont le matériau est aussi conducteur thermique, de façon à minimiser l'encombrement du rotor 10 et de favoriser l'évacuation de la chaleur produite lors de son fonctionnement pour optimiser les performances de la machine électrique tournante. La figure 8 qui est similaire aux figures 5 et 7 illustre l'évolution des températures dans le noyau 14 et dans le bobinage 16. Les températures des différentes spires du bobinage 16 sont alors sensiblement identiques. Selon l'invention on préchauffe le noyau 14 à une température qui est ici de l'ordre de 100 C. La température de préchauffe doit être supérieure à 800C et inférieure à la température de polymérisation du matériau de la couche de liaison 22. Au cours de cette étape la température du bobinage 16 évolue de façon similaire à celle du noyau 14. Ensuite, de façon connue l'élément conducteur 18 est chauffé par effet Joule jusqu'à une température supérieure à la température de durcissement de la couche du matériau de liaison, ici de l'ordre de 240 C. L'étape de préchauffe du noyau 14 peut être réalisée de différentes façons. Par exemple le préchauffage du noyau 14 peut être réalisé par induction. Le noyau 14 est alors réalisé en acier magnétique de façon qu'il chauffe lorsqu'il est soumis à un champs magnétique alternatif. Conformément à la figure 10, une bobine d'induction 40 est agencée à proximité de la face latérale annulaire externe 42 du bobinage 16 du rotor 10. La bobine d'induction 40 peut consister en un enroulement tubulaire 44 d'un fil conducteur 46. Ici l'enroulement comporte quatre spires. Le diamètre intérieur de l'enroulement 44 est sensiblement supérieur au diamètre extérieur du bobinage 16. Ainsi, lors de l'étape de préchauffe, le rotor 10 est agencé au centre de la bobine d'induction 40 qui est alimentée par un courant alternatif de façon à créer un champs magnétique et provoquer le préchauffage du noyau 14. La bobine 40 peut aussi consister en un enroulement 48 en spiral. Elle est alors située à proximité d'une face transversale extérieure 50 du noyau 14. Conformément à la figure 11, de façon à optimiser le préchauffage du noyau 14 une bobine 40 est agencée à proximité de chaque face transversale extérieure 50 du noyau 14. Selon une autre variante, on utilise le bobinage 16 pour constituer la bobine d'induction 14. Dans ce cas l'élément conducteur 18 est alimenté par un premier courant lors de l'étape de préchauffe, puis par un second courant lors de l'étape de changement d'état Le premier courant qui est un courant alternatif a une intensité qui est inférieure à 50A de façon à maîtriser l'échauffement de l'élément conducteur 18 par effet Joule Le second courant qui est un courant continu présente une intensité qui est plus élevée que celle du premier courant et qui est supérieure à 30A de façon à permettre le changement d'état du matériau de liaison de manière assez rapide. Avantageusement, lors de la phase de préchauffe, la température de la paroi cylindrique convexe externe du noyau 14 est inférieure à la température de durcissement du matériau de liaison. La préchauffe du noyau 14 peut aussi être obtenue par chauffage infra-rouge. Dans ce cas des émetteurs 52 de rayonnement infra-rouge, représentés à la figure 12, sont agencés à proximité des faces transversales extérieures 50 du noyau 14. La figure 13 représente un dispositif 54 de préchauffage tel qu'une résistance électrique de chauffage qui permet de préchauffer le noyau 14 par conduction thermique. Le dispositif 54 de préchauffage peut être agencé dans l'orifice destiné à recevoir l'arbre 12 de sortie. Il est encore possible que le préchauffage du noyau 14 soit obtenu par le chauffage de l'élément conducteur 18 du bobinage 16 par effet Joule à une température inférieure à la température de durcissement du matériau de liaison. Dans ce cas, lors de l'étape de préchauffe, l'élément conducteur 18 est alimenté par un courant dont l'intensité permet son chauffage à une température inférieure à la température de durcissement. Cela permet le préchauffage du noyau 14 par transfert thermique. Puis, lors de l'étape de changement d'état, l'élément conducteur 18 est alimenté par un autre courant dont l'intensité permet le chauffage de l'élément conducteur 18 à une température supérieure à la température de durcissement du matériau de liaison. Un tel procédé permet de maîtriser l'évolution de la température du bobinage 16 de façon à assurer une liaison optimale des tronçons adjacents de l'élément conducteur 18, tout en utilisant une feuille 24 isolante très fine qui permet notamment de minimiser l'encombrement du rotor 10 et d'optimiser le transfert thermique de l'enroulement 18 vers le noyau 14 lors du fonctionnement de la machine électrique tournante. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un rotor (10) qui comporte un noyau (14) sur lequel est réalisé au moins un bobinage électrique (16) comprenant au moins un élément conducteur électrique (18) qui est enroulé de façon à former le bobinage (16), qui est revêtu d'au moins une couche (20) en matériau isolant électrique, et qui est enrobé d'une couche de liaison (22) qui comporte un matériau de liaison qui permet de lier entre eux des tronçons adjacents de l'élément conducteur (18) enrobé, du type qui comporte une étape d'enroulement de l'élément conducteur (18) revêtu de façon à former le bobinage électrique (16), et du type dont l'étape d'enroulement est suivie d'une étape de changement d'état du matériau de liaison, notamment le chauffage par effet Joule d'un élément conducteur (18), qui provoque le ramollissement ou la fusion du matériau de liaison pour qu'il remplisse au moins partiellement les interstices existants entre les tronçons adjacents de l'élément conducteur (18) puis qui provoque à nouveau sa solidification pour lier entre eux les tronçons adjacents de l'élément conducteur (18), caractérisé en ce que l'étape de changement d'état est précédée d'une étape de préchauffage du noyau (14), de façon à limiter les gradients de température dans le bobinage (16). 2. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le préchauffage du noyau (14) est réalisé par induction. 3. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une bobine d'induction (40) est agencée à proximité de la face latérale annulaire externe (42) du bobinage (16) du rotor (10). 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une bobine d'induction (40) est située à proximité d'une face transversale extérieure (50) du noyau (14). 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'on utilise le bobinage (16) pour constituer une bobine d'induction. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le préchauffage du noyau (14) est obtenu par un rayonnement infrarouge. 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le préchauffage du noyau (14) est obtenu par le chauffage de l'élément conducteur (18) du bobinage (16) par effet Joule à une température inférieure à la température de durcissement du matériau de liaison. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de liaison de la couche externe de liaison (22) est un polymère du type thermodurcissable. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau de liaison de la couche externe de liaison (22) est un polymère du type thermoplastique.