Brevet FR2852160A1 — publié le 20040910

PROCEbE DE REALISATION D'UN CIRCUIT MAGNETIQUE FILAIRE POUR MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE OU POUR TRANSFORMATEUR La présente invention se situe dans le domaine des moteurs électriques et des transformateurs. La description qui va suivre se focalise sur les moteurs électriques qui sont constitués d'un agencement plus complexe, avec des éléments mobiles, que celui 5 des transformateurs. Le procédé trouve néanmoins application dans les deux cas sans restriction. L'invention couvre aussi les circuits magnétiques ainsi obtenus par la mise en oeuvre du procédé ainsi que les machines électriques tournantes et statiques incluant des tels circuits magnétiques. On sait que les moteurs électriques peuvent être classés dans deux catégories essentielles les moteurs avec un stator extérieur et rotor intérieur et ceux avec rotor extérieur et stator intérieur. Les circuits magnétiques sont identiques seuls les diamètres, les formes d'encoches et/ou le trou de passage d'arbre les distinguent. Le procédé trouve donc une application dans les deux catégories. De la même façon, en sorte de clarifier la description, on s'attache à un circuit magnétique statorique extérieur. Dans les moteurs électriques de type connu, le rotor et le stator sont constitués d'un empilement de tôles découpées dans un métal perméable au champ 20 magnétique. Ces empilements, parallèlement à l'axe du moteur, comprennent deux parties l'une massive dite culasse et l'autre active généralement munie de découpes orientées radialement et constituant des encoches aptes à recevoir des conducteurs électriques sous forme de fils ou de barreaux pour réaliser des induits ou des inducteurs suivant les cas. Ces deux parties culasse et dents peuvent être réalisées de façon monolithique ou indépendante. bans ce dernier cas, pour réaliser de tels empilements, il existe plusieurs méthodes. On peut ainsi découper dans une feuille de métal, une bande avec les découpes obtenues par emboutissage. Cette bande est ensuite mise en forme de façon circulaire pour former un anneau. Dans ce cas deux options sont possibles. La première consiste à découper un grand nombre de bandes de longueur exacte pour constituer chacune un anneau du diamètre recherché. Chaque anneau ainsi 15 formé est juxtaposé au précédent le long de l'axe longitudinal du moteur pour former un empilement. La seconde consiste à réaliser une seule bande de grande longueur et à l'enrouler en spirale continue pour former un empilement identique au précédent, du diamètre recherché. Le métal utilisé est d'une épaisseur donnée comprise entre 5/10 et 10/10 de millimètres pour donner un ordre de grandeur dans le cas de moteurs de puissance 750 W à 30 kW. De même, la qualité magnétique de la tôle est également choisie de manière à conférer les meilleures performances au moteur. Néanmoins, la fabrication de tels empilements n'est pas exempte de défauts. Il faut en effet recourir à des machines de production assez lourdes et les pertes de matière même en optimisant les découpes, restent non négligeables. be plus, comme il faut découper par emboutissage généralement, l'épaisseur des feuilles découpées reste limitée et il n'est pas toujours possible de choisir l'épaisseur adéquate, sauf à recourir à des machines encore plus puissantes. Les outils de découpe s'usent également, engendrant une maintenance et un coût. 5 Lorsque, au contraire, on souhaite utiliser des tôles de faible épaisseur comme c'est le cas dans les moteurs à haute vitesse de rotation, la tenue des tôles empilées reste délicate. Ces tôles minces peuvent aussi générer un bruit magnétique préjudiciable à l'environnement. On sait aussi que les empilements de chaque partie, stator ou rotor, peuvent 10 être réalisés en deux parties l'une constituant la culasse et l'autre la partie active, c'est-à-dire la denture, recevant les fils d'induit ou d'inducteur ou encore des barreaux. Ces deux parties sont ensuite emboîtées l'une dans l'autre et liées mécaniquement. Afin de permettre une amélioration du rendement des moteurs électriques, il a 15 été recherché une orientation similaire des grains des métaux constituant les feuilles dans lesquelles sont découpées les bandes en sorte de mieux canaliser le flux magnétique. On peut citer à ce titre la demande de brevet f rançais FR 2 801 142 qui mentionne une telle découpe afin d'orienter les grains de la façon la plus 20 adaptée. La présente invention vise à proposer un procédé de réalisation d'un circuit magnétique pour rotor, stator ou transformateur, à partir de fils en sorte de pallier tout d'abord les problèmes engendrés par la découpe et l'empilement de tôles. Ainsi que cela ressortira de la description qui va suivre, le procédé permet en outre de réaliser des circuits magnétiques parfaitement adaptés aux besoins, tant en dimensions, qu'en qualité, avec une parfaite canalisation des flux magnétiques, de façon nécessaire, sans se préoccuper d'une quelconque orientation. Ainsi dans la culasse, les flux seront orientés circonférentiellement et dans les dents, ils le seront radialement, ce que recherche tout constructeur de moteurs électriques. Le procédé ne nécessite aucune installation mécanique lourde. De plus, la souplesse de fabrication permet d'envisager de très nombreuses variantes de réalisation. A cet effet, le procédé selon l'invention de réalisation d'un circuit magnétique pour machines électriques tournantes, moteur, alternateur, génératrice ou statiques telles qu'un transformateur, se caractérise en ce qu'on réalise au 10 moins la culasse et/ou les dents de la partie tournante dite rotor et/ou de la partie statique dite stator par mise en forme de fils. De plus, selon ce procédé, on assure la mise en forme des fils directement sur l'arbre moteur ou sur le carter. Selon une autre caractéristique, pour la réalisation des dents, on dispose les fils 15 pour générer des encoches adaptées pour recevoir les bobinages et/ou les barreaux de la cage d'écureuil. Selon une variante, on réalise des dents dont au moins une partie est déformable, on introduit le bobinage et/ou les barreaux dans les encoches générées par les dents et on déforme la partie déformable des dents pour 20 assurer une immobilisation du bobinage et/ou des barreaux dans lesdites encoches, entre les dents. Les fils mis en forme pour constituer la culasse et/ou les dents présentent une section adaptée. Toujours selon le procédé, les fils sont superposés verticalement puis juxtaposés 25 ou horizontalement puis juxtaposés éventuellement avec un décalage en sorte de permettre une meilleure coopération des profils. De préférence, chaque fil utilisé comprend une âme, notamment métallique, possédant des propriétés magnétiques adaptées et ayant éventuellement subie un traitement thermique et éventuellement une isolation sur au moins une partie de Ia périphérie. L'invention couvre aussi les machines électriques tournantes, moteur, alternateur, génératrice ou statiques telles qu'un transformateur obtenus. Le procédé selon la présente invention et les circuits magnétiques obtenus sont maintenant décrits, ceci en regard des dessins annexés sur lesquels les différentes figures montrent: - figure 1, une vue en coupe longitudinale schématique d'un moteur avec stator extérieur. - figure 2, une vue schématique en coupe transversale du même moteur que celui de la figure 1, - figure 3A, une vue schématique d'un circuit magnétique rectiligne à forme arrondie, la culasse et les dents étant venues de mise en forme, - figure 3B, une variante du circuit de la figure 3A avec une forme carrée, 15 - figure 4, une vue schématique d'un circuit magnétique rectiligne à forme arrondie, la culasse et les dents étant séparées, - figures 5A à 5C un synoptique de réalisation d'une dent suivant un mode particulier de réalisation, - figure 6, une vue d'un barreau réalisé à partir d'un fil mis en forme de 20 dent, - figure 7, une vue en coupe d'un fil utilisé pour réaliser le circuit magnétique, figures 8A à 8F, des vues en coupe de plusieurs types de fils utilisables dans le cadre du procédé selon l'invention, - figures 9A et 9B, deux réalisations différentes de superposition de fils constituant le circuit magnétique, et - figures IOA à 10C, des profils complexes de dents. Sur la figure 1, on représenté de façon schématique une coupe longitudinale d'un moteur 10 comprenant un rotor 12 et un stator 14. Le rotor 12 comporte un arbre moteur 16 autour duquel est rapportée une cage d'écureuil 18, de façon connue comprenant deux anneaux de courtcircuit entre lesquels sont disposés des barreaux 20 et un circuit magnétique 22. Ce circuit magnétique 22 du rotor comprend, vu en coupe transversale comme montré sur la figure 2, une culasse 24 à partir de laquelle sont réalisées des dents 26 prévues pour recevoir les barreaux 28 longitudinaux de la cage 18 d'écureuil. L'ensemble est monolithique. Ces dents 26 sont représentées en détail sur la figure 3A sur laquelle on constate que ces dents sont réalisées à partir de fils 30 mis en forme. C'est là une caractéristique essentielle du procédé selon la présente invention qui consiste à réaliser le circuit magnétique à partir de fils mis en forme et non de tôles métalliques découpées. Sur cette figure 3A, le circuit est représenté rectiligne avant mise en forme circulaire, comme pour les bandes de tôles métalliques. De la même façon que pour les empilements de tôles, on peut réaliser des circuits élémentaires que l'on juxtapose suivant l'axe longitudinal du moteur pour former un circuit magnétique complet ou réaliser directement un circuit 20 magnétique complet continu, à même un gabarit, en passant d'un circuit élémentaire à l'autre le long de l'axe longitudinal du moteur. Il convient dans ce cas de respecter le nombre de tours pour assurer une concentricité parfaite. Il est bien entendu que le mode de réalisation représenté peut subir des modalités différentes de mise en forme. C'est ainsi que sur la figure 3B, on a représenté une mise en forme dite à forme carrée. On peut bien sûr prévoir des formes différentes ovales, circulaires sans pour cela sortir du cadre de la présente invention. Dans ces modes ainsi représentés, la culasse est réalisée à partir d'un enroulement d'un même fil et les dents sont directement venues des formes de l'enroulement. Il est aussi possible de réaliser une culasse à partir d'un premier fil mais ensuite 5 de rapporter des dents indépendantes mais réalisées à partir d'un autre fil, mis en forme différemment. C'est l'objet de la figure 4. On réalise le nappage par enroulement de plusieurs niveaux de fils superposés pour constituer des circuits élémentaires qui se trouvent alors juxtaposés avec une continuité du fil d'enroulement d'un circuit à l'autre. On peut aussi réaliser chaque couche de façon hélicoïdale en aller/retour le long de l'axe longitudinal jusqu'à obtention du diamètre recherché. Sur les figures 5A-5C, on a représenté une réalisation de dents 26 indépendantes. Dans ce cas, on superpose plusieurs fils 30 de longueurs différentes L1, L2 et L3, figure 5A. Le premier est d'une longueur supérieure au 15 deuxième pour le couvrir et présenter la même longueur de branches et la troisième est plus longue que les deux autres. On les met en forme comme sur la figure 5B en section en U. Le fil intérieur, de plus grande longueur dépasse des deux autres. Les dents sont alors prêtes à recevoir les barreaux, en l'occurrence ceux de la 20 cage d'écureuil pour le rotor. On peut ensuite replier les parties 32 qui dépassent de façon adaptée et assurer ainsi un sertissage de l'ensemble, figure 5C. Quant au stator 14, figures 1 et 2, il comprend de la même façon un circuit magnétique filaire pour constituer la culasse et les dents prêtes à recevoir un 25 bobinage de fils 34 de cuivre, de façon connue. Comme précédemment, la culasse et les dents peuvent être venues de mise en forme à partir d'un même fil ou réalisée en deux parties avec la culasse d'une part et les dents d'autre part. On note que le bobinage est réalisé de façon aisé car les espaces entre les dents peuvent être large lors de la dépose des fils de cuivre puis les fils constituant les dents sont déformés pour assurer un sertissage et dans le cas de dents rapportées comme celles des figures 5A à 5C, repliées afin de maintenir en place les fils de cuivre. Le remplissage entre deux dents est de plus, beaucoup plus complet améliorant ainsi le rendement final du moteur. Lors du bobinage, l'espace entre deux dents est totalement ouvert et libre d'accès, ce qui facilite aussi une automatisation. On note aussi que l'orientation des fils est telle qu'ils suivent les lignes de flux. 10 Il y a une parfaite adéquation des lignes de flux et des fils conducteurs. Le champ suit en effet non plus l'orientation des grains comme dans le cas des tôles mais l'axe longitudinal du fil compte tenu du faible diamètre. On remarque aussi un avantage important du procédé selon l'invention qui consiste à utiliser des diamètres de fils différents suivant que l'on souhaite une 15 forte épaisseur pour réaliser la culasse par exemple alors que le fil constituant les dents sera de diamètre plus réduit si nécessaire. Sur la figure 6, on a représenté les barreaux qui peuvent aussi être réalisés euxmêmes à partir de fils mis en forme comme indiqué sur la figure 6. Ces barreaux sont fabriqués indépendamment et disposés pour constituer le 20 circuit de dents. Sur la figure 7, on a représenté un fil 36, en section, permettant de mettre en oeuvre le procédé. Ce fil comprend une âme 38, notamment métallique, possédant des propriétés magnétiques adaptées, ayant subie par exemple un traitement thermique tel 25 qu'un recuit pour faciliter sa déformation et pour éliminer les tensions résiduelles. Cette âme est entourée d'une isolation 40 périphérique. De nombreuses sections peuvent être envisagées pour ces fils et des variantes sont représentées sur les figures 8A à 8F, respectivement à section disque, disque tronqué, croissant, en Vé, courbe ou en Té. On pourrait aussi citer des sections triangulaires pleines, des sections curvilignes. Sur les figures 9A et 9B, on a représenté deux variantes d'agencement pour un fil à section triangulaire, figure 8b. Ces fils peuvent être superposés les uns immédiatement et directement au-dessus des autres ou à chevrons renversés alternativement à l'horizontal. De la même façon, ce chevronnage peut être réalisé suivant un plan vertical. De la même façon, les dents ont été présentées avec des formes simples pour un meilleure compréhension mais les sections, grâce à la réalisation filaire, peuvent disposer de formes variées. bes exemples sont mentionnés sur les figures 10A à loc. Sur la figure 10A, il est prévu de rabattre la déformation miroir par rapport au 15 trait mixte virtuel mentionné, pour obtenir une succession de U identiques. Ces formes sont étudiées en fonction des cheminements des flux et des types de produits à réaliser, des transformateurs ou des machines électriques tournantes telles qu'un moteur synchrone, asynchrone, un alternateur ou une génératrice. Les fils peuvent aussi être isolés en totalité, partiellement ou pas du tout en fonction des besoins. Par exemple, on pourrait prévoir des sections carrées avec simplement deux côtés isolés. Les fils peuvent aussi être complexes à formes associées identiques ou différentes, cylindrique et en croissant par exemple, en matériaux de nature 25 différente ou identique. Les fils peuvent aussi subir certaines déformations de section. On peut prévoir de réaliser une partie du circuit magnétique à partir de tôles découpées comme dans l'art antérieur en réservant cette technique aux pièces simples. Compte tenu de la conception filaire, pour les besoins et la simplification de la 5 fabrication, il est possible de disposer les fils à même l'arbre pour la partie tournante ou à même le carter pour la partie statique. On note que pour l'arbre, le fait d'enrouler directement pour obtenir la culasse notamment, permet de réaliser un amincissement central de l'arbre en générant deux joues qui assurent l'immobilisation. Dans l'art antérieur, une seule joue 10 était possible puisqu'il fallait pouvoir assurer une introduction par translation de la culasse sur l'arbre pour la partie tournante. Ce blocage supprime les emmanchements à force ou les montages frettés nécessaires dans le cas des empilements de tôles qui assuraient l'immobilisation de l'empilement sur l'arbre. be plus, lorsque l'arbre est en matériau amagnétique, la conduction des flux est 15 perturbée ce qui détériore les caractéristiques électriques. bans le cas de la présente invention, la diminution du diamètre et la perméabilité générée par l'enroulement filaire limitent cette détérioration. La réalisation des dents sous forme filaire présente également un autre avantage très important qui est celui de permettre la fabrication de dents de 20 faibles dimensions en jouant sur les dimensions des fils mis en forme et des formes elles-mêmes. On peut augmenter aisément le nombre de dents sans recourir à des matériels trop sophistiqués comme cela deviendrait nécessaire dans le cas d'un emboutissage de tôles. il REVENI)ICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un circuit magnétique (22) pour machines électriques tournantes, moteur, alternateur, génératrice ou statiques telles qu'un transformateur, caractérisé en ce qu'on réalise au moins la culasse (24) et/ou les dents (26) de la partie tournante dite rotor et/ou de la partie statique dite stator par mise en forme de fils. 2. Procédé de réalisation d'un circuit magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on assure la mise en forme des fils (30) directement sur l'arbre (16) moteur ou sur le carter. 3. Procédé de réalisation d'un circuit magnétique selon la revendication 1 ou 10 2, caractérisé en ce que, pour la réalisation des dents (26), on dispose les fils (30) pour générer des encoches adaptées pour recevoir les bobinages (34) et/ou les barreaux (28) de la cage d'écureuil (18). 4. Procédé de réalisation d'un circuit magnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser des dents (26) dont au moins une 15 partie (32) est déformable, à introduire le bobinage (34) et/ou les barreaux (28) dans les encoches générées par les dents et à déformer la partie déformable des dents pour assurer une immobilisation du bobinage et/ou des barreaux dans lesdites encoches, entre les dents. 5. Procédé de réalisation d'un circuit magnétique selon l'une quelconque des 20 revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise, pour chaque partie, statique et/ou tournante, la culasse (24) d'une part par mise en forme de fils et d'autre part les dents (26) par mise en forme de fils également, ces deux parties étant ensuite emboîtées l'une dans l'autre et liées mécaniquement. 6. Procédé de réalisation d'un circuit magnétique selon l'une quelconque des 25 revendications précédentes, caractérisé en ce que les fils (30) mis en forme pour constituer la culasse (24) et/ou les dents (26) présentent une section adaptée choisie parmi les sections en disque, en disque tronqué, en croissant, en Vé, en courbe, en Té, triangulaire pleine ou curviligne. 7. Procédé de réalisation d'un circuit magnétique selon la revendication 6, 5 caractérisé en ce que les fils (30) sont superposés verticalement puis juxtaposés ou horizontalement puis juxtaposés éventuellement avec un décalage en sorte de permettre une meilleure coopération des profils. 8. Procédé de réalisation d'un circuit magnétique selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque fil (36) utilisé comprend une âme (38), notamment 10 métallique, possédant des propriétés magnétiques adaptées et ayant éventuellement subie un traitement thermique. 9. Procédé de réalisation d'un circuit magnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'âme (38) de chaque fil (36) utilisé comprend une isolation (40) sur au moins une partie de la périphérie. 10. Machines électriques tournantes, moteur, alternateur, génératrice ou statiques telles qu'un transformateur ayant au moins la culasse (24) et/ou les dents (26) de la partie tournante dite rotor et/ou de la partie statique dite stator constituée de fils mis en forme, selon l'une des revendications précédentes.