Brevet FR2950206A1 — publié le 20110318

La présente invention a pour objet un rotor de machine électrique tournante asynchrone. De tels rotors comportent un empilement de tôles rotoriques ayant des encoches dans lesquelles s'étendent les barreaux d'une cage d'écureuil. Dans les machines connues, les encoches sont de forme identique. Les barreaux sont classiquement réalisés par injection de métal dans les encoches. L'aluminium est préféré au cuivre car sa température de fusion est plus faible et l'injection peut avoir lieu plus facilement. La résistance électrique des barreaux, lorsqu'elle est trop importante, peut dégrader les performances de la machine en régime permanent. L'emploi du cuivre est à cet égard préférable. Toutefois, le cuivre, bien qu'améliorant les performances de la machine en régime permanent, augmente l'intensité du courant d'appel lors du démarrage de la machine. Pour résoudre ce problème, le brevet US 5 068 560 enseigne de modifier la valeur de la résistance de la cage rotorique selon que la machine démarre ou est en régime permanent, en segmentant les anneaux de court-circuit de la cage et en ne reliant tous les segments d'anneaux que lorsque la machine est en régime permanent. Cette solution est de mise en oeuvre relativement complexe. D'autres solutions ont été proposées, comme les rotors à double cage ou les rotors à encoches profondes. Un rotor à double cage comporte une cage extérieure de résistance électrique plus élevée et disposée près de l'entrefer et une cage intérieure de résistance électrique plus faible et disposée en profondeur dans le rotor. Lors du démarrage d'une machine asynchrone comportant un rotor à encoches profondes, les courants rotoriques sont refoulés vers la périphérie des barreaux de la cage reçus dans les encoches, permettant d'augmenter la résistance utile du rotor et, par conséquent, de diminuer la valeur du courant d'appel. Toutes ces solutions n'offrent pas entière satisfaction, Il existe un besoin pour bénéficier d'un rotor de machine électrique tournante asynchrone qui soit de fabrication relativement simple et peu coûteuse et qui présente un rendement en régime permanent satisfaisant, tout en limitant le courant d'appel dans le rotor lors du démarrage de la machine. L'invention a pour objet de répondre à ce besoin, et, elle y parvient, selon l'un de ses aspects, grâce à un rotor de machine électrique tournante asynchrone, comportant un empilement de tôles rotoriques, et une cage d'écureuil comportant des barreaux traversant l'empilement de tôles à la faveur de grandes et petites encoches ayant des dimensions radiales inégales. L'utilisation d'encoches ayant des dimensions radiales inégales permet d'accroître la section d'une partie au moins des barreaux sans dégrader outre mesure les performances magnétiques et mécaniques du rotor, en évitant de réduire excessivement la largeur de tôle entre les encoches. Les grandes encoches peuvent en outre exercer un effet de double cage, permettant de réduire le courant d'appel. Les grandes et petites encoches sont de préférence disposées de façon alternée dans le sens circonférentiel. Chaque tôle peut comporter un nombre pair d'encoches, notamment un nombre pair de grandes encoches et un nombre pair de petites encoches. Les grandes encoches peuvent comporter au moins un étranglement, c'est-à-dire un minimum local de la largeur d'encoche, mesurée entre les bords radiaux opposés de l'encoche. Le rapport entre la section d'une grande et d'une petite encoche est par exemple compris entre 1,2 et 3, notamment entre 1,2 et 1,8 ou entre 1,4 et 2. Les grandes et petites encoches peuvent comporter une partie radialernent extérieure de même forme, pour éviter de nuire à l'homogénéité magnétique du rotor vu par le stator. Cette partie radialernent extérieure de même forme est par exemple comprise entre l'extrémité des encoches en regard d'un stator interagissant avec le rotor et un rayon intermédiaire légèrement supérieur à la distance entre le centre du rotor et le fond des petites encoches. Le fond des petites encoches est par exemple situé à une distance comprise entre 90 et 75% du rayon extérieur de la tôle et le rayon intermédiaire est par exemple compris entre 92 et 77 % du rayon extérieur de la tôle. Les grandes encoches peuvent comporter une partie s'étendant radialement à une distance du centre du rotor inférieure au rayon intermédiaire, une telle partie étant par la suite appelée « partie radialement intérieure d'une grande encoche ». La partie radialement intérieure de chaque grande encoche peut comporter une première portion dont les bords radiaux opposés divergent lorsque l'on se rapproche du centre du rotor et une deuxième portion dont les bords radiaux convergent lorsque l'on se rapproche du centre du rotor. La largeur minimale Li de la tôle entre deux parties radialement intérieures de deux grandes encoches consécutives est de préférence supérieure ou égale à la largeur minimale L2 de la tôle entre la partie radialement extérieure d'une grande encoche et la petite encoche adjacente à celle-ci. La présence des grandes et petites encoches selon l'invention permet ainsi de ne pas étrangler le flux magnétique traversant le rotor tout en diminuant la valeur du courant d'appel. La largeur minimale LI de la tôle entre deux parties radialement intérieures de deux grandes encoches consécutives peut être supérieure ou égale à la largeur maximale L2' de la tôle entre la partie radialement extérieure d'une grande encoche et la petite encoche adjacente à celle-ci. La partie radialement intérieure de chaque grande encoche peut s'étendre radialement sur une distance comprise entre 20 et 90 %, notamment entre 20 et 50 %, par exemple entre 20 et 40 %, de la dimension radiale totale de la grande encoche. Le fond des grandes encoches peut être situé à une distance du bord radialement intérieur de la tôle comprise entre 10 et 30 %, notamment entre 10 et 20 % de la différence entre le rayon extérieur et le rayon intérieur de la tôle, cette différence étant appelée « dimension radiale de la tôle » par la suite. Le rapport entre la dimension radiale totale de chaque grande encoche et la dimension radiale de la tôle est par exemple compris entre 30 et 90 %, notamment entre 50 et80 Le fond de la partie radialement intérieure des grandes encoches peut être aplati ou arrondi. Le diamètre extérieur de chaque tôle est par exemple compris entre 90 et 500 mm. Les axes radiaux des grandes et petites encoches sont par exemple équidistants dans le sens circonférentiel. La cage d'écureuil comporte des premiers barreaux traversant les grandes encoches et des deuxièmes barreaux traversant les petites encoches, tous ces barreaux étant, reliés par deux anneaux de court-circuit à leurs extrémités. Les barreaux de la cage d'écureuil sont avantageusement réalisés en aluminium, mais le cuivre ou d'autres matériaux et alliages peuvent être utilisés. Chaque tôle peut comporter un alésage central pour recevoir un arbre de la machine électrique tournante et une découpe d'indexation de l'arbre débouchant sur l'alésage central. Cette découpe est de préférence disposée radialement en regard d'une petite encoche. Le rotor est par exemple intégré à une machine asynchrone dont la puissance nominale est comprise entre 1 et 500 kW. La machine asynchrone est par exemple un moteur ou une génératrice. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : la figure 1 est une vue de face d'une tôle d'un rotor selon un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 représente un détail de la tôle représentée à la figure 1, - la figure 3 est une vue de face d'une tôle d'un rotor selon un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention, et - la figure 4 représente un détail de la tôle de la figure 3. On a représenté à la figure 1 une tôle 1 d'un rotor de machine électrique tournante asynchrone selon l'invention. Le rotor de la machine comporte un empilement (ou paquet) de tôles 1 selon l'axe X de rotation de la machine, perpendiculaire au plan de la figure 1.. Chaque tôle 1 comporte un alésage central 2 destiné à recevoir un arbre non représenté. Comme on peut le voir sur la figure 1, la tôle 1 comporte une pluralité de grandes encoches 3 et de petites encoches 4 qui ont des dimensions radiales inégales et qui sont dans l'exemple décrit équidistantes dans le sens circonférentiel. La tôle 1 peut comporter comme illustré une découpe d'indexation 5 débouchant dans l'alésage 2 et disposée radialement en regard d'une petite encoche 4. Chaque encoche 3 ou 4 présente par exemple un axe de symétrie radial Y et l'angle d entre les axes de symétrie respectifs de deux encoches adjacentes est par exemple constant sur tout le rotor et par exemple égal à 8,2° dans le cas d'une machine à 6 pôles. Comme on peut le voir sur la figure 1, les grandes encoches 3 peuvent alterner avec les petites encoches 4, la tôle I comportant dans l'exemple décrit un même nombre pair de grandes encoches 3 et de petites encoches 4. Dans l'exemple illustré, le rotor a six pôles et comporte vingt-deux grandes encoches et vingt-deux petites encoches, mais l'invention n'est pas limitée à un nombre précis de pôles au rotor. Le rapport entre la dimension radiale totale d de chaque première encoche 3 et la dimension radiale D de la tôle est par exemple compris entre 0,5 et 0,8. La tôle 1 peut présenter, comme dans l'exemple illustré, un diamètre extérieur inférieur à 500 mm, étant par exemple compris entre 90 mm et 500 mm et un diamètre intérieur compris entre 20 et 200 mm. Des barreaux conducteurs d'une cage d'écureuil non représentés traversent les grandes et les petites encoches. Ces barreaux sont réalisés par injection dans l'empilement et occupent toute la section des encoches, Comme on peut le voir à la figure 2, les grandes encoches 3 présentent une section supérieure à celle des petites encoches 4, le rapport Sis entre la section S d'une grande encoche 3 et la section s d'une petite encoche 4 étant par exemple compris entre 1,2 et 3, mieux 1,4 et 2. Dans un exemple de mise en oeuvre correspondant à la figure 1, chaque grande encoche 3 présente une section de 57 mm2 environ et chaque petite encoche 4 une section 25 de 29 mm2 environ. Les grandes encoches et les petites encoches présentent dans l'exemple considéré une partie radialement extérieure 8, respectivement 9, de même forme, éloignée du centre du rotor d'une distance R (rayon intermédiaire) et légèrement supérieure à la distance entre le fond 26 des petites encoches 4 et le centre du rotor. 30 Chaque grande encoche 3 peut comporter une partie radialement intérieure 10 s'étendant vers le centre du rotor à une distance du centre du rotor inférieure à R. Les parties radialement intérieure 10 et radialement extérieure 8 d'une grande encoche 3 peuvent se rejoindre en formant un étranglement 11, correspondant à un minimum local de la largeur 1 de l'encoche, cette largeur étant mesurée entre deux bords radiaux opposés de l'encoche 3. Comme on peut le voir sur la figure 2, la partie radialement intérieure 10 peut comporter une première portion 14 dont les bords radiaux 15 divergent lorsque l'on se rapproche du centre du rotor et une deuxième portion 16 dont les bords radiaux 18 convergent lorsque l'on se rapproche du centre du rotor. La partie radialement intérieure 10 de chaque grande encoche s'étend radialement sur une distance d, comprise entre 20 et 50 % de la dimension radiale totale d de la grande encoche et peut comporter un fond 23 situé à une distance df du bord radialement intérieur 19 de la tôle 1, comprise entre 10 et 30 % de la dimension radiale D de la tôle 1. Comme on peut le voir sur la figure 2, les parties radialement intérieures 10 des grandes encoches 3 définissent deux-à-deux une partie pleine 20 de la tôle 1 de largeur au moins égale à LI. La partie radialement extérieure 8 de chaque grande encoche 3 définit avec chaque petite encoche 4 adjacente une partie pleine 21 de la tôle 1 de largeur au moins égale à L2 et au plus égal à L2'. Le rapport L21LI est par exemple compris entre 0,5 et 0,75. Les grandes encoches 3 peuvent présenter, comme illustré à la figure 1, une forme de flèche et le fond 23 de la partie radialement intérieure 10 de chaque grande encoche 3 peut être arrondi. On va maintenant décrire en référence aux figures 3 et 4 un autre exemple de rotor selon l'invention. Similairement à ce qui a été décrit en référence aux figures 1 et 2, chaque tôle 1 comporte une alternance de grandes 3 et petites 4 encoches. Dans l'exemple considéré, le rotor a six pôles et comporte quatorze grandes encoches 3 et quatorze petites encoches 4. La section de chaque grande encoche 3 est par exemple de 123 mm2 environ et la section de chaque petite encoche 4 de 68 mm2 environ. A la différence des grandes encoches 3 décrites en référence aux figures 1 et 2, les grandes encoches 3 de la tôle représentée aux figures 3 et 4 comportent une partie radialement intérieure 10 de forme polygonale ouverte, comportant un fond 23 aplati. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Le rotor peut par exemple comporter un nombre différent de grandes et petites encoches, ne comportant par exemple qu'une grande encoche pour deux petites encoches. Les barreaux de la cage d'écureuil peuvent être réalisés en cuivre. L'expression « comportant un » doit être comprise comme signifiant « comportant au moins un », sauf lorsque le contraire est spécifié. 10 REVENDICATIONS1 Rotor de machine électrique tournante asynchrone, comportant un empilement de tôles rotoriques (1) et, une cage d'écureuil comportant des barreaux traversant l'empilement de tôles à la faveur de grandes (3) et petites (4) encoches ayant des dimensions radiales inégales. 2. Rotor selon la revendication I, les grandes (3) et petites (4) encoches étant disposées de façon alternée dans le sens circonférentiel. 3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, les grandes encoches (4) comportant au moins un étranglement (Il). 4. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, le rapport (Sis) entre la section d'une grande (3) et d'une petite (4) encoche étant compris entre 1,2 et 3. 5. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, les grandes (3) et petites (4) encoches comportant une partie radialement extérieure (8, 9) de même forme au- delà d'un rayon intermédiaire (R). 6. Rotor selon la revendication 5, la forme des grandes encoches (3) correspondant à celle des petites encoches (4) à l'exception d'une partie (10) de la grande encoche (3) s'étendant radialement à une distance du centre du rotor inférieure au rayon intermédiaire (R). 7. Rotor selon la revendication 6, la partie (10) de chaque grande encoche (3) comportant une première portion (14) dont les bords radiaux (15) divergent lorsque l'on se rapproche du centre du rotor et une deuxième portion (16) dont les bords radiaux (18) convergent lorsque l'on se rapproche du centre du rotor. 8. Rotor selon la revendication 6 ou 7, la largeur minimale (Li) de la tôle entre deux parties (10) de deux grandes encoches (3) consécutives étant supérieure à la largeur minimale (L2) de la tôle entre la partie radialement extérieure (8) d'une grande encoche et la petite encoche (4) adjacente à celle-ci. 9. Rotor selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, la partie (10) de la grande encoche (3) s'étendant radialement sur une distance (di) comprise entre 20 et 90 % de la dimension radiale (d) de la grande encoche (3). 10. Rotor selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, le fond (23) de la partie (10) des grandes encoches (3) étant situé à une distance (dr) du bord radialement intérieur (19) de la tôle (1) comprise entre IO et 30 % de la différence (D) entre le rayon extérieur et le rayon intérieur de la tôle (1). 11. Rotor selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, le fond (23) de la partie (10) des grandes encoches (3) étant aplati ou arrondi. 12. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, le rapport entre la dimension radiale totale (d) de chaque grande encoche (3) et la différence (D) entre le rayon extérieur et le rayon intérieur de la tôle (1) étant compris entre 30 et 80%. 13. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, le diamètre extérieur de chaque tôle (1) étant compris entre 90 et 500 mm. 14. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, les axes radiaux des grandes (3) et petites (4) encoches étant équidistants dans le sens circonférentiel. 15. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, les barreaux étant réalisés en aluminium.10