Brevet FR3018211A1 — publié le 20150911

PROCEDE DE FORGEAGE DE ROUE POLAIRE POUR ALTERNATEUR DE VEHICULE AUTOMOBILE, MATRICE DE FORGEAGE A FROID ET ROUE POLAIRE OBTENUE PAR CE PROCEDE De manière générale, l'invention concerne un procédé de forgeage des roues polaires destinées au rotor d'une machine électrique tournante de type Lundell, telle qu'un alternateur ou un alternodémarreur de véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne la fabrication des roues polaires pour un rotor équipé d'aimants permanents interpolaires. L'invention concerne aussi une matrice de forgeage à froid et une roue polaire obtenue par la mise en oeuvre du procédé de forgeage selon l'invention. De manière classique, la fabrication des roues polaires pour les alternateurs à griffes fait appel à des opérations de forgeage. Les rotors équipés d'aimants permanents interpolaires demandent la réalisation de rainures de logement d'aimant et de lèvres d'aimant dans les dents des roues polaires. Les lèvres d'aimant assurent le 2 0 maintien en place des aimants permanents qui sont soumis aux effets de la force centrifuge lorsque le rotor est en rotation. Il est connu de réaliser les rainures de logement d'aimant et les lèvres d'aimant par une opération d'usinage intervenant après l'obtention de la roue polaire forgée. Dans le processus industriel de fabrication des roues polaires, cette opération d'usinage présente l'inconvénient d'accroître la durée de fabrication et le coût de la pièce. Dans US7,676,902B2, il est décrit un procédé de fabrication d'une roue polaire dans lequel l'opération d'usinage des rainures de logement d'aimant est éliminée. La roue polaire est obtenue en ne faisant appel qu'à des opérations de forgeage. Les rainures de logement d'aimant et les lèvres d'aimant sont préformées en forgeage à chaud. Des outils de formage à froid sont ensuite utilisés pour achever la réalisation des rainures et lèvres, ainsi que des chanfreins prévus dans les dents de la roue polaire. Ces outils de formage à froid sont actionnés radialement, c'est-à-dire, suivant le rayon de la roue polaire. Il est souhaitable de fournir d'autres solutions pour le forgeage des rainures de logement d'aimant et des lèvres d'aimant, afin de pouvoir répondre aux contraintes diverses qui s'appliquent dans les processus industriels de fabrication de roues polaires. Selon un premier aspect, le présente invention a pour objet de fournir un procédé de forgeage d'une roue polaire incorporant une pluralité de dents polaires destinée au rotor d'une machine électrique tournante de type Lundell, le procédé comprenant une étape de forgeage à chaud et une étape de forgeage à froid qui intervient après l'étape de forgeage à chaud. Une roue polaire de base est obtenue à l'issue de l'étape de forgeage à chaud et incorpore une pluralité de chanfreins finis formés sur des parties extérieures des dents polaires. Conformément à l'invention, l'étape de forgeage à froid comporte les sous-étapes suivantes : a) mise en place de la roue polaire de base dans une matrice, b) réalisation par matriçage à froid d'une première frappe sur la roue polaire de base, dans la direction axiale de celle-ci, entrainant un premier refoulement de matière sur des parties intérieures des dents polaires, afin d'ébaucher une formation de rainures de logement d'aimant et de lèvres d'aimant, et c) réalisation par matriçage à froid d'une seconde frappe sur la roue polaire de base, dans la direction axiale de celle-ci, entrainant un second refoulement de matière sur les parties intérieures des dents polaires, afin de finir la formation des rainures de logement d'aimant et des lèvres d'aimant. Selon une autre caractéristique, le procédé selon l'invention comprend également une étape de découpe des surplus de matière aux contours de la roue polaire, cette étape de découpe intervenant après l'étape de forgeage à froid. Selon encore une autre caractéristique, dans la sous-étape a), la roue polaire de base est placée dans une forme correspondante d'une matrice inférieure de ladite matrice, avec les dents polaires orientées vers le haut. Selon encore une autre caractéristique, dans les sous-étapes b) et c), la forme définitive des dents polaires, avec les rainures de logement d'aimant et les lèvres d'aimant, est donnée par une forme correspondante d'une matrice supérieure de ladite matrice. Selon encore une autre caractéristique, dans les sous-étapes b) et c), une poussée verticale est exercée sur la matrice, avec une pression comprise entre 150 et 1500 Tonnes pour chacune des frappes. Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi une matrice de forgeage à froid pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention décrit brièvement ci-dessus. Conformément à l'invention, la matrice de forgeage à froid comprend une matrice inférieure et une matrice supérieure, et une ouverture au niveau d'un plan de joint entre les matrices inférieure et supérieure, l'ouverture étant prévue pour une bavure de la roue polaire et ayant une dimension comprise entre 0,1 mm et 6 mm. Selon encore un autre aspect, l'invention concerne aussi une roue polaire obtenue par la mise en oeuvre du procédé de l'invention décrit brièvement ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de réalisation de celle-ci, illustré par : - la Fig.1 qui est une vue montrant un rotor à griffes d'un alternateur de véhicule automobile ; - la Fig.2 qui est une vue en perspective d'une roue polaire équipée d'aimants permanents, incluse dans le rotor de la Fig.1 ; - les Figs.3a à 3d qui montrent la formation progressive d'une roue polaire de base dans une étape de forgeage à chaud du procédé selon l'invention : - la Fig.3e qui montre une section de dent de la roue polaire de base de la Fig.3d obtenue à l'issue de l'étape de forgeage à chaud ; - les Figs.4a à 4c qui concernent une étape de forgeage à froid du procédé selon l'invention : - la Fig.4a étant une vue en coupe d'une matrice utilisée dans l'étape de forgeage à froid du procédé selon l'invention ; - la Fig.4b étant une vue en perspective de la roue polaire selon l'invention obtenue à l'issue de l'étape de forgeage à froid ; - la Fig.4c montrant une section de dent de la roue polaire de la Fig.4b ; et - les Figs.5a à 5d qui montrent la roue polaire selon l'invention ainsi que des détails de réalisation de celle-ci : - la Fig.5a étant une représentation agrandie de la roue polaire selon l'invention ; - la Fig.5b étant une vue partielle en perspective montrant un réservoir prévu à la base des dents polaires de la roue polaire selon l'invention ; - la Fig.5c étant une vue partielle en perspective montrant une configuration en bout de dent de la rainure de logement d'aimant et de la lèvre d'aimant ; et - la Fig.5d étant une vue en coupe schématique montrant un rayon intérieur prévue dans la rainure de logement d'aimant, à la base de la lèvre d'aimant. En référence à la Fig.1, le rotor 1 d'une machine électrique tournante de type Lundell, dit également machine à griffes, comprend essentiellement deux roues polaires 10 et 11, des aimants permanents interpolaires 12, une bobine d'excitation (non apparente), un arbre 13, un collecteur 14, et deux ventilateurs 15a, 15b servant au refroidissement de la machine. Les roues polaires 10, 11 sont montées sur l'arbre 13 de telle manière que leurs dents respectives 10g, 11g sont imbriquées et forment une alternance de pôles magnétiques sud (S) et nord (N). Ces pôles magnétiques S et N sont produits par l'alimentation en courant électrique de la bobine d'excitation insérée dans un noyau central entre les roues polaires 10 et 11. La bobine d'excitation est alimentée à travers le collecteur 14. Les aimants interpolaires 12 sont logés dans les espaces existant entres les dents N et S des roues polaires 10, 11. Dans la forme de réalisation particulière du rotor 1 représentée à la Fig.1, l'ensemble des espaces interdents sont occupés par les aimants 12. Dans d'autres formes de réalisation, les aimants 12 n'occupent qu'une partie des espaces interdents disponibles. A la Fig.2, la roue polaire 10, 11 est montrée avec les aimants permanents 12. Des rainures de logement d'aimant 100 et lèvres 101 sont prévues dans les dents 10g, 11g de la roue polaire afin de permettre le montage des aimants 12 dans les espaces interdents et de les maintenir en position lorsque le rotor 1 est tournant et que s'exercent les effets de la force centrifuge. Des chanfreins magnétiques 102, aérauliques 103 et d'équilibrage 104 sont également prévus dans les dents 10g, 11g. Les chanfreins magnétiques 102 sont aménagés de part et d'autres des bords longitudinaux de la dent 10g, 11g, comme montré à la Fig.2. Les chanfreins aérauliques 103 et d'équilibrage 104 sont visibles à la Fig.1. En référence plus particulièrement aux Figs.3a à 3e et 4a à 4c, il est maintenant décrit le procédé de forgeage selon l'invention. Le procédé de forgeage selon l'invention comprend deux étapes principales, à savoir, une étape de forgeage à chaud suivie d'une étape de forgeage à froid. L'étape de forgeage à chaud permet d'obtenir à partir d'un lopin de fer préalablement écrasé F (Fig.3a) une roue polaire de base 10B (Fig.3d) dans laquelle ont été formés les chanfreins 102, 103 et 104. Aucune préforme de rainure et lèvre d'aimant n'est réalisée au cours de cette étape EC. 3 0 1 8 2 1 1 8 De manière classique, l'étape de forgeage à chaud comprend une opération de réalisation d'une ébauche EE (Fig.3b), une opération de finition EF (Fig.3c) et une opération de découpe des surplus de matière SM (Fig.3d) aux contours de la roue polaire de base 10B. 5 A l'issue de l'étape de forgeage à chaud, les dents 10g, 11g, sont formées avec les chanfreins 102, 103 et 104. Une coupe de la dent 10g, 11g, selon un axe de coupe AA (Fig.3d), est montrée à la Fig.3e. L'étape de forgeage à froid a pour finalité de réaliser les rainures de logement d'aimant 100 et lèvres 101 pour les aimants 12. Pour cela, il 10 est réalisé des rainures sous les dents 10g, 11g, au niveau des bords longitudinaux de celles-ci. Ces rainures sont réalisées par refoulement de la matière, par deux opérations successives de frappe à froid, en utilisant une matrice MA montrée à la Fig.4a. Comme montré à la Fig.4a, la matrice MA est formée d'une 15 matrice inférieure MAi et d'une matrice supérieure MAs. La roue polaire de base 10B est placée dans une forme correspondante de la matrice inférieure MAi, avec les dents orientées vers le haut. La matrice supérieure MAs comporte la forme définitive de la dent 20 10g, 11g, avec les rainures de logement d'aimant 100 et les lèvres 101. Une ouverture Ov au plan de joint entre les matrices inférieure MAi et supérieure MAs est prévue pour la bavure et a une dimension de 0,1 mm à 6 mm selon les applications. 301 8 2 1 1 9 Une poussée verticale P est exercée sur la matrice MA, jusqu'au contact au plan de joint entre la matrice supérieure MAs et la matrice inférieure MAi. La matière est repoussée dans la préforme prévue à cet effet dans la matrice. Un contre-appui de blocage est assuré sur le 5 diamètre fer de la pièce et/ou les chanfreins magnétiques 102, aérauliques 103 et d'équilibrage 104. Les chanfreins 102, 103 et 104 sont, selon les applications, conformés et/ou maintenus. L'opération de matriçage à froid est réalisée en deux frappes successives, avec des pressions égales ou différentes, selon les 10 applications, typiquement entre 150 à 1500 Tonnes. Une opération de découpe des surplus de matière aux contours de la roue polaire 10, 11 est réalisée après l'opération de matriçage à froid. La fabrication de la roue polaire 10,11 est alors terminée et celle-ci comportent les rainures de logement d'aimant 100 et lèvres 101, ainsi 15 que les chanfreins 102, 103 et 104 obtenus préalablement dans l'étape de forgeage à chaud. Une coupe de la dent 10g, 11g, selon un axe de coupe BB (Fig.4b), est montrée à la Fig.4c. Des détails de réalisation de la roue polaire 10, 11 sont maintenant décrits en référence aux Figs.5a à 5d. 20 Comme montré aux Figs.5a et 5b, des réservoirs 105 sont prévus à la base de chacune des dents 10g, 11g, de la roue polaire 10, 11. Ces réservoirs 105 sont au nombre de deux pour chaque dent 10g, 11g, et sont situés de part et d'autre de celle-ci. On notera à la Fig.5b que les réservoirs 105 sont réalisés en contrebas d'une surface intérieure 106, sensiblement annulaire, de la roue polaire 10, 11. La surface 106 est comprise entre la base des dents 10g, 11g, et le noyau central 107 de la roue polaire 10, 11. Ces réservoirs 105 localisés à la base des dents 10g, 11g sont nécessaires dans la roue polaire selon l'invention car ils autorisent la fabrication de celle-ci par la mise en oeuvre du procédé de forgeage selon l'invention, tel qu'il vient d'être décrit ci-dessus. En effet, les réservoirs 105 offrent un espace pour la matière refoulée lors des deux frappes successives de l'étape de forgeage à froid et rendent donc possible la fabrication complète de la pièce par forgeage, avec forgeage à froid dans la direction axiale. Des essais ont été réalisés par l'entité inventive et ont mis en évidence l'intérêt de deux caractéristiques particulières détaillées ci- dessous de la roue polaire 10, 11 selon l'invention, notamment pour la tenue mécanique des lèvres 101 à la centrifugation. Un rayon R à la base de la lèvre 101, montré à la Fig.5d, doit être compris entre R = 0,3 mm et R = 10 mm, selon les applications. Sur toute la longueur de la dent 10g, 11g, de sa base à sa pointe montrée à la Fig.5c, un rapport e/E entre l'épaisseur E de la dent 10g, 11g et l'épaisseur e de la lèvre 101 doit être compris entre e/R = 0,5 et e/R = 1. REVENDICATIONS1. Procédé de forgeage d'une roue polaire (10. 11) incorporant une pluralité de dents polaires(10g, 11g) destinée au rotor (1) d'une machine électrique tournante de type Lundell, ledit procédé comprenant une étape de forgeage à chaud et une étape de forgeage à froid intervenant après ladite étape de forgeage à chaud, une roue polaire de base (10B) incorporant une pluralité de chanfreins finis (102, 103, 104) formés sur des parties extérieures desdites dents polaires étant réalisée lors de ladite étape de forgeage à chaud, caractérisé en ce que ladite étape de forgeage à froid comporte les sous-étapes suivantes : a) mise en place de ladite roue polaire de base (10B) dans une matrice (MA), b) réalisation par matriçage à froid d'une première frappe sur ladite roue polaire de base (10B), dans la direction axiale de ladite roue polaire, entrainant un premier refoulement de matière sur des parties intérieures desdites dents polaires (10g, 11g), afin d'ébaucher une formation de rainures de logement d'aimant (100) et de lèvres d'aimant (101), et c) réalisation par matriçage à froid d'une seconde frappe sur ladite roue polaire de base (10B), dans la direction axiale de ladite roue polaire, entrainant un second refoulement de matière sur lesdites parties intérieures desdites dents polaires (10g, 11g), afin de finir ladite formation des rainures de logement d'aimant (100) et des lèvres d'aimant (101). 3 0 1 8 2 1 1 12 2. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il 5 comprend également une étape de découpe des surplus de matière aux contours de la roue polaire, ladite étape de découpe intervenant après l'étape de forgeage à froid. 3. Procédé de forgeage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 10 dans ladite sous-étape a), la roue polaire de base (10B) est placée dans une forme correspondante d'une matrice inférieure (MAi) de ladite matrice (MA), avec les dents polaires (10g, 11g) orientées vers le haut. 4. Procédé de forgeage selon la revendication 4, caractérisé en ce que 15 dans les sous-étapes b) et c), la forme définitive des dents polaires (10g, 11g), avec les rainures de logement d'aimant (100) et les lèvres d'aimant (101), est donnée par une forme correspondante d'une matrice supérieure (MAs) de ladite matrice (MA). 20 5. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans les sous-étapes b) et c), une poussée verticale (P) est exercée sur la matrice, avec une pression comprise entre 150 et 1500 Tonnes pour chacune des frappes. 6. Matrice de forgeage à froid pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour le forgeage d'une roue polaire (10, 11) incorporant une pluralité de dents polaires (10g, 11g) destinée au rotor (1) d'une machine électrique tournante de type Lundell, caractérisée en ce qu'elle comprend une matrice inférieure (MAi) et une matrice supérieure (MAs), et une ouverture au niveau d'un plan de joint (0v) entre lesdites matrice inférieure (MAi) et matrice supérieure (MAs), ladite ouverture (0v) étant prévue pour une bavure de la roue polaire et ayant une dimension comprise entre 0,1 mm et 6 mm. 7. Roue polaire (10, 11) incorporant une pluralité de dents polaires (10g, 11g) et destinée au rotor (1) d'une machine électrique tournante de type Lundell, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.