Brevet FR3046306A1 — publié le 20170630

ARBRE DE ROTOR APTE A BLOQUER EN ROTATION UN BOBINAGE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL ARBRE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui des machines électriques tournantes, et plus particulièrement celui des rotors bobinés destinés à équiper de tels machines. L'invention se rapporte ainsi à un arbre de rotor apte à bloquer en rotation un bobinage monté sur l'arbre et à un procédé de fabrication d'un tel arbre. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Un rotor de machine électrique tournante comporte un arbre s'étendant selon un axe longitudinal sur lequel est monté un bobinage. L'arbre est une barre cylindrique comportant une partie centrale disposée entre une première partie extrême et une deuxième partie extrême. Le bobinage est un empilement de tôles qui comportent une ouverture centrale circulaire et des encoches disposées circonférentiellement. Les encoches des tôles empilées forment des cavités dans lesquelles sont disposés des fils métalliques conducteurs reliés à un collecteur assemblé par frettage sur l'arbre. Chaque tôle est empilée après avoir subi une rotation d'un angle prédéterminé autour de l'axe longitudinal par rapport à la tôle précédente. Les tôles sont ainsi décalées les unes par rapport aux autre et les cavités s'étendent selon un axe incliné par rapport à l'axe longitudinal. Cela permet au rotor de démarrer en créant un déphasage par rapport au stator du moteur. L'orientation de l'angle décide du sens de rotation du rotor. Un problème caractéristique de ces machines électriques tournantes concerne le blocage en rotation du bobinage sur l'arbre du rotor. En effet, si le bobinage tourne sur l'arbre, cela entraîne la rupture des fils métalliques reliés au collecteur. Usuellement, le bobinage est collé sur l'arbre. La colle doit donc résister à des contraintes thermiques, comme une élévation de température, et mécaniques, telles que des vibrations ou le couple exercé par la rotation du rotor. Cependant, ce n'est pas toujours le cas. RESUME DE L'INVENTION 3046306 2 L'invention vise à résoudre les problèmes qui viennent d'être exposés en proposant un arbre permettant de bloquer en rotation un bobinage de rotor d'une machine tournante, sans utiliser de colle. Un premier aspect de l'invention concerne donc un arbre de rotor s'étendant selon un axe longitudinal, l'arbre comportant une partie centrale disposée entre une première partie extrême et une deuxième partie extrême, la partie centrale étant destinée à recevoir un empilement de tôles, l'arbre étant caractérisé en ce que : la partie centrale présente une section transversale orthogonale à l'axe longitudinal de forme polygonale ; 10 la partie centrale forme une vrille autour de l'axe longitudinal selon un angle de rotation prédéterminé. L'arbre de rotor selon le premier aspect de l'invention peut également comporter une ou plusieurs caractéristiques parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon les combinaisons techniquement possibles : 15 la section transversale de la partie centrale est de forme carrée ; la première partie extrême présente une section transversale orthogonale à l'axe longitudinal de forme circulaire ; la deuxième partie extrême présente une section transversale orthogonale à l'axe longitudinal de forme circulaire. 20 Un deuxième aspect de l'invention concerne un rotor de machine électrique tournante caractérisé en ce qu'il comporte un arbre de rotor selon le premier aspect de l'invention et une pluralité de tôles empilées sur la partie centrale de l'arbre, chaque tôle comportant des encoches disposées circonférentiellement et une ouverture centrale présentant une forme polygonale complémentaire à celle de la 25 section transversale de la partie centrale de l'arbre, les encoches des tôles empilées formant des cavités s'étendant selon un axe incliné par rapport à l'axe longitudinal d'un angle correspondant à l'angle de rotation de la vrille formée par la partie centrale de l'arbre. Ainsi, grâce à l'invention, les tôles sont bloquées en rotation de par la forme 30 polygonale de leur ouverture à travers laquelle passe l'arbre. L'assemblage des tôles sur la partie centrale de l'arbre est résistant aux contraintes mécaniques et thermiques subies par le rotor. De plus, il n'est plus nécessaire d'utiliser de la colle. 3046306 3 Un troisième aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un arbre de rotor selon le premier aspect de l'invention, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : fournir un arbre s'étendant selon un axe longitudinal ; 5 usiner l'arbre de manière à former une partie centrale disposée entre une première partie extrême et une deuxième partie extrême, la partie centrale présentant une section transversale orthogonale à l'axe longitudinal de forme polygonale ; chauffer l'arbre ; appliquer à l'arbre une torsion de manière à ce que la partie centrale forme une vrille autour de l'axe longitudinal selon un angle de rotation prédéterminé. Dans un premier mode de mise en oeuvre du procédé, l'arbre fourni est une barre présentant une section transversale de forme polygonale, l'étape d'usinage de l'arbre comportant une opération de tournage de portées cylindriques dans la 15 première partie extrême et/ou dans la deuxième partie extrême. Dans un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, l'arbre fourni est une barre cylindrique, l'étape d'usinage de l'arbre comportant les opérations suivantes : façonner la partie centrale ; tourner au moins une partie extrême de manière à ce qu'elle présente un 20 diamètre inférieur aux dimensions de la section transversale de la partie centrale. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. 25 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'un arbre de rotor d'une machine 30 tournante, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une superposition de deux vues en coupe transversale de l'arbre de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique d'un rotor de machine tournante comportant l'arbre de la figure 1 ; 3046306 4 - la figure 4 est une vue schématique à plat d'une tôle du rotor de la figure 3 ; - la figure 5 est un diagramme fonctionnel représentant les différentes étapes d'un procédé de fabrication de l'arbre de rotor de la figure 1, selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. 5 Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur toutes les figures. 10 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION La figure 1 est une vue schématique d'un arbre de rotor 100 d'une machine électrique tournante, selon un mode de réalisation de l'invention. L'arbre 100 s'étend selon un axe longitudinal X et comporte une partie centrale 101 disposée entre une première partie extrême 102a et une deuxième partie extrême 102b. 15 La partie centrale 101 de l'arbre 100 est destinée à recevoir un bobinage du rotor comportant des tôles empilées. Elle présente une longueur L et une section transversale orthogonale à l'axe longitudinal X de forme polygonale. De préférence, la section transversale de la partie centrale 101 de l'arbre 100 est carrée. La section transversale de la partie centrale 101 présente des dimensions constantes sur la 20 longueur L de la partie centrale 101. La partie centrale 101 de l'arbre 100 forme une vrille autour de l'axe longitudinal X selon un angle de rotation a prédéterminé, de préférence strictement supérieur à 0° et inférieur ou égal à 15°, comme illustré sur la figure 2 qui montre une première section transversale 51 de l'arbre 100 prise au niveau de l'interface entre la 25 première partie extrême 120a et la partie centrale 101 superposée avec une deuxième section transversale 52 de l'arbre 100 prise au niveau de l'interface entre la deuxième partie extrême 102b et la partie centrale 101. Ces deux sections transversales 51, 52 sont des images l'une de l'autre pivotés de l'angle de rotation a. Les parties extrêmes 102a, 102b de l'arbre 100 sont des portées cylindriques 30 destinées à recevoir des paliers de roulement qui permettent la rotation du rotor. Au moins une des parties extrêmes 102a, 102b, et de préférence les deux, présente une section transversale ayant un diamètre D inférieur aux dimensions de la section transversale de la partie centrale 101 de l'arbre 100 afin de permettre le passage des tôles du bobinage. 3046306 5 La figure 3 est une vue schématique d'un rotor 300 d'une machine électrique tournante comportant l'arbre 100 décrit précédemment. Le rotor 300 comporte également un bobinage 310 comprenant des tôles 320 empilées sur la partie centrale 101 de l'arbre 100. Les tôles 311 comportent des encoches 321 disposées 5 circonférentiellement, comme illustré sur la figure 4. Les tôles 311 sont réalisées dans un matériau présentant des propriétés ferromagnétiques spécifiques, tel que le fer doux ou l'anhyster. Sur la figure 3, le bobinage 310 comporte des cavités 311, formées par les encoches 321 des tôles 320 empilées, dans lesquelles sont enroulés des fils 10 métalliques conducteurs, par exemple en cuivre. Les cavités 311 s'étendent selon un axe incliné par rapport à l'axe longitudinal X d'un angle 9 correspondant à l'angle de rotation a de la vrille formée par la partie centrale 101 de l'arbre 100. Le bobinage 310 présente deux extrémités 312a, 312b, appelés chignons, où les fils métalliques s'enchevêtrent. A côté d'un chignon, un collecteur de courant 330 15 est assemblé par frettage sur l'arbre 100. Le collecteur de courant 330 comporte des lames métalliques, généralement en cuivre, auxquelles sont raccordés les fils métalliques. Une vue à plat d'une tôle 320 est illustré sur la figure 4. Les tôles 320 comportent une ouverture centrale 324 présentant une forme polygonale 20 complémentaire à celle de la section transversale de la partie centrale 101 de l'arbre 100. Dans le mode réalisation décrit, l'ouverture 324 des tôles 320 est carrée. Ainsi, grâce à l'invention, le bobinage 310 du rotor 300 est bloqué en rotation sur l'arbre 100 du rotor. En effet, pour former le bobinage 310, les tôles 320 sont assemblées par empilage, l'arbre 100 traversant l'ouverture 324 des tôles 320. La 25 section transversale de la partie centrale 101 de l'arbre 100 et celle de l'ouverture 324 des tôles 320 ayant des formes polygonales complémentaires, les tôles 320 ne peuvent pas tourner par rapport à l'arbre 100. Contrairement à la colle, ce type de montage est résistant à des contraintes thermiques, comme une élévation de température, et mécaniques, telles que des vibrations ou le couple exercé par la 30 rotation du rotor 300. La figure 5 est un diagramme fonctionnel représentant les différentes étapes d'un procédé 500 de fabrication de l'arbre de rotor 100 précédemment décrit, selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. L'arbre 100 est initialement une barre 3046306 6 s'étendant selon l'axe longitudinal X, fournie au cours d'une étape E1. La barre est de préférence en métal. Au cours d'une étape E2, l'arbre 100 est usiné pour former la partie centrale 101 ayant une section transversale de forme polygonale, ainsi que les parties s extrêmes 102, 102b ayant une section transversale de forme circulaire. Dans un premier mode de mise en oeuvre, la barre fournie à l'étape El présente initialement une section transversale polygonale, et de préférence carrée, aux dimensions souhaitées. L'étape E2 d'usinage de l'arbre 100 comporte alors une opération de tournage de portées cylindriques dans les parties extrêmes 102a, 102b 10 destinées à recevoir le collecteur de courant 330 et les paliers de roulement. Dans un deuxième mode de mise oeuvre, la barre fournie à l'étape El présente initialement une section transversale circulaire. L'étape E2 d'usinage de l'arbre 100 comporte alors une opération de façonnage de la partie centrale 101 pour lui donner une section transversale de forme polygonale. Cette étape E2 d'usinage 15 comporte également une opération de tournage d'au moins une partie extrême, et de préférence les deux, de manière à ce que le diamètre de la partie extrême soit inférieur aux dimensions de la section transversale de la partie centrale 101 de l'arbre 100. Cela permet aux tôles 320 du bobinage 310 de passer la partie extrême pour être empilées sur la partie centrale 101 de l'arbre 100. 20 L'arbre 100 est ensuit chauffé, au cours d'une étape E3, puis soumis, au cours d'une étape E4, à une torsion de manière à vriller la partie centrale 101 autour de l'axe longitudinal X selon l'angle de rotation a. Naturellement l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du 25 cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Arbre de rotor (100) s'étendant selon un axe longitudinal (X), l'arbre comportant une partie centrale (101) disposée entre une première partie extrême s (102a) et une deuxième partie extrême (102b), la partie centrale étant destinée à recevoir un empilement de tôles (320), l'arbre étant caractérisé en ce que : la partie centrale présente une section transversale orthogonale à l'axe longitudinal de forme polygonale ; la partie centrale forme une vrille autour de l'axe longitudinal selon un angle de rotation (a) prédéterminé. 2. Arbre de rotor (100) selon la revendication 1 dans lequel la section transversale de la partie centrale est de forme carrée. 3. Arbre de rotor (100) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 dans lequel la première partie extrême (102a) présente une section transversale 15 orthogonale à l'axe longitudinal de forme circulaire. 4. Arbre de rotor (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la deuxième partie extrême (102b) présente une section transversale orthogonale à l'axe longitudinal de forme circulaire. 5. Rotor (300) de machine électrique tournante caractérisé en ce qu'il comporte 20 un arbre de rotor (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et une pluralité de tôles (320) empilées sur la partie centrale (101) de l'arbre, chaque tôle comportant des encoches (321) disposées circonférentiellement et une ouverture centrale (324) présentant une forme polygonale complémentaire à celle de la section transversale de la partie centrale de l'arbre, les encoches des tôles empilées formant 25 des cavités (311) s'étendant selon un axe incliné par rapport à l'axe longitudinal d'un angle (0) correspondant à l'angle de rotation (a) de la vrille formée par la partie centrale de l'arbre. 6. Procédé (500) de fabrication d'un arbre de rotor (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les 30 étapes suivantes : fournir un arbre (El ) s'étendant selon un axe longitudinal (X) ; usiner l'arbre (E2) de manière à former une partie centrale (101) disposée entre une première partie extrême (102a) et une deuxième partie extrême 3046306 s (102b), la partie centrale présentant une section transversale orthogonale à l'axe longitudinal de forme polygonale ; - chauffer l'arbre (E3) ; - appliquer à l'arbre une torsion (E4) de manière à ce que la partie centrale forme une vrille autour de l'axe longitudinal selon un angle de rotation (a) prédéterminé. 7. Procédé (500) de fabrication selon la revendication 6 dans lequel l'arbre (100) fourni est une barre présentant une section transversale de forme polygonale, l'étape d'usinage de l'arbre (E2) comportant une opération de tournage de portées cylindriques dans la première partie extrême (102a) et/ou dans la deuxième partie extrême (102b). 8. Procédé (500) de fabrication selon la revendication 6 dans lequel l'arbre (100) fourni est une barre cylindrique, l'étape d'usinage de l'arbre (E2) comportant les opérations suivantes : façonner la partie centrale (101) ; tourner au moins une partie extrême (102a, 102b) de manière à ce qu'elle présente un diamètre (D) inférieur aux dimensions de la section transversale de la partie centrale.