Brevet FR3037734A1 — publié le 20161223

Rotor à tôles empilées La présente invention concerne un rotor pour machine électrique tournante synchrone à aimants permanents, par exemple des moteurs électriques sans balais. Ces machines tournantes se composent en pratique essentiellement d'un stator comportant un bobinage alimenté en triphasé, générant par conséquent un champ magnétique tournant à la fréquence d'alimentation, et d'un rotor au niveau duquel le champ magnétique est produit par des aimants permanents. En reprenant l'exemple ci-dessus, utilisé à titre préférentiel mais non exclusif dans la suite, les moteurs sans balais présentent de nombreux avantages dans nombre d'applications, par comparaison avec les autres moteurs à courant continu aussi bien qu'avec les moteurs asynchrones. Ils suppriment en particulier tous les inconvénients des moteurs à courant continu classiques résultant des contacts mécaniques entre balais et collecteur, comme les problèmes de commutation, le défrettage ou l'usure au niveau des balais ou des frettes. La durée de vie des machines tournantes sans balais s'en trouve notablement augmentée. Par ailleurs, le rotor à aimants permanents fixés sur la périphérie entraîne une réduction de l'inertie par rapport à celle qui existe dans une machine équivalente à rotor bobiné. C'est un paramètre intéressant notamment en termes de rendement, en particulier dans les phases de démarrage et d'accélération. Thermiquement, ces moteurs sont également avantageux, le refroidissement étant plus immédiat puisque les pertes joules n'existent qu'au niveau du stator, où elles sont plus faciles à évacuer. D'une manière générale, à performances égales, leur rendement est meilleur que celui des autres machines, pour un encombrement qui est en général moindre. Leur simplicité d'utilisation, et notamment la possibilité de variation de la vitesse de rotation par simple variation de la tension d'alimentation, fait qu'aujourd'hui les machines tournantes sans balais sont largement utilisées dans de nombreux domaines. Elles y concurrencent de fait les machines tournantes asynchrones, dont elles présentent la robustesse et un coût équivalent sans en avoir certaines limitations, notamment au démarrage et en termes de performances brutes. Dans les machines sans balais, une pluralité d'aimants en forme de plaquette est fixée, par exemple par collage, sur le moyeu du rotor. Pour mémoire, bien que dans la plupart des cas le rotor de telles machines est placé à l'intérieur du stator, la 3037734 2 configuration inverse, rotor à l'extérieur, existe aussi. Les plaquettes des aimants sont fixées sur la surface interne du moyeu s'il s'agit d'un rotor externe ou sur la surface externe s'il s'agit d'un rotor interne. 5 Le moyeu, dans un rotor interne, est classiquement usiné par décolletage d'un barreau métallique, c'est-à-dire au moyen d'une opération de tournage contraignante. La surface cylindrique obtenue à l'issue du décolletage constitue le support sur lequel les aimants sont fixés. Cette technologie de fabrication permet certes d'obtenir des solides de révolution en principe adéquats pour cet usage, mais sans grande latitude 10 quant aux formes finales possibles, sauf à rendre les opérations d'usinage encore plus contraignantes et en alourdissant sensiblement les coûts de production. Dans le domaine des machines tournantes, dont le fonctionnement repose sur l'établissement permanent de circuits magnétiques entre le stator et le rotor, 15 l'utilisation de culasses en matériau massif pose en outre le problème des courants induits. Ces courants dits de Foucault sont générés dans les masses pleines des pièces magnétiques, comme par exemple le rotor dans une application à une machine électrique tournante, et induisent des pertes dommageables en termes de rendement. 20 La présente invention propose une solution qui remédie aux insuffisances précitées, dont on a vu qu'elles sont principalement liées à la technologie de fabrication en usage et au type de rotor qui en résulte. Ainsi, le rotor pour machine électrique tournante à aimants permanents selon 25 l'invention, rotatif autour d'un axe central longitudinal et comprenant classiquement une pluralité d'aimants permanents fixés sur un moyeu, se distingue en ce que ledit moyeu comporte un empilement de tôles solidarisées les unes aux autres, les aimants permanents étant fixés sur une surface périphérique du moyeu. 30 L'utilisation de tôles est avantageuse à plusieurs égards : en premier lieu, elles sont en général fabriquées par découpage, procédé qui permet de définir les formes extérieures de manière extrêmement souple pour un coût peu élevé, qui ne diffère d'ailleurs pas sensiblement selon la diversité, voire la complexité des profils à découper. L'empilement des tôles conduit en second lieu à un feuilletage du moyeu qui 35 limite la circulation des courants de Foucault, et par conséquent l'échauffement du circuit magnétique. Le rendement global du moteur s'en trouve amélioré, et il devient corollairement possible de diminuer son dimensionnement. La diminution de l'encombrement peut s'avérer un avantage précieux dans certaines applications, par 3037734 3 exemple lorsqu'un moteur d'entrainement doit être inséré dans un environnement tubulaire dont le diamètre est prévu dans un intervalle d'amplitude limitée. C'est le cas notamment pour l'entraînement de volets roulants, lorsque le moteur est placé dans le conduit tubulaire, ou moyeu, autour duquel est enroulé le volet. 5 Plus précisément, selon l'invention, les profils périphériques des tôles constituent, après empilement constitutif du moyeu, des repères de positionnement des aimants permanents. 10 Les tôles de faible épaisseur qui sont utilisées peuvent être découpées par emboutissage et, comme évoqué auparavant, il devient possible de réaliser des profils très variés, notamment en périphérie des formes découpées. Compte tenu des jeux fonctionnels, et de la dispersion dimensionnelle à l'issue de la fabrication des aimants, les repères issus des profils des tôles servent de référentiels de positionnement pour 15 permettre une répartition homogène des aimants sur la périphérie du rotor, indépendamment de la géométrie desdits aimants, comme on le verra plus en détail dans la suite. L'idée est de prévoir que le profil de découpe externe de chaque tôle conduise à 20 l'obtention, après assemblage, d'une division de la surface périphérique du moyeu permettant de positionner le plus précisément possible les aimants permanents en vue de leur fixation. La précision de placement des aimants qui résulte de cette caractéristique représente un avantage considérable, d'abord sur un plan mécanique car plus le positionnement est précis, plus la symétrie circulaire du solide de révolution 25 qu'est le rotor est garantie, et plus le fonctionnement rotatif est fluide. On évite ainsi, autant que possible, tout déplacement parasite de l'axe d'inertie causé par un déséquilibre massique, générant un balourd indésirable se traduisant par un moment d'inertie dégradant la qualité de la rotation. 30 Pour ce qui concerne le fonctionnement électromagnétique, la précision de positionnement née de l'existence de ces logements a également une incidence importante en ce qu'elle touche à la structure instantanée des circuits magnétiques, et permet un positionnement parfaitement réparti et régulier des pôles magnétiques, participant de ce fait aussi à l'amélioration de la qualité de rotation du rotor. 35 De préférence, les tôles présentent un profil périphérique identique comportant une pluralité de reliefs aboutissant à la création de nervures axiales lorsque les tôles sont empilées, au moins un aimant permanent étant positionné dans un espace constitué 3037734 4 entre deux nervures adjacentes, le ou les aimants de chaque espace étant positionné(s) à l'identique dans chaque espace. Dans cette configuration, les aimants ont une géométrie plutôt allongée, et se 5 présentent sous forme de plaquettes incurvées d'allure « rectangulaire », en une seule pièce ou constituées de plusieurs pièces alignées, voire aboutées parallèlement aux nervures. Plus précisément, dans chaque espace, le ou les aimants constituent un tuile dont la face concave interne est de même rayon de courbure que la surface périphérique du moyeu sur laquelle il repose, le même côté latéral de chaque tuile 10 étant plaqué au contact de la nervure située du même côté de chaque espace. Dans cette configuration, la section transversale des aimants est pour l'essentiel une portion de couronne. L'aide au positionnement réalisée par les nervures est alors assurée principalement dans des directions tangentielles au rotor, les nervures permettant un guidage initial plutôt d'allure radiale et assurant un rôle de butées « transversales » 15 (tangentielles) pour leur maintien ultérieur en bonne position. Les nervures et les aimants permanents conformés en tuile comportent au moins une face latérale plane de même orientation lorsque l'aimant est en butée au fond de l'espace axial délimité entre deux nervures adjacentes. Les tuiles sont positionnées au 20 contact d'une telle face latérale d'une des deux nervures délimitant l'espace axial de réception des aimants, toujours du même côté. Le jeu fonctionnel nécessaire à l'implantation des aimants ne doit pas entraver le caractère homogène de leur répartition, et on choisit en d'autres termes de plaquer au moment du montage tous les aimants contre la nervure placée du même côté de l'espace dans lequel ils sont 25 disposés, exclusivement vers la droite ou exclusivement vers la gauche, selon le cas. Cet agencement vise également à minimiser les disparités résultant de la dispersion dimensionnelle à la fabrication. Ces nervures peuvent par exemple avoir une section d'allure triangulaire ou 30 trapézoïdale, dont les faces latérales ont une orientation d'allure radiale. De préférence encore, la hauteur des nervures, considérée dans une direction radiale, est inférieure à l'épaisseur des aimants, prise dans une direction également radiale. Dans ce cas, le positionnement/calage périphérique des aimants permanents ne 35 s'effectue qu'au niveau de la base des aimants, à l'endroit du contact avec la face latérale de même orientation des nervures axiales, toujours du même côté des logements délimités entre deux nervures adjacentes. 3037734 5 Pour donner au rotor son caractère construit d'unité solide, qui ne résulte plus directement de la fabrication comme c'était le cas lorsqu'il était obtenu par décolletage, il faut que les tôles qui le constituent soit assemblées puis fixées. Selon l'invention, elles sont perforées de trous traversants, le moyeu comprenant au moins 5 un axe d'assemblage traversant l'ensemble des tôles empilées. Un axe d'assemblage du rotor peut à cet égard et préférentiellement être un arbre central, relié bloqué en rotation aux tôles empilées, et qui devient en réalité l'arbre d'entraînement du moteur. Cet arbre central apporte de plus une rigidité supplémentaire à l'empilement de tôles. Une variante à agrafes générées directement dans les tôles est également possible 10 pour l'assemblage du moyeu du rotor. Plus précisément, chaque tôle peut alors comporter une ou plusieurs agrafes venue(s) d'une seule pièce avec ladite tôle en vue de sa fixation à au moins une autre tôle. L'invention concerne également une machine électrique tournante comprenant un 15 rotor tel que décrit ci-dessus. De manière très avantageuse, selon l'invention, les tôles du rotor peuvent être découpées dans le noyau central résiduel d'une tôle utilisée pour la découpe d'au moins une pièce en couronne entrant dans la constitution du stator. La pièce rotorique est alors issue de la partie entourée par la couronne. 20 Cela procure une économie substantielle à la fabrication, comme on le verra plus en détail dans la suite. Enfin, l'invention concerne l'utilisation d'une telle machine électrique tournante pour l'entraînement d'un volet roulant motorisé. L'optimisation de rendement permise par 25 la structure du rotor objet de l'invention et la réduction dimensionnelle qui en résulte pour des puissances équivalentes rend l'invention particulièrement adaptée à ce domaine, dans lequel le critère d'encombrement est fondamental. Il doit en effet être possible de loger ce moteur dans une structure tubulaire de 30 diamètre réduit, en l'espèce le moyeu tubulaire autour duquel le volet est enroulé. L'invention va à présent être décrite en référence aux figures annexées, qui en représentent un exemple de configuration possible, et pour lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective du noyau magnétique à tôles empilées 35 d'un rotor selon l'invention, aimants non représentés ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un rotor interne selon l'invention ; et - la figure 3 est une vue en section du rotor de la figure précédente. 3037734 6 Dans tout le document, l'axe longitudinal de la machine est en fait l'axe de rotation du rotor. La longueur du rotor est mesurée selon cet axe, et un angle est mesuré par une rotation selon l'axe longitudinal. 5 Le rotor de l'invention comporte un moyeu (15) formé d'un empilement de tôles (10), représenté par exemple en figure 1, les tôles (10) qui le constituent, toutes de même section, apparaissant particulièrement clairement en figure 3. Ces tôles sont revêtues d'une pluralité d'aimants (11) identiques, qui sont représentés en figures 2 et 3, et sont fixés sur la périphérie du moyeu (15). Les aimants (11) sont 10 des aimants permanents, par exemple en ferrite. Ils ont en pratique la forme de plaquettes de quelques millimètres d'épaisseur et sont en l'occurrence des tuiles de forme concave épousant la convexité correspondante de la surface périphérique (16) du moyeu (15), dans les emplacements qui leur sont dévolus. 15 Selon l'invention, le moyeu (15) du rotor comprend, sur sa surface périphérique (16), une pluralité de nervures axiales (20) agencées pour servir de moyens de positionnement/calage des aimants (11). Dans la configuration représentée aux différentes figures, ceci se traduit par l'existence de dents qui font saillie sur la périphérie circulaire des tôles (10) et qui, mises dans le prolongement de dents 20 identiques des autres tôles (10) formant le moyeu (15), créent des nervures axiales (20) (voir en particulier en figure 1). Dans l'exemple illustré par les figures, le rotor est un rotor interne. Son moyeu (15), bien visible en figure 1, est cylindrique et présente six nervures (20) régulièrement 25 réparties sur sa surface périphérique. Lesdites nervures (20) sont distantes l'une de l'autre d'un angle de 60°. Le nombre de nervures (20), et par conséquent le nombre d'aimants (11), peut bien sûr être modifié. Dans la configuration illustrée, les nervures (20), ou les dents des tôles (10) 30 individuelles, ont une forme sensiblement trapézoïdale, et leur hauteur est inférieure à l'épaisseur des plaquettes aimantées (11). Les chants latéraux des aimants (11) présentent dans ce cas deux faces (13, 14) séparées par une arête axiale. L'orientation des faces des nervures de section trapézoïdale, en combinaison avec l'existence, l'orientation et la largeur de ces faces (13, 14), permet un positionnement 35 extrêmement précis des aimants (11). Le logement formé entre deux nervures (20) adjacentes autorise un centrage initial des aimants (11) du fait de l'orientation évasée des faces latérales des nervures (20) symétriques par rapport à un plan médian passant par l'axe longitudinal du rotor et par la ligne axiale médiane du logement, 3037734 7 orientation qui correspond à celles des faces latérales (13) des aimants (11) proximales de la surface cylindrique (16) du moyeu (15), ce qui permet à l'aimant (11) de s'auto-centrer dans un premier temps dans la forme interne des logements. 5 Le positionnement ou calage final des aimants (11) est obtenu par contact d'une des deux faces latérales (13) de chaque aimant (11) contre la face latérale d'une des deux nervures (20) constituant un logement, toujours la même nervure (20) relativement au logement, c'est-à-dire toujours la nervure (20) de droite ou toujours la nervure de gauche du logement, selon le cas. En prenant la représentation des figures 2 et 3, les 10 aimants permanents (11) sont par exemple tous au contact de la nervure (20) de gauche de chaque logement. Le moyeu (15) comprenant une pluralité de tôles empilées (10), celles-ci doivent être solidarisées pour qu'il constitue une unité solide à laquelle fixer les aimants (11), de 15 manière à former un moyeu unitaire (15) tel que celui qui apparaît par exemple en figure 1. Les tôles sont perforées à cet effet, chacune présentant des trous (17, 18) formant après assemblage un ou plusieurs conduits tubulaires traversants, parcourant axialement le moyeu (15). Ce dernier comprend ensuite au moins un axe d'assemblage (12) (voir en particulier en figure 2) traversant l'ensemble des tôles (10) 20 pour les solidariser. Quel que soit le type de rotor, externe ou interne, on peut prévoir plusieurs axes d'assemblage répartis au voisinage du pourtour du rotor, et traversant les tôles à travers les trous (17) : trois trous (17) sont en l'occurrence prévus pour trois axes sur les figures 1 et 3. Dans le cas d'un rotor interne, on peut prévoir, à la place ou en complément, un arbre central (12) porteur traversant les tôles à travers 25 un trou central (18), qui a d'une part éventuellement une fonction d'assemblage en vue du maintien empilé des tôles et forme d'autre part et principalement l'arbre de rotation et d'entrainement du rotor. Alternativement ou en complément, les tôles (10) du rotor peuvent également être assemblées au moyen d'agrafes générées directement dans les tôles (10) (non représentées). 30 Ce mode de réalisation du moyeu (15) est particulièrement avantageux. En effet, la découpe des tôles (10) par emboutissage permet de réaliser aisément les nervures (20) sur la paroi périphérique (16) du moyeu (15), ainsi que les orifices et trous (17, 18) intérieurs. Également, la découpe des tôles (10) du rotor peut être faite dans les 35 chutes intérieures de découpe de tôles statorique, l'ensemble des découpes s'effectuant alors de préférence en une seule opération. 3037734 8 Ce mode de réalisation du rotor par tôles minces empilées est donc doublement avantageux, d'abord par sa souplesse, les configurations à obtenir étant très aisément modifiables et adaptables du fait des avantages propres à la fabrication par découpage/emboutissage, laquelle permet ensuite une optimisation des coûts par 5 rapport à des technologies d'usinage classiques, par une possibilité de production simultanée ou quasi simultanée des tôles rotoriques et statoriques. L'invention ne se limite pas aux exemples illustrés par les figures annexées, elle englobe les variations qui résultent implicitement ou explicitement du contenu ci-10 dessus, notamment les variations de forme et de nombre pour les nervures, les trous et conduits traversants, pour la forme des tôles, etc. REVENDICATIONS1. Rotor pour machine électrique tournante synchrone à aimants permanents (11), rotatif autour d'un axe central longitudinal et comprenant une pluralité d'aimants permanents (11) fixés sur un moyeu (15), caractérisé en ce que le moyeu (15) comporte un empilement de tôles (10) solidarisées les unes aux autres, les aimants permanents (11) étant fixés sur une surface périphérique (16) du moyeu (15). 2. Rotor selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les profils périphériques des tôles (10) constituent, après empilement constitutif du moyeu (15), des repères (20) de positionnement des aimants permanents (11). 3. Rotor selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les tôles présentent un profil périphérique identique comportant une pluralité de reliefs aboutissant à la création de nervures axiales (20) lorsque les tôles (10) sont empilées, au moins un aimant permanent (11) étant positionné dans un espace constitué entre deux nervures (20) adjacentes, le ou les aimants de chaque espace étant positionné(s) à l'identique dans chaque espace. 4. Rotor selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, dans chaque espace, le ou les aimants (11) constituent un tuile dont la face concave interne est de même rayon de courbure que la surface périphérique (16) du moyeu (15) sur laquelle il repose, le même côté latéral de chaque tuile étant plaqué au contact de la nervure (20) située du même côté de chaque espace. 5. Rotor selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les nervures (20) et les aimants permanents (11) conformés en tuile comportent au moins une face latérale plane (13) de même orientation lorsque l'aimant (11) est en butée au fond de l'espace délimité entre deux nervures (20) adjacentes. 6. Rotor selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les nervures (20) ont une section d'allure triangulaire ou trapézoïdale. 7. Rotor selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la hauteur des nervures (20), considérée dans une direction radiale, est inférieure à l'épaisseur des aimants (11), prise dans une direction également radiale. 3037734 10 8. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tôles sont perforées de trous traversants (17, 18), le moyeu (15) comprenant au moins un axe d'assemblage (12) traversant l'ensemble des tôles (10) empilées. 5 9. Rotor selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un axe d'assemblage est un arbre central (12) relié bloqué en rotation aux tôles (10) empilées. 10. Rotor selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque tôle (10) comporte une ou plusieurs agrafes venue(s) d'une seule pièce avec 10 ladite tôle (10) en vue de sa fixation à au moins une autre tôle (10). 11.Machine électrique tournante comprenant un rotor selon l'une des revendications précédentes. 12. Machine électrique tournante selon la revendication précédente comportant un stator et un rotor comportant des tôles empilées, caractérisée en ce que le 15 rotor est constitué de tôles découpées dans le noyau central résiduel d'une tôle utilisée pour la découpe d'au moins une pièce en couronne entrant dans la constitution du stator. 13. Utilisation d'une machine électrique tournante selon l'une des revendications 11 et 12 pour l'entrainement d'un moyeu de volet roulant motorisé. 20