Brevet FR3069734A1 — publié le 20190201

ROTOR A CAGE INJECTEE La présente invention concerne les machines tournantes électriques et plus particulièrement les rotors de telles machines. Arrière-plan Les moteurs électriques asynchrones comportent, de façon conventionnelle, un paquet de tôles magnétiques traversé par des encoches. De l'aluminium est injecté sous pression pour former des barres qui sont reliés à l'extérieur du paquet de tôles par des anneaux de court-circuit. Pour améliorer les performances électriques, il peut s'avérer intéressant de diminuer encore la résistivité électrique des barres en remplaçant l'aluminium par du cuivre. Toutefois, la température de fusion du cuivre étant bien supérieure à celle de l'aluminium, il devient difficile d'injecter du cuivre dans les encoches. Une solution connue consiste ainsi à introduire des barres conductrices en cuivre dans les encoches et à injecter de l'aluminium sous pression pour remplir l'espace laissé libre à l'intérieur des encoches par les barres. La demande W02011015494 divulgue un rotor comportant un paquet de tôles inclinés. Les demandes W02011020718, W02010100007, W02009038678, US2011291516, W02014067792, W02015071156, W02012041943, JPH10234116, CN1925280, JPH11206080, JP2005278373 et JPH1028360 décrivent des rotors dont le paquet de tôles comporte des encoches recevant des barres de cuivre et dans lesquelles de l'aluminium est injecté sous pression. Il existe un besoin pour améliorer encore les performances des machines électriques tournantes. Résumé L'invention a pour objet un rotor de machine électrique tournante, comportant : - un paquet de tôles magnétiques définissant des encoches présentant chacune, en vue perpendiculaire à l'axe de rotation, des premier et deuxième grands côtés opposés, orientés sensiblement radialement, - des barres d'un premier matériau électriquement conducteur reçues dans les encoches, occupant seulement une portion de la section des encoches et venant chacune en appui pour au moins une partie de leur longueur sur un seul desdits grands côtés à la fois, ménageant avec la face opposée un espace, et 2 - un deuxième matériau électriquement conducteur, différent du premier, injecté dans les encoches et présent dans ledit espace. Par rapport à la solution divulguée dans la demande WO 20110154594, la section de la barre de cuivre permet une inclinaison du paquet de tôles sans contraindre en 5 cisaillement la barre ou avec une moindre contrainte. Une barre droite permet d'éliminer les courants inter-barres classiques et les pertes qui y sont associées. Lors du montage, par exemple par emmanchement, du paquet de tôles avec les barres libres dans leurs encoches sur un mandrin incliné, il y a effort de cisaillement des barres contribuant à leur maintien au sein du paquet et une déformation partielle suivant 10 l'inclinaison souhaitée. C'est ainsi que chaque barre est au contact seulement d'un grand côté de l'encoche à ses extrémités. Les barres présentent deux faces principales opposées qui viennent chacune en appui sur un grand côté respectif d'une encoche. Les barres ont par exemple en section transversale une forme sensiblement trapézoïdale. 15 Le jeu de montage libre qui aide à l'inclinaison du paquet de tôles, c'est-à-dire le jeu, mesuré dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, entre le côté de l'encoche opposé à celui sur lequel la barre vient en appui par une face principale et l'autre face principale de la barre, est de préférence compris entre 0,5mm et 1 Omm aux extrémités longitudinales des barres. Ce jeu peut être modifié en fonction de la dimension de la machine 20 et celle de l'encoche. Les barres peuvent ménager chacune dans au moins une section transversale, avec le grand côté de l'encoche opposé à celui avec lequel elle vient en appui, un jeu de largeur constante. Toutes les barres peuvent venir dans une section transversale du paquet de tôles 25 au moins, en appui contre les premiers grands côtés des encoches. Les tôles peuvent être empilées sur un même-arbre avec une inclinaison variable permettant d'optimiser le taux d'harmoniques de couple produit par la machine électrique ainsi réalisée. Le paquet de tôles peut être ainsi vrillé de façon non uniforme. Par exemple, le décalage angulaire entre deux tôles peut être différent selon la position des tôles sur le long de 30 l'axe de rotation du rotor. De préférence, les barres ne sont pas initialement déformées avant leur installation dans les encoches. Les encoches peuvent être hélicoïdales. 3 Le deuxième matériau peut remplir toute la section des encoches à l'extérieur des barres. L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'un rotor de machine électrique tournante, notamment tel que défini ci-dessus, comportant les étapes consistant à: 5 - fabriquer par poinçonnage ou au laser des tôles magnétiques du rotor, - former le paquet de tôles du rotor en superposant les tôles magnétiques, - insérer des barres du premier matériau dans les encoches du paquet de tôles, décaler angulairement les tôles afin de provoquer un cisaillement et/ou une déformation partielle des barres présentes dans les encoches, 10 - injecter le deuxième matériau dans les encoches. Description des figures D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention pourront ressortir à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : 15 - la figure 1 est une coupe axiale schématique et partielle d'un exemple de rotor selon l'invention, - les figures 2A à 2C représentent en vue partielle, des coupes selon les plans A-A, B-B et C-C du rotor de la figure 1, les figures 3 et 4 représentent un détail de réalisation d'encoche, 20 - les figures 5 et 6 représentent des variantes de cage de rotor, et - la figure 7 représente de façon schématique, en section axiale, une variante de réalisation de rotor selon l'invention. Rotor On a représenté à la figure 1 un rotor 1 selon l'invention. Ce rotor 1 comporte un 25 paquet 2 de tôles magnétiques 113, montées sur un arbre 9, par exemple en acier, d'axe X. Le paquet 2 est formé par la superposition de tôles magnétiques 113 dans lesquelles sont découpés des ajours 3. La superposition des ajours 3 des tôles 113 forme, au sein du paquet 2, des encoches 4 qui s'étendent longitudinalement d'une extrémité axiale du paquet 2 à l'autre. Les 30 encoches 4 peuvent être droites, c'est-à-dire que toutes les tôles 113 sont exactement superposées sans décalage angulaire d'une tôle 113 à la suivante. Toutefois, de préférence, les tôles 113 sont superposées en étant décalées angulairement légèrement d'une tôle à la suivante de telle sorte que les axes longitudinaux des encoches 4 suivent un trajet hélicoïdal autour de l'axe de rotation du rotor, de façon connue en soi. 4 Dans l'exemple illustré, toutes les tôles 113 sont identiques et les ajours 3 le sont également, de sorte que le paquet 2 comporte des encoches 4 identiques. Dans des variantes, le paquet 2 est formé par assemblage de tôles 113 qui ne sont pas rigoureusement toutes identiques en vue de face, de l'avant du paquet 2, de sorte que la section d'une encoche 4 peut 5 présenter une forme qui varie lorsque l'on se déplace de l'extrémité avant de l'encoche 4 à l'extrémité arrière. Le rotor 1 comporte des barres 10 en cuivre, introduites dans les encoches 4, et un matériau 20 tel que de l'aluminium, injecté dans les encoches 4 dans l'espace laissé libre par les barres 10. 10 Des anneaux de court-circuit 120 et 130 sont moulés en aluminium aux extrémités du paquet de tôles 2. Ces anneaux 120 et 130 sont d'une seule pièce avec l'aluminium coulé dans les encoches 4. Conformément à l'invention, les barres 10 occupent seulement une portion de la section des encoches 4. 15 Dans les exemples illustrés, les barres 10 ont en section transversale une forme sensiblement trapézoïdale et viennent en appui, pour au moins une partie de leur longueur /, chacune sur l'un des grands côtés 4a d'une encoche 4 par l'une ou l'autre des faces principales 11. Comme illustré à la figure 2A, les barres peuvent ménager chacune dans au moins 20 une section transversale, avec le grand côté de l'encoche opposé à celui avec lequel elle vient en appui, un intervalle d de largeur constante. Au moins une partie des ajours peuvent présenter sur l'un des grands côtés opposés 4a des encoches des reliefs 5, les barres 10 venant en appui par au moins une face principale 11 contre lesdits reliefs. Les tôles 113 peuvent présenter des reliefs sur l'un et/ou 25 l'autre des grands côtés selon leur position le long l'axe de rotation du rotor. Les reliefs 5 peuvent, en diminuant la surface de contact entre les barres 10 et les tôles, réduire les courants inter-barres circulant dans les tôles et la perte d'énergie correspondante par effet Joule. Ces reliefs 5 peuvent être réalisés très précisément lors du découpage des tôles, et 30 permettent une plus grande tolérance de fabrication des barres. Les reliefs peuvent se présenter sous la forme de bossages, s'étendant de préférence sur sensiblement toute la dimension radiale d'une barre 10. 5 Les bossages 5 peuvent présenter une amplitude h comprise entre 0,2 et 0,4 mm, par exemple de 0,3mm, et le rayon de courbure R à leur sommet est par exemple compris entre 0,4 et 0,6mm, étant par exemple de 0,5mm, comme illustré à la figure 2A. Encoches avec reliefs de blocage 5 Comme illustré à la figure 2A à 2C, les encoches peuvent présenter au moins un relief de blocage 30 venant en appui contre une face d'extrémité radialement extérieure d'une barre 10 correspondante, mieux deux tels reliefs opposés 30 venant chacun en appui contre la même face d'extrémité. Barres creuses 10 Une ou plusieurs des barres peuvent être creuses. Dans la variante illustrée à la figure 4, les barres 10 présentent chacune une cavité intérieure longitudinale 17 qui est remplie par le deuxième matériau. Le fait que les barres soient creuses facilite le remplissage de la cavité servant à mouler l'anneau de court-circuit arrière, lorsque l'injection a lieu par l'avant. 15 De plus, la quantité totale de cuivre utilisée peut être moindre, ce qui permet de réduire le coût de la machine. Le deuxième matériau 20 qui est injecté au sein des barres 10 se trouve protégé du contact avec l'oxygène de l'air par le matériau des barres, sauf aux extrémités axiales de celles-ci. On limite de cette façon les phénomènes de corrosion à l'interface entre les premier 20 et deuxième matériaux. Les barres 10 présentent de préférence, en section transversale, un contour fermé, qui peut être non circulaire. De préférence, le deuxième matériau 20 remplit les encoches également à l'extérieur des barres. 25 Les barres 10, creuses ou non, peuvent s'étendre sur toute la dimension radiale des encoches 4. En variante, les barres 10, creuses ou non, ont une dimension radiale qui est moindre que celle des encoches. Les barres 10, creuses ou non, peuvent s'étendre sur au moins la longueur du 30 paquet de tôles. Toutes les encoches 4 du rotor peuvent comporter des barres creuses 10 avec le deuxième matériau 20 injecté à l'intérieur. En variante, certaines encoches 4 peuvent ne pas comporter de barre 10, étant dans ce cas entièrement remplies par le deuxième matériau 6 conducteur. Le rotor comporte par exemple plus d'encoches avec des barres que d'encoches sans barre, ou inversement. Nombre de barres inférieur au nombre d'encoches Dans la variante illustrée à la figure 6, les barres 10 sont présentes dans une partie 5 seulement des encoches 4. L'absence de barres 10 dans certaines encoches 4 permet de conserver une section totale plus importante pour le passage de l'aluminium injecté, et ainsi de faciliter le remplissage de la bague arrière lorsque l'injection se fait par l'avant. La présence de barres 10 en un matériau de moindre résistance électrique tel que 10 du cuivre dans certaines encoches améliore les performances électriques. Il est possible, en choisissant le nombre de barres rajoutées, d'optimiser l'accroissement des performances au regard du coût de la machine, le cuivre étant plus coûteux que l'aluminium. Le rotor peut comporter plus d'encoches 4 avec des barres 10 que d'encoches 4 sans barre 10. Dans d'autres variantes, c'est le contraire et le rotor comporte plus d'encoches 15 4 sans barre qu'avec barre. De multiples dispositions des barres au sein des encoches 4 sont possibles. Par exemple, on peut faire alterner dans le sens circonférentiel une encoche sans barre et une encoche avec barre. On peut également faire alterner de façon plus générale n1 encoches sans barre avec n2 encoches avec barre, n1 et n2 étant des entiers strictement supérieurs à 1. 20 Encoches auxiliaires Comme illustré à la figure 5, les ajours peuvent former au sein du paquet n encoches principales 4 telles que définies dessus et m encoches secondaires 40, radialement intérieures par rapport aux encoches principales, avec n et m entiers non nuls et n>m. On bénéficie grâce aux encoches secondaires 40 d'une plus grande section de 25 passage pour le deuxième matériau conducteur, lors de l'injection. Ce dernier étant injecté depuis l'avant, le fait d'avoir une section de passage plus grande assure la réalisation sans défaut de l'anneau de court-circuit arrière. Dans la variante illustrée à la figure 5, chaque encoche secondaire 40 communique avec une encoche principale 4. 30 Dans une variante, les encoches secondaires 40 sont disjointes des encoches principales 4. Chaque encoche secondaire 40 peut être centrée sur un plan médian M d'une encoche principale 4. 7 Le rapport n/m entre le nombre d'encoches principales 4 et le nombre d'encoches secondaires 40 est par exemple égal à 2 ou 3. Les encoches secondaires 40 ont de préférence une étendue angulaire, mesurée autour de l'axe de rotation du rotor, supérieure à celle d'une encoche principale 4. 5 Le paquet peut comporter, comme illustré à la figure 7, au moins une tôle de garde 110 à l'une au moins de ses extrémités axiales, de préférence à chaque extrémité du paquet 2 de tôles 113. Ces tôles de garde 110 sont configurées pour permettre d'une part l'injection d'aluminium dans les encoches 4 du paquet 2 de tôles magnétiques 113 et d'autre part pour 10 retenir axialement les barres 10 dans les encoches 4, les barres venant en appui à leurs extrémités sur les tôles de garde 110. Ces tôles de garde 110 peuvent aussi protéger les extrémités axiales des barres 10 de l'oxygène de l'air et ainsi éviter les phénomènes de corrosion à l'interface entre l'aluminium et le cuivre. 15 La ou les tôles de garde 110 peuvent être réalisées avec des ajours 220 qui permettent l'injection à travers la tôle de garde 110 du deuxième matériau 20 dans le paquet 2 de tôles 113. La ou les tôles de garde 110 peuvent comporter au moins un relief de maintien 221 se superposant au moins partiellement aux barres pour les retenir axialement. Ce ou ces reliefs de maintien 221 peuvent être réalisés de diverses manières. 20 Par exemple, le ou les reliefs de maintien 221 comportent deux avancées en regard par encoche recevant une barre. Dans des variantes, le ou les reliefs de maintien 221 comportent un pont de matière par encoche recevant une barre. Fabrication du rotor Pour fabriquer le rotor, on peut découper les tôles 113 avec une presse équipée 25 d'un poinçon ou au laser et former, lors du découpage, des ajours 3 correspondant aux première et deuxième séries d'encoches 4 et, le cas échéant, les encoches secondaires 40 et les bossages 5. Ensuite, les tôles 113 sont superposées pour former le paquet 2 puis les barres 10 sont insérées dans les encoches 4. Une fois les barres 10 mises en place, on peut décaler les 30 tôles 113 pour vriller le rotor. De préférence, le décalage angulaire entre les tôles d'extrémité est compris entre 00 et 40. Ensuite, on peut procéder dans une presse à l'injection du deuxième matériau 20, à savoir l'aluminium. On peut réaliser, lors de l'injection, les anneaux de court-circuit par moulage. 8 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Par exemple, les encoches peuvent avoir d'autres formes, de même que les barres. D'autres matériaux que le cuivre et l'aluminium REVENDICATIONS1. Rotor de machine électrique tournante comportant : - un paquet (2) de tôles magnétiques (113) définissant des encoches (4) présentant chacune des premier et deuxième grands côtés opposés, orientés sensiblement 5 radialement, - des barres (10) d'un premier matériau électriquement conducteur reçues dans les encoches, occupant seulement une portion de la section des encoches et venant chacune en appui pour au moins une partie de leur longueur sur un seul desdits grands côtés à la fois, ménageant avec la face opposée un espace (41), et 10 - un deuxième matériau électriquement (20) conducteur, différent du premier, injecté dans les encoches et présent dans ledit espace. 2. Rotor selon la revendication 1, les barres (10) présentant deux faces principales (11) et venant chacune en appui sur l'un des grands côtés (4a) d'une encoche (4), par l'une ou l'autre desdites faces principales (11). 15 3. Rotor selon la revendication 2, les barres (10) ayant en section transversale une forme sensiblement trapézoïdale. 4. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, les barres (10) ménageant chacune dans au moins une section transversale, avec le grand côté (4a) de l'encoche (4) opposé à celui avec lequel elle vient en appui, un jeu de largeur (d) constante, 20 comprise de préférence entre 0,5mm et lOmm. 5. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, toutes les barres (10) venant dans une section transversale du paquet (2) de tôles (113) au moins, en appui contre l'un des premiers grands côtés (4a) des encoches (4). 6. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, le premier 25 matériau étant du cuivre. 7. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, le deuxième matériau (20) étant de l'aluminium. 8. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, le deuxième matériau remplissant toute la section des encoches (4) à l'extérieur des barres (10). 30 9. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, les barres (10) ayant une dimension radiale moindre que celle des encoches (4). 10 10. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, les encoches (4) étant hélicoïdales. 11. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, le décalage angulaire entre les tôles (113) d'extrémité étant compris entre 00 et 4°. 12. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, le paquet (2) de tôles (113) étant vrillé de façon non uniforme. 13. Machine tournante électrique comportant un rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes. 14. Procédé de fabrication d'un rotor de machine électrique tournante tel que 10 défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, comportant les étapes consistant à: - fabriquer par poinçonnage ou au laser des tôles magnétiques (113) du rotor, - former le paquet (2) de tôles (113) du rotor en superposant les tôles magnétiques (113), - insérer des barres (10) du premier matériau dans les encoches (4) du paquet (2) 15 de tôles (113), - décaler angulairement les tôles (113) afin de provoquer un cisaillement et/ou une déformation partielle des barres (10) présentes dans les encoches (4), - injecter le deuxième matériau (20) dans les encoches (4).