Brevet FR3069727A1 — publié le 20190201

ROTOR A CAGE INJECTEE La présente invention concerne les machines électriques tournantes 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 barreaux 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 barreaux 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. Les demandes W02011015494, W02010100007, W02009038678, US2011291516, W02014067792, W02011020788, W02015071156, W02012041943, JPH10234166, CN1925280, JPH11206080, JP2005278373, 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 maintenir les barres de cuivre avant l'injection de l'aluminium et pour éviter les phénomènes de corrosion susceptibles de survenir en raison du contact entre le cuivre et l'aluminium en présence d'air. Il existe également un besoin pour réduire les pertes électriques dans la machine. Résumé L'invention vise à répondre à tout ou partie de ces besoins et elle y parvient grâce à un rotor pour machine électrique tournante, comportant : - un paquet de tôles magnétiques comportant des encoches formées par des ajours des tôles magnétiques, des reliefs de séparation s'étendant au sein des ajours et séparant les encoches en des premiers et deuxièmes compartiments distincts, les premiers compartiments étant radialement intérieurs par rapport aux seconds compartiments, 2 - un premier matériau conducteur étant disposé dans les premiers compartiments d'une partie au moins des encoches, - un deuxième matériau électriquement conducteur, différent du premier, étant disposé dans les deuxièmes compartiments de ces encoches, les reliefs de séparation 5 qui s'étendent au sein des ajours empêchant les premier et deuxième matériaux de venir en contact. Grâce à l'invention, les barres qui sont introduites dans le paquet de tôles peuvent être maintenues au sein des compartiments correspondants par lesdits reliefs de séparation. Ces derniers étant agencés de façon à empêcher les premier et deuxième 10 matériaux de venir en contact, les phénomènes potentiels de corrosion sont éliminés. Les reliefs de séparation peuvent être de différentes formes, étant réalisés par découpe avec la matière des tôles magnétiques. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, les reliefs de séparation sont des ponts de matière qui séparent ainsi chaque encoche en des premier et deuxième 15 compartiments non communicants. Dans une variante de réalisation, les reliefs de séparation sont constitués par des avancées disposées en regard l'une de l'autre et qui ménagent entre elles un canal suffisamment étroit pour empêcher un contact entre les premier et deuxième matériaux. Le premier matériau conducteur peut être sous forme de barres insérées dans 20 les premiers compartiments, le premier matériau étant de préférence du cuivre, le deuxième matériau étant alors injecté dans les deuxièmes compartiments, ce deuxième matériau étant alors de préférence de l'aluminium. Une telle réalisation convient tout particulièrement à une machine destinée à être entraînée avec un courant de fréquence fixe. En effet, lorsque le moteur est connecté au réseau, le démarrage du moteur demande un courant élevé par 25 rapport au point nominal. Le rapport entre le courant de démarrage et le courant nominal étant limité par les normes en vigueur, le but est de le réduire. Au démarrage, la partie de l'encoche qui génère la résistance électrique est surtout le haut de l'encoche, près de l'entrefer en raison de l'effet de peau. Afin de limiter ce courant de démarrage, la résistance de la cage doit augmenter. Ainsi, le fait d'avoir le matériau de plus forte 30 résistivité électrique plus près de l'entrefer permet de réduire le courant de démarrage. Dans une variante de réalisation, le premier matériau conducteur est sous forme de barres insérées dans les deuxièmes compartiments, ce premier matériau étant de 3 préférence du cuivre, le deuxième matériau étant injecté dans les premiers compartiments, ce deuxième matériau étant de préférence de l'aluminium. Une telle réalisation convient plus particulièrement à un moteur connecté à un variateur, pour un entraînement à vitesse variable. Dans ce cas, le courant de démarrage n'est pas une contrainte. Le fait de 5 positionner le matériau de moindre résistivité électrique dans le compartiment plus près de l'entrefer et d'introduire une ouverture du côté de l'entrefer, qui est dépourvue de matériau conducteur électrique, permet de réduire les pertes électriques. La présence d'une barre de cuivre dans la partie supérieure de l'encoche empêche l'aluminium de couler dans l'ouverture de l'encoche du côté de l'entrefer lors de l'injection, ce qui contribue à la 10 réduction des pertes harmoniques dans les barres. L'invention a encore pour objet une machine électrique tournante comportant un rotor tel que défini ci-dessus. L'invention a encore pour objet un procédé de commande d'une machine selon l'invention, dans lequel la machine est alimentée par un courant de fréquence fixe, le 15 premier matériau conducteur étant sous forme de barres insérées dans les premiers compartiments, étant de préférence du cuivre, et le deuxième matériau conducteur étant injecté dans les deuxièmes compartiments, étant de préférence de l'aluminium. L'invention a encore pour objet un procédé de commande d'une machine selon l'invention, dans lequel la machine est alimentée par un courant de fréquence variable, le 20 premier matériau conducteur étant sous forme de barres insérées dans les deuxièmes compartiments, ce premier matériau étant de préférence du cuivre, le deuxième matériau étant injecté dans les premiers compartiments, ce deuxième matériau étant de préférence de l'aluminium. Description des figures 25 L'invention pourra être mieux comprise 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 : - la figure 1 représente de façon schématique, en section axiale, un exemple de rotor selon l'invention, 30 - la figure 2 représente de façon partielle et schématique, en section transversale, un exemple de rotor selon l'invention, 4 - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 d'une variante de réalisation du rotor, - la figures 4 et 5 représentent des détails de réalisation d'encoches, - la figure 6 est une vue analogue aux figures 2 et 3 d'une variante de 5 réalisation de rotor, adaptée aux besoins en vitesse variable, - les figures 7A et 7B représentent des variantes de réalisation d'encoches, adaptées aux besoins en vitesse fixe, - les figures 8A à 8C représente des variantes de réalisation d'encoches, - les figures 9A et 9B représentent d'autres variantes de réalisation des tôles, 10 et - la figure 10 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 15 un 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 20 encoches 4 qui s'étendent longitudinalement d'une extrémité axiale du paquet 2 à l'autre. Les encoches 4 peuvent être droites, c'est-à-dire que toutes les tôles 2 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 25 hélicoïdal autour de l'axe de rotation du rotor, de façon connue en soi. 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 30 section d'une encoche 4 peut présenter une forme qui varie lorsque l'on se déplace de l'extrémité avant de l'encoche 4 à l'extrémité arrière. En particulier, les tôles 113 peuvent être identiques lorsqu'elles sont découpées, mais être assemblées en retournant certaines 5 tôles par rapport à d'autres, de telle sorte qu'elles génèrent une évolution de la section de l'encoche 4 lorsque l'on se déplace le long de l'axe de rotation. 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 5 par les barres 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. Reliefs de séparation 10 Dans l'exemple de la figure 2, les encoches 4 sont réalisées avec un pont de matière 15 qui sépare l'encoche 4 en deux compartiments, à savoir un premier compartiment 6 qui part du fond 7 de l'encoche jusqu'au pont de matière 15 et un deuxième compartiment 8 qui contient le haut de l'encoche, c'est-à-dire la partie de l'encoche la plus proche de l'entrefer E de la machine. Dans l'exemple considéré, les 15 encoches 4 présentent deux bords opposés rectilignes 4a et le pont de matière 15 se situe plus près du haut de l'encoche que du fond de celle-ci, mais l'invention n'est pas limitée à une position particulière du pont de matière 15 et celui-ci pourrait, dans des variantes non illustrées, être positionné plus près encore du fond 7 de l'encoche. La machine illustrée à la figure 2 convient plus particulièrement à un 20 entraînement à vitesse fixe, et le premier compartiment 6 reçoit des barres 10 de cuivre, tandis que le deuxième compartiment 8 reçoit de l'aluminium qui est injecté dans les encoches. La présence d'aluminium dans le haut des encoches permet de limiter le courant de démarrage du fait de la résistance électrique plus élevée de l'aluminium comparativement à celle du cuivre. 25 Dans les variantes de réalisation des figures 3 et 6, les barres conductrices du premier matériau 10, de préférence du cuivre, sont insérées dans les deuxièmes compartiments 8, et le deuxième matériau, de préférence de l'aluminium, est injecté dans les premiers compartiments 6. Une telle machine convient plus particulièrement à une application à vitesse variable, dans laquelle le moteur est connecté à un variateur. Ce 30 dernier permet de limiter le courant de démarrage, qui n'est ainsi plus une contrainte. La présence de cuivre dans le haut des encoches permet d'éviter le passage de l'aluminium dans la fente 18 lors de l'injection. La présence de cuivre dans le haut des encoches permet 6 également de réduire les pertes harmoniques dans les encoches et donc de gagner en rendement et en réduction de l'échauffement. De plus, la présence d'une barre dans la partie supérieure de l'encoche empêche le deuxième matériau de couler dans l'ouverture éventuelle de l'encoche du côté de l'entrefer lors de l'injection. 5 Dans la variante illustrée à la figure 6, les deuxièmes compartiments 8 débouchent chacun par une ouverture 18 dans l'entrefer. L'ouverture 18 présente la forme d'une fente étroite. Les fentes 18 permettent de réduire les pertes électriques. Dans les variantes illustrées aux figures 4 et 5, les premiers et deuxièmes compartiments sont séparés par des avancées 15a, qui se font face et qui font saillie par 10 rapport aux bords 4a de l'encoche. Ces avancées définissent entre elles un canal étroit 16, dont la largeur d est inférieure à 0,6 mm et la hauteur H est inférieure à 2mm. Un canal 16 de telles dimensions permet d'empêcher l'aluminium, lors de l'injection, de s'étendre jusqu'aux barres de cuivre. Dans la variante de la figure 4, le deuxième compartiment 8 comporte deux 15 côtés opposés 8a dans le prolongement des côtés opposés 6a du premier compartiment 6 qui sont orientés sensiblement radialement. Le premier compartiment 6 présente un contour rectiligne au niveau des avancées 15a. Dans la variante de la figure 5, le deuxième compartiment 8 a une forme circulaire dont le diamètre a est strictement inférieur à la largeur b du premier 20 compartiment 6 sur la majeur partie de la longueur / de l'encoche 4. Le premier compartiment 6 présente un contour arrondi au niveau des avancées 15a. Encoches avec reliefs de friction Certaines encoches peuvent présenter des reliefs de friction 5 agencés pour retenir par friction les barres 10. 25 Comme illustré aux figures 7A et 7B, au moins une partie des ajours peuvent présenter sur au moins une partie de leur pourtour des reliefs de friction 5, les barres 10 électriquement conductrices reçues dans les encoches 4 venant en appui par au moins une face principale 11 contre lesdits reliefs. Ces reliefs 5 peuvent permettre de maintenir efficacement les barres 10 à 30 l'intérieur du paquet de tôles. Les reliefs 5 peuvent être réalisés très précisément lors du découpage des tôles, et permettent une plus grande tolérance de fabrication des barres. 7 En particulier, lorsqu'un matériau est injecté dans les encoches 4 autour des barres 10, ces dernières peuvent demeurer immobiles au sein du paquet. Les reliefs 5 peuvent également réduire la force à exercer sur les barres pour les insérer dans le paquet de tôles, en réduisant la surface de contact entre les barres et les tôles. 5 Les reliefs 5 peuvent encore, 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. Les reliefs 5 sont de préférence présents sur des grands côtés opposés 4a des encoches 4 qui sont orientés sensiblement radialement, ces grand côtés 4a s'étendent 10 sensiblement radialement et les barres conductrices 10 viennent en appui contre ces reliefs 5 par deux faces principales 11 opposées. Les reliefs peuvent se présenter sous la forme de bossages, s'étendant de préférence sur sensiblement toute la dimension radiale d'une barre 10. Les bossages 5 peuvent présenter une amplitude h comprise entre 0,2 et 0,4 15 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, par exemple de 0,5mm, comme illustré à la figure 7A. Toutes les tôles du paquet peuvent être identiques ou non. Reliefs de blocage Comme illustré à la figure 7B, au moins une tôle du paquet peut présenter au 20 moins un relief de blocage 31 venant en appui contre une face d'extrémité radialement intérieure 13 d'une barre correspondante. Ce relief de blocage 31 est centré sur le plan médian de symétrie de l'ajour correspondant. Barres creuses Une ou plusieurs des barres peuvent être creuses. 25 Dans la variante illustrée aux figures 8A et 8C, la barre 10 du premier matériau présente 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. 30 De plus, la quantité totale de cuivre utilisée peut être moindre, ce qui permet de réduire le coût de la machine. 8 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 et deuxième matériaux. 5 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, notamment lorsque les barres n'occupent pas toute la section des encoches. 10 Les barres 10, creuses ou non, peuvent s'étendre sur toute la dimension radiale des encoches 4. En particulier, les barres 10 peuvent avoir une section transversale qui est sensiblement de même forme que les encoches 4. En variante, les barres 10, creuses ou non, ont une dimension radiale qui est moindre que celle des encoches. 15 Les barres 10, creuses ou non, peuvent s'étendre sur au moins la longueur du paquet de tôles. Toutes les encoches 4 du rotor peuvent comporter des barres 10 creuses 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 20 matériau 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 Les barres peuvent être reçues dans une partie seulement des encoches. L'absence de barres dans certaines encoches permet de conserver une section 25 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. 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. 30 Ainsi, le rotor peut comporter dans certaines variantes plus d'encoches avec des barres que d'encoches sans barres. Dans d'autres variantes, c'est le contraire et le rotor comporte plus d'encoches sans barres qu'avec barres. 9 De multiples dispositions des barres au sein des encoches 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 ni encoches sans barre avec nz encoches avec barre, ni et nz étant des entiers strictement supérieurs à 1. 5 Encoches secondaires Comme illustré aux figures 9A et 9B, 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. 10 On bénéficie grâce aux encoches secondaires 40 d'une plus grande section de 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. Les encoches secondaires 40 sont disjointes des encoches principales 4 dans 15 l'exemple de la figure 9A. Dans la variante illustrée à la figure 9B, chaque encoche secondaire 40 communique avec une encoche principale 4. Chaque encoche secondaire 40 peut être centrée sur un plan médian d'une encoche principale 4. 20 Le rapport nlm 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 du centre du paquet de tôles, supérieure à celle d'une encoche principale 4. Goupilles de blocage 25 Dans une variante, la machine comporte des goupilles 70 insérées dans les compartiments au contact des barres 10. Comme illustré aux figures 8A à 8C, les goupilles 70 sont disposées dans le fond des encoches 4, pour venir en appui chacune contre une face d'extrémité 13 radialement intérieure d'une barre 10. 30 Les goupilles 70 peuvent être chacune de forme conique afin de faciliter leur insertion. 10 Tôles de garde Le paquet peut comporter comme illustré à la figure 10, 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. 5 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 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 10 de l'oxygène de l'air et ainsi éviter les phénomènes de corrosion à l'interface entre l'aluminium et le cuivre. 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 15 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. Par exemple, le ou les reliefs de maintien 221 peuvent comporter 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. 20 Fabrication du rotor Pour fabriquer le rotor, on peut découper les tôles 113 avec une presse équipée d'un poinçon ou au laser et former, lors du découpage, des ajours 3 correspondant aux encoches 4 et, le cas échéant, les bossages 5. Ensuite, les tôles 113 sont superposées pour former le paquet 2 puis les barres 25 10 sont insérées dans les encoches 4 à force. Lors de l'insertion, la présence des bossages 5 facilite l'avancement des barres 10 au sein du paquet 2 de tôles 113 et, le cas échéant, des goupilles 70 sont insérées dans le fond des encoches pour bloquer les barres 10 avant l'injection. Une fois les barres 10 mises en place, on peut procéder dans une presse à l'injection du deuxième matériau 20, à savoir l'aluminium. On peut réaliser, lors de 30 l'injection, les anneaux de court-circuit par moulage. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. barres. 11 Par exemple, les encoches peuvent avoir d'autres formes, de même que les D'autres matériaux que le cuivre et l'aluminium REVENDICATIONS1. Rotor pour machine électrique tournante, comportant : - un paquet (2) de tôles magnétiques (13) comportant des encoches (4) formées par des ajours (3) des tôles magnétiques (2), des reliefs de séparation (15) s'étendant au sein des ajours (3) et séparant les encoches (4) en des premiers et deuxièmes compartiments (7, 8) distincts, les premiers compartiments (7) étant radialement intérieurs aux seconds compartiments (8), - un premier matériau conducteur étant disposé dans les premiers 10 compartiments (7) d'une partie au moins des encoches (4), - un deuxième matériau électriquement conducteur, différent du premier, étant disposé dans les deuxièmes compartiments (8) de ces encoches (4), les-reliefs de séparation (15) qui s'étendent au sein des ajours (3) empêchant les premier et deuxième matériaux de venir en contact. 15 2. Rotor selon la revendication 1, les reliefs de séparation (15) étant des ponts de matière. 3. Rotor selon la revendication 1, les reliefs de séparation (15) étant des avancées disposées en regard l'une de l'autre et ménageant entre elles un canal suffisamment étroit pour empêcher un contact entre les premier et deuxième matériaux. 20 4. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, le premier matériau conducteur étant sous forme de barres insérées dans les premiers compartiments. 5. Rotor selon la revendication 4, le premier matériau étant du cuivre. 6. Rotor selon l'une des revendications 4 et 5, le deuxième matériau étant injecté dans les deuxièmes compartiments (8). 25 7. Rotor selon la revendication 6, le deuxième matériau étant de l'aluminium. 8. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, le premier matériau conducteur étant sous forme de barres (10) insérées dans les deuxièmes compartiments (8). 9. Rotor selon la revendication 8, le premier matériau étant du cuivre. 10. Rotor selon l'une des revendications 8 et 9, le deuxième matériau étant 30 injecté dans les premiers compartiments (7). 11. Rotor selon la revendication 10, le deuxième matériau étant de l'aluminium. 13 12. Rotor selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, les deuxièmes compartiments débouchant par des ouvertures (18), notamment sous la forme de fentes, dans l'entrefer. 13. Machine électrique tournante, comportant un rotor selon l'une quelconque 5 des revendications précédentes. 14. Procédé de commande d'une machine selon la revendication 13 prise en combinaison avec les revendications 4 à 7, dans lequel la machine est alimentée par un courant de fréquence fixe. 15. Procédé de commande d'une machine selon la revendication 13 prise en 10 combinaison avec les revendications 8 à 12, dans lequel la machine est alimentée par un courant de fréquence variable.