Brevet FR3069728A1 — 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. Résumé Une des difficultés qui se posent, lors de l'injection de l'aluminium, est le remplissage de la bague arrière, l'aluminium étant injecté par l'avant et devant gagner la bague arrière en circulant au travers des encoches, dont la section est réduite par la présence des barres de cuivre. Or, un défaut de remplissage de la bague arrière entraîne une mise au rebut du rotor ou oblige à une reprise coûteuse. Par ailleurs, la présence de barres de cuivre dans les encoches entraîne un surcoût qui rend la machine trop coûteuse pour certaines applications. Or, il pourrait être souhaitable d'améliorer les performances de la machine tout en conservant un coût acceptable pour l'application concernée. Il existe un besoin pour remédier à tout ou partie des inconvénients ci-dessus. 2 L'invention a pour objet, selon un premier de ses aspects, un rotor de machine électrique tournante, comportant : - un paquet de tôles magnétiques, les tôles magnétiques comportant des ajours formant des encoches au sein du paquet, 5 - des barres d'un premier matériau électriquement conducteur insérées dans au moins une partie des encoches, au moins une partie de ces barres étant creuses, - un deuxième matériau électriquement conducteur, injecté dans les encoches au moins à l'intérieur des barres. Le fait que les barres soient creuses facilite le remplissage de la cavité servant à 10 mouler l'anneau de court-circuit arrière. L'aluminium peut circuler à l'intérieur d'une barre creuse sur toute sa longueur, entre ses extrémités axiales avant et arrière. La quantité de cuivre utilisée peut être moindre. L'aluminium qui est injecté au sein des barres se trouve protégé du contact avec l'oxygène par le matériau des barres, sauf aux extrémités axiales de celles-ci. On 15 limite de cette façon les phénomènes de corrosion à l'interface entre l'aluminium et le cuivre. Les barres présentent en section un contour fermé, notamment non circulaire. De préférence, le deuxième matériau remplit les encoches également à l'extérieur des barres, notamment lorsque les barres n'occupent pas toute la section des 20 encoches. Les barres, creuses ou non, peuvent s'étendre sur toute la dimension radiale des encoches. En particulier, les barres peuvent avoir une section transversale qui est sensiblement de même forme que les encoches. En variante, les barres, creuses ou non, ont une dimension radiale qui est 25 moindre que celle des encoches. Les barres, creuses ou non, peuvent s'étendre sur au moins la longueur du paquet de tôles. Toutes les encoches du rotor peuvent comporter des barres creuses avec le deuxième matériau injecté à l'intérieur. En variante, certaines encoches peuvent ne pas 30 comporter de barre, étant dans ce cas entièrement remplies par le deuxième matériau conducteur. Le rotor comporte par exemple plus d'encoches avec des barres que d'encoches sans barre, ou inversement. 3 De préférence, le premier matériau, qui est meilleur conducteur que le deuxième matériau, est du cuivre, le deuxième matériau étant de l'aluminium. Les barres peuvent s'étendre au moins sur la longueur du paquet de tôles, et le rotor comportant, à chacune des extrémités axiales du paquet de tôles, une tôle de garde, 5 cette dernière venant en appui par sa face interne contre les extrémités axiales des barres. L'invention a encore pour objet une machine tournante comportant un rotor tel que défini ci-dessus. Description des figures L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée 10 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, - les figures 2 à 6 représentent, de façon schématique, des portions de rotor 15 selon l'invention, - les figures 7A et 7B représentent, de façon schématique, des variantes de réalisation des encoches, - la figure 8 représente une variante de rotor selon l'invention, et - les figures 9A et 9B représentent, de façon schématique, des variantes de 20 réalisation d'encoche. Rotor On a représenté à la figure 1 un rotor 1 selon l'invention. Ce rotor 1 comporte un paquet de tôles magnétiques 2, 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 25 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 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, 30 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. 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 35 variantes, le paquet 2 est formé par assemblage de tôles 113 qui ne sont pas 4 rigoureusement toutes identiques en vue de face, de l'avant du paquet 2, de sorte que la 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 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. Barres creuses Dans les exemples des figures 2 à 6, les barres 10 sont creuses et présentent 15 une cavité intérieure 17, de préférence longitudinale qui est remplie par le deuxième matériau 20, lequel est, dans les exemples considérés, de l'aluminium injecté. La section de la cavité 17 est suffisante pour permettre à l'aluminium qui est injecté de circuler à travers la barre 10, depuis son extrémité avant jusqu'à son extrémité arrière. Dans l'exemple de la figure 3, les barres de cuivre 10 qui sont insérées dans les 20 encoches 4 occupent sensiblement toute la section des encoches, les barres 10 ayant une section externe qui correspond sensiblement à celle des encoches. Dans la variante illustrée à la figure 4, les barres 10 présentent chacune une dimension extérieure qui est inférieure à celle de l'encoche associée, de sorte qu'il subsiste à l'intérieur de celle-ci des espaces 7 et 8 dans lesquels de l'aluminium peut être injecté. 25 Dans ce cas, l'aluminium peut remplir l'intérieur de la barre 10 ainsi que les espaces 7 et 8 proches du fond de l'encoche et du haut de l'encoche respectivement. On a également représenté sur cette figure la possibilité pour le rotor 1 de comporter, tout comme dans l'exemple de la figure 3, des encoches 4 qui sont dépourvues de barres et qui sont dans ce cas entièrement remplies par le deuxième matériau. 30 Encoches avec reliefs de friction Certaines encoches peuvent présenter des reliefs de friction 5 agencés pour retenir par friction les barres. 5 Comme illustré aux figures 7A et 7B, au moins une partie des ajours peut présenter sur au moins une partie de leur pourtour des reliefs 5, les barres 10 électriquement conductrices reçues dans les encoches 4 venant en appui par au moins une face principale 11 contre lesdits reliefs 5. 5 Ces reliefs 5 peuvent permettre de maintenir efficacement les barres 10 à l'intérieur du paquet 2 de tôles 113. Les reliefs 5 peuvent être réalisés très précisément lors du découpage des tôles 113, et permettent une plus grande tolérance de section des barres. En particulier, lorsqu'un matériau est injecté dans les encoches 4 autour des barres, ces dernières peuvent demeurer immobiles au sein du paquet. Les reliefs 5 peuvent 10 également réduire la force à exercer sur les barres 10 pour les insérer dans le paquet 2 de tôles, en réduisant la surface de contact entre les barres et les tôles. Les reliefs 5 peuvent encore, en diminuant la surface de contact entre les barres et les tôles, réduire les courants inter-barres circulant dans les tôles et la perte d'énergie correspondante par effet Joule. 15 Les reliefs 5 sont de préférence présents sur des grands côtés opposés 4a des encoches 4, ces grands côtés s'étendant sensiblement radialement et les barres conductrices 10 viennent en appui contre ces reliefs 5 par deux faces principales opposées 4a. Les reliefs peuvent se présenter sous la forme de bossages 5, s'étendant de préférence sur sensiblement toute la dimension radiale d'une barre 10. 20 Les bossages peuvent présenter une amplitude h comprise entre 0,2 et 0,4 mm, par exemple de 0,3mm, comme illustré à la figure 7A. Ces bossages sont de préférence de forme arrondie et le rayon de courbure R au sommet est par exemple compris entre 0,4 et 0,6mm, par exemple de 0,5mm. Toutes les tôles du paquet peuvent être identiques. 25 Encoches avec reliefs de blocage Comme illustré à la figure 7A, au moins une tôle du paquet peut présenter au moins un relief de blocage 30 venant en appui contre une face d'extrémité radialement extérieure 14 d'une barre 10 correspondante, mieux deux tels reliefs 30 opposés venant chacun en appui contre la même face d'extrémité. 30 Au moins une tôle du paquet peut également présenter au moins un relief de blocage 31 venant en appui contre une face d'extrémité radialement intérieure 13 d'une 6 barre correspondante comme illustré à la figure 7B, ce relief de blocage 31 étant de préférence centré sur le plan médian de symétrie de l'ajour correspondant. Encoches avec reliefs de séparation Comme illustré à la figure 7B, des reliefs de séparation 15 peuvent s'étendre au 5 sein des ajours et séparer les encoches en des premiers 6 et deuxièmes 8 compartiments distincts, les premiers compartiments 6 étant radialement intérieurs par rapport aux seconds compartiments 8. Les barres conductrice 10 du premier matériau peuvent être disposées dans les premiers ou les deuxièmes compartiments d'une partie au moins des encoches 4. Le 10 deuxième matériau électriquement conducteur 20, différent du premier, peut alors être disposé dans les deuxièmes ou les premiers compartiments de ces encoches 4, les reliefs de séparation 15 qui s'étendent au sein des ajours empêchant les premier et deuxième matériaux de venir en contact. Les barres 10 qui sont introduites dans le paquet de tôles peuvent être 15 maintenues au sein des compartiments correspondants par les reliefs de séparation 15. Ces derniers sont agencés de façon à empêcher les premier et deuxième matériaux de venir en contact. Ainsi, les phénomènes potentiels de corrosion sont éliminés. Les reliefs de séparation 15 peuvent être de différentes formes, étant réalisés par découpe avec la matière des tôles magnétiques. 20 Par exemple, comme illustré à la figure 7B, les reliefs de séparation 15 sont des ponts de matière qui séparent chaque encoche en des premier et deuxième compartiments non communicants. Dans la variante illustrée à la figure 9B, les reliefs de séparation sont constitués par des avancées 15a disposées en regard l'une de l'autre et qui ménagent entre elles un 25 canal 16 suffisamment étroit pour empêcher un contact entre les premier et deuxième matériaux. Par exemple, lorsque les premiers compartiments sont remplis par injection d'aluminium en fusion, des canaux 16 ayant une largeur inférieure à 0,6 mm et une hauteur inférieure à 2 mm peuvent empêcher l'aluminium d'entrer dans les deuxièmes compartiments à travers les canaux 16, et vice versa. 30 Les barres conductrices 10 du premier matériau peuvent être insérées dans les premiers compartiments 6, le premier matériau étant de préférence du cuivre, le deuxième matériau 20 étant injecté dans les deuxièmes compartiments 8, ce deuxième matériau étant 7 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 rapport au point nominal. Le rapport entre le courant de démarrage et le courant nominal 5 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 résistivité électrique plus près de l'entrefer permet de réduire le courant de démarrage. 10 Dans une variante de réalisation, les barres conductrices du premier matériau sont 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. Une telle réalisation convient plus particulièrement à un moteur connecté à un variateur, pour un entraînement à vitesse 15 variable. Dans ce cas, le courant de démarrage n'est pas une contrainte. Le fait de positionner le matériau de moindre résistivité électrique dans le compartiment plus près de l'entrefer et le cas échéant d'introduire une ouverture, notamment sous forme de fente, du côté de l'entrefer qui est dépourvu de matériau conducteur électrique, permet de réduire les pertes électriques. De plus, la présence d'une barre dans la partie supérieure de l'encoche 20 empêche le deuxième matériau de couler dans l'ouverture éventuelle de l'encoche du côté de l'entrefer lors de l'injection. Nombre de barres inférieur au nombre d'encoches Dans les variantes illustrées aux figures 3 et 4, les barres sont présentes dans une partie seulement des encoches 4. 25 L'absence de barres dans certaines encoches 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 en un matériau de moindre résistance électrique tel que du cuivre dans certaines encoches améliore les performances électriques. Il est possible, en 30 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. 8 Le rotor peut comporter 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. De multiples dispositions des barres au sein des encoches sont possibles. Par 5 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. Dans la variante de la figure 3, le paquet de tôles comporte une encoche sur trois qui ne comporte pas de barre 10 et qui est entièrement remplie par l'aluminium 10 injecté. Dans la variante de la figure 4, il y a alternance dans le sens circonférentiel entre les encoches qui reçoivent une barre de cuivre 10 et celles qui en sont dépourvues et qui sont remplies par de l'aluminium injecté uniquement. Encoches secondaires 15 Sur les figures 5 et 6, on a illustré la possibilité pour le paquet de tôles de comporter, outre les encoches 4 précédemment décrites, des encoches secondaires 40, proches du bord 41 radialement intérieur du paquet de tôles, ces encoches secondaires 40 étant remplies par le deuxième matériau 20. Les tôles magnétiques comportent de préférence au sein du paquet n encoches 20 principales 4 et m encoches secondaires 40, radialement intérieures par rapport aux encoches principales 4, avec n et m entiers non nuls et n>m, Les encoches secondaires 40 sont par exemple disjointes des encoches principales. Dans une variante, chaque encoche secondaire communique avec une encoche 25 principale. Chaque encoche secondaire 40 peut être centrée sur le plan médian de symétrie d'une encoche principale. 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. 30 Les encoches secondaires 40 ont de préférence une étendue angulaire supérieure à celle d'une encoche principale 4, l'étendue angulaire d'une encoche étant mesurée depuis le centre du rotor. 9 Tôles de garde Comme illustré à la figure 8, le paquet 2 peut comporter au moins une tôle de garde 110 à l'une au moins de ses extrémités axiales, de préférence à chacune des extrémités axiales. Des barres 10, mieux toutes les barres, viennent en appui à une 5 extrémité axiale contre cette tôle de garde 110. La présence de la ou des tôles de garde 110 permet un maintien à au moins une extrémité des barres 10, par appui contre la ou les tôles de garde. Au moins une tôle de garde 110, et de préférence chaque tôle de garde, est réalisée avec des ajours 220 qui permettent l'injection à travers la tôle de garde 110 du 10 deuxième matériau 20 dans le paquet de tôles. Ainsi, la présence des tôles de garde 110 ne gêne pas outre mesure l'injection du deuxième matériau 20, tout en contribuant au maintien efficace des barres introduites dans les encoches jusqu'à l'opération d'injection. La ou les tôles de garde 110 peuvent comporter au moins un relief 221 se superposant au moins partiellement aux barres 10 pour les retenir axialement. Ce relief 221 15 peut être réalisé de diverses manières. Dans des exemples de réalisation, le ou chaque relief 221 est formé par deux avancées en regard, par encoche recevant une barre. Ces avancées se superposent aux barres. Dans des variantes de réalisation, le ou chaque relief 221 comporte un pont de matière par encoche recevant une barre. 20 Elements de blocage La machine peut comporter des goupilles ou rivets 70 insérés dans les encoches au contact des barres. Comme illustré aux figures 9A et 9B, ces goupilles ou rivets 70 sont disposés dans le fond des encoches 4, pour venir en appui contre la face d'extrémité radialement 25 intérieure 13 des barres 10. Les goupilles ou rivets 70 peuvent être de forme conique. Fabrication du rotor Pour fabriquer le rotor, on peut découper les tôles 113 avec une presse équipée d'un poinçon et former, lors du découpage, des ajours 3 correspondant aux encoches 4 et, 30 le cas échéant, aux encoches secondaires 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 à force. Lors de l'insertion, la présence des bossages 5 10 facilite l'avancement des barres 10 au sein du paquet 2 de tôles 113, et le cas échéant, des goupilles ou rivets 70 sont insérés 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 5 l'injection, les anneaux de court-circuit par moulage. Les cavités des barres peuvent être réalisées par extension du matériau qui les constitue au sein d'une filière, ou par roulage d'une bande dudit matériau. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. 10 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 (13), les tôles magnétiques (13) comportant des ajours (3) formant des encoches (4) au sein du paquet (2), - des barres (10) d'un premier matériau électriquement conducteur insérées dans au moins une partie des encoches (4), au moins une partie de ces barres (10) étant creuses, - un deuxième matériau (20) électriquement conducteur, injecté dans les encoches (4) au moins à l'intérieur des barres (10). 2. Rotor selon la revendication 1, le deuxième matériau (20) remplissant les encoches (4) à l'extérieur des barres (10). 3. Rotor selon l'une des revendications 1 et 2, les barres (10) s'étendant sur toute la dimension radiale des encoches (4). 4. Rotor selon la revendication précédente, les barres (10) ayant une section transversale qui est sensiblement de la même forme que les encoches (4). 5. Rotor selon l'une des revendications 1 et 2, les barres (10) ayant une dimension radiale moindre que celle des encoches (4). 6. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, les barres (10) s'étendant au moins sur la longueur du paquet (2) de tôles (13), le rotor comportant, à chacune des extrémités axiales du paquet (2) de tôles (13), une tôle de garde (110), cette dernière venant en appui par sa face interne contre les extrémités axiales des barres (10). 7. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des encoches (4) sans barres introduites à l'intérieur. 8. Rotor selon la revendication précédente, comportant plus d'encoches (4) avec des barres (10) que d'encoches sans barres. 9. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, le premier matériau étant du cuivre. 10. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, le deuxième matériau (20) étant de l'aluminium. 11. Machine électrique tournante, comportant un rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes.