Brevet FR3069972A1 — publié le 20190208

ROTOR A AIMANTS CONCENTRIQUES POUR MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention se rapporte au domaine général de l'automobile. Elle concerne plus particulièrement un rotor à aimants concentriques pour machine électrique tournante de véhicule automobile. La machine électrique tournante est par exemple un alternateur, un moteur électrique, ou une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. L'invention concerne également une machine électrique tournante comportant un tel rotor ainsi qu'un procédé de montage dudit rotor. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre, le rotor étant séparé du rotor par un entrefer. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le stator comporte un corps formé par un empilement axial de feuilles de tôles pour diminuer les courants de Foucault, solidarisées sous forme de paquet par des soudures. En outre, le corps du stator est muni d'une pluralité de dents définissant des encoches, et un bobinage inséré dans les encoches du stator. Le bobinage est obtenu par exemple à partir de fils continus recouverts d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, les phases de la machine sont formées à partir de bobines individuelles enroulées chacune autour d'une dent statorique. Les phases connectées en étoile ou en triangle comportent des sorties reliées à un module électrique de commande. Le rotor est par exemple un rotor à aimants concentriques dont un exemple est représenté sur la figure 1. Par « aimants concentriques », on entend des aimants répartis circonférentiellement dans le rotor et orientés vers l'axe longitudinal X dudit rotor. Le rotor 1 présenté à la figure 1 comporte un corps 5 formé par un empilage 2 axial de feuilles de tôles 2 maintenues sous forme de paquet par des soudures. Le rotor 1 comporte, en outre, des pôles formés par exemple par des aimants permanents concentriques (non représentés) logés dans des cavités 3 ménagées dans le corps 5. Afin de limiter les fuites magnétiques dans le rotor 1, le corps 5 5 comporte des ouvertures 4 ménagées entre deux pôles du rotor 1 pour créer des ponts magnétiques. Le procédé de fabrication classique d'un rotor 1 à aimants concentriques comprend de nombreuses étapes. En effet, la fabrication du rotor 1 commence par la découpe des tôles 2 pièce par pièce tel que représentée à la figure 2a. Il s'ensuit la réalisation, 10 dans chaque tôle 2 découpée, de cavités 3, d'ouvertures 4 et d'un orifice 6 ménagé au centre de la tôle 2 pour recevoir l'arbre de la machine électrique tournante. Les tôles 2 sont ensuite empilées pour former des sous-paquets 71, 72 et 73 de tôles 2, représentés à la figure 2b, qui ont le même sens de lamination. Les sous-paquets 71, 72 et 73 de tôles 2 sont ensuite superposés après avoir pivoté chaque sous-paquet 15 71, 72 et 73 d'un angle de 120° ce permet d'homogénéiser les champs magnétiques dans le rotor 1 et de diminuer la tolérance axiale. Pour finir, les sous-paquets 71, 72 et 73 de tôles 2 sont soudés pour former le paquet 7 de tôles 2 final représenté à la figure 2c qui constituera le corps 5 du rotor 1. On note que dans ce mode de réalisation, le rotor 1 ne comporte pas de noyau. 20 Le procédé de fabrication des rotors 1 à aimants concentriques décrit présente des inconvénients, notamment en termes de temps, de coûts et d'efficacité. En effet, les opérations de découpe, d'empilement et enfin d'assemblage du paquet 7 de tôles 2 sont longues. De plus, les opérations de découpe des cavités 3, des ouvertures 4 et des orifices 6 entrainent une chute de matière considérable. La chute de matière 25 pour chaque tôle 2 est représentée grisée sur la figure 3. Comme on peut le voir sur la figure 3, la chute de matière pour chaque tôle 2 constitue près de de 50% de la tôle 2 initiale. Les coûts de production des paquets 7 de tôle 12 sont donc conséquents. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION 30 L'invention vise donc à fournir une solution permettant de fabriquer un rotor à aimants concentriques dont la fabrication est simple, rapide et peu couteuse. 3 Ainsi, l'invention concerne, selon un premier aspect, un rotor à aimants concentriques pour machine électrique tournante, s'étendant selon un axe longitudinal, comportant un noyau de maintien et un corps. Une épaisseur prédéterminée du corps est formée par un enroulement d'une même tôle autour du 5 noyau de maintien. Le rotor à aimants concentriques selon le premier aspect permet de résoudre les problèmes préalablement cités. En effet, l'enroulement d'une même tôle autour du noyau de maintien pour former une épaisseur prédéterminée du corps du rotor permet de simplifier et de réduire le 10 temps nécessaire à la fabrication du rotor. En particulier, l'utilisation d'un enroulement pour former une épaisseur du corps permet de s'affranchir des étapes successives de découpe des tôles, d'empilement et d'assemblage du paquet de tôles réalisées dans les procédés de fabrication classiques. La tôle enroulée autour du noyau de maintien est obtenue à partir d'un ruban de tôle 15 qui est découpé dans le sens de la longueur. Par « ruban de tôle », on entend une tôle qui n'a pas encore été découpée. L'épaisseur du corps formée par l'enroulement de la tôle dépend de la longueur du ruban de tôle initial qui peut évidemment être réduite selon l'épaisseur de corps souhaitée. Avantageusement, lorsque la longueur du ruban de tôle initial est suffisante, l'épaisseur totale du corps de rotor peut être 20 formée à partir d'une seule tôle enroulée autour du noyau de maintien. Ainsi, les étapes d'empilement de tôles pour former des sous-paquets de tôles puis d'assemblage des sous-paquets de tôle pour obtenir le paquet de tôles final ne sont plus nécessaires pour former le corps du rotor. En outre, il suffit d'une seule opération de découpe d'un ruban de tôle pour obtenir 25 une tôle dont le(s) bord(s) présente(nt) un profil spécifique adapté à la formation de cavités. En effet, lorsque la tôle est enroulée autour du noyau de maintien, le(s) profil(s) de(s) bord(s) des différents niveaux de la tôle se superposent pour former des cavités débouchantes adaptées pour recevoir les aimants permanents du rotor. De plus, l'utilisation d'un ruban de tôle suffisamment large permet d'obtenir, en une 30 seule opération de découpe, au moins deux tôles prêtes à être enroulées autour d'un ou plusieurs noyau(x) de maintien. Par « tôles prêtes à être enroulées », on entend des tôles dont le(s) bord(s) présentent un profil spécifique après l'étape de découpe 4 du ruban de tôle. Le temps nécessaire à la découpe des tôles est donc considérablement réduit par rapport aux procédés de fabrication classiques. De plus, les chutes de matières sont quasiment nulles. En effet, en découpant le ruban de tôle dans le sens de la longueur suivant un motif prédéterminé, il est possible de créer 5 simultanément deux tôles dont les bords sont complémentaires. Par ailleurs, l'utilisation d'un tel enroulement permet d'assurer une homogénéité des champs magnétiques dans le rotor. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le rotor selon le premier aspect de l'invention peut présenter 10 une ou plusieurs caractéristiques parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon les combinaisons techniquement possibles. Selon un mode de réalisation non limitatif, l'enroulement de la tôle s'étend sur la totalité de l'épaisseur du corps du rotor. Selon un mode de réalisation non limitatif, le rotor comporte au moins deux 15 enroulements de tôles formant la totalité de l'épaisseur du corps du rotor. Selon un mode de réalisation non limitatif, le noyau de maintien est réalisé dans un matériau amagnétique. Selon un mode de réalisation non limitatif, le noyau de maintien est réalisé en Inox ou en résine 20 Selon un mode de réalisation non limitatif, le rotor comporte un flasque de maintien avant et un flasque de maintien arrière construits et agencés pour enserrer le corps selon l'axe longitudinal du rotor. Selon un mode de réalisation non limitatif, chaque flasque comporte des tenons radiaux construits et agencés pour coopérer avec des troisièmes rainures 25 longitudinales ménagées dans un arbre central traversant le noyau de maintien selon l'axe longitudinal du rotor. Selon un mode de réalisation non limitatif, la tôle comporte des cavités construites et agencées pour recevoir les aimants concentriques, chaque cavité étant délimitée par deux dents rotoriques adjacentes 5 Selon un mode de réalisation non limitatif, le noyau de maintien comporte des premières rainures construites et agencées pour recevoir les dents rotoriques de la tôle. Par ailleurs, l'invention se rapporte, selon un second aspect, à une machine 5 électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant un rotor selon le premier aspect de l'invention. Enfin, l'invention concerne, selon un troisième aspect, un procédé de montage d'un rotor à aimants concentriques comportant un noyau de maintien et un corps, comportant une étape d'enroulement d'une même tôle autour du noyau de maintien 10 pour former une épaisseur prédéterminée du corps. 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. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture 15 de la description qui suit, en référence aux figures annexées données à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention, qui illustrent : - à la figure 1, un rotor à aimants concentriques selon l'art antérieur, - aux figures 2a, 2b et 2c, les étapes du procédé de fabrication du rotor à aimants concentriques présenté à la figure 1, 20 - à la figure 3, la chute de matière après la découpe d'une tôle par le procédé de fabrication présenté aux figures 2a, 2b et 2c, - à la figure 4, un rotor à aimants concentriques selon un mode de réalisation de l'invention, - à la figure 5, le découpage d'un ruban de tôle pour former des tôles utilisées 25 pour former le corps du rotor présenté à la figure 4, - aux figure 6a et 6b, l'enroulement d'une tôle, obtenue après découpage du ruban de tôle présenté à la figure 5, autour d'un noyau de maintien, - à la figure 7, l'assemblage de flasques de maintien et d'un arbre sur le rotor présenté à la figure 4, 30 - à la figure 8a, un flasque de maintien selon un mode de réalisation différent de celui présenté à la figure 7, 6 - à la figure 8b, un arbre selon un mode de réalisation différent de celui présenté à la figure 7, - à la figure 9, un diagramme en bloc illustrant les étapes du procédé de montage du rotor à aimants concentriques de l'invention. 5 DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. L'invention se rapporte à un rotor 10 à aimants concentriques de machine électrique 10 tournante notamment pour véhicule automobile. La machine électrique tournante peut se présenter sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. La figure 4 illustre de manière schématique la structure du rotor 10 à aimants concentriques selon un mode de réalisation de l'invention. 15 En référence à la figure 4, le rotor 10 à aimants concentriques d'axe longitudinal X, comporte : - un corps 21, - un noyau de maintien 11. Le corps 21 et le noyau de maintien 11 du rotor 10 sont coaxiaux, le corps 21 zo entourant le noyau de maintien 11. Le corps 21 du rotor 10 présente globalement la forme d'un cylindre creux qui s'étend selon l'axe longitudinal X du rotor 10. Une épaisseur prédéterminée ep du corps 21 est formée par au moins un enroulement d'une même tôle 12 comme on peut le voir sur les figures 6a et 6b. Pour ce faire, la longueur L de la tôle 12 doit être 25 suffisante pour permettre son enroulement autour du noyau de maintien 11 et ainsi former l'épaisseur prédéterminée ep du corps 21. Selon un mode de réalisation, la longueur L de la tôle 12 est comprise dans l'intervalle [10m ; 50m], préférentiellement 25m. Avantageusement, l'enroulement d'une même tôle 12 s'étend sur la totalité de l'épaisseur e-r du corps 21 du rotor 10, l'épaisseur prédéterminée ep du corps 21 30 correspondant à l'épaisseur totale e-r dudit corps 21. La fabrication du corps 21 est alors considérablement simplifiée puisqu'il suffit d'enrouler une seule tôle 12 autour 7 du noyau de maintien 11 pour obtenir le corps 21. Selon un autre mode de réalisation, l'épaisseur totale e-r du corps 21 est formée par au moins deux enroulements de tôle 12 qui sont dans le prolongement l'une de l'autre. En outre, selon un mode de réalisation non limitatif, la tôle 12 est réalisée par un procédé de 5 laminage. Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 4, le corps 21 du rotor 10 comporte des cavités 18 orientées vers l'axe longitudinal X du rotor 10, qui sont adaptées pour recevoir des aimants permanents (non représentés) du rotor 10. En d'autres termes, les cavités 18 s'étendent selon un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal X du rotor Io 10. Chaque cavité 18 du corps 21 est délimitée par deux dents rotoriques 19 adjacentes. Afin de réaliser les cavités 18 et les dents rotoriques 19, chaque tôle 12 est formée à partir d'un ruban 30 de tôle de longueur découpé dans le sens de la longueur L pour former deux tôles 12. On rappelle que le ruban 30 de tôle doit présenter une 15 longueur L suffisante pour permettre son enroulement autour du noyau de maintien 11. De plus, le ruban 30 de tôle 12 est découpé suivant un motif spécifique. Avantageusement, une seule opération de découpe permet d'obtenir deux tôles 12 qui sont prêtes à être enroulées autour du noyau de maintien 11. Plus précisément, après découpe, chaque tôle 12 présente un bord interne 24 et un bord externe 23 qui 20 présentent chacun des profils spécifiques. Par « bord interne », on entend le bord de la tôle 12 qui est destiné à être positionné en regard du noyau de maintien 11. Comme on peut le voir sur les figures 5, 6a et 6b, le bord interne 24 de chaque tôle 12 présente globalement un profil en dents de scie adapté à coopérer avec le noyau de maintien 11. Le bord externe 23 de la tôle 12, opposé au bord interne 24, 25 présente un profil bosselé. En d'autres termes, le bord externe 23 présente une série de bosses 31. Lorsque la tôle 12 est enroulée autour du noyau de maintien 11, les profils des bords interne 24 et externe 23 des différents niveaux de la tôle 12 se superposent pour former les cavités 18 et les dents rotoriques 19 du corps 21. On note que le ruban 30 de tôle doit présenter une largeur I suffisante pour pouvoir 30 fabriquer au moins deux tôles 12. De plus, après la découpe du ruban 30 de tôle, les deux tôles 12 formées présentent des bords internes 24 complémentaires comme on peut le voir sur la figure 5 ce qui permet de réduire considérablement les chutes de matière. 8 Le noyau de maintien 11 du rotor 10 présente globalement la forme d'un cylindre creux qui s'étend selon l'axe longitudinal X du rotor 10. Plus précisément, le noyau de maintien 11 présente un orifice 25 traversant qui s'étend selon l'axe longitudinal X du rotor 10 et qui est adapté pour recevoir un arbre central 15 de la machine 5 électrique tournante. Le noyau de maintien 11 est réalisé, selon un mode de réalisation, dans un matériau amagnétique afin d'empêcher la pénétration du magnétique dans la zone formée par le noyau de maintien 11 ce qui permet de limiter les fuites magnétiques dans ladite zone. Le matériau amagnétique utilisé est par exemple de l'aluminium, de l'Inox ou encore de la résine. 10 En outre, le noyau de maintien 11 présente une empreinte externe adaptée pour coopérer avec les dents rotoriques 19 du corps 21 ainsi que les aimants permanents positionnés à l'intérieur des cavités 18 dudit corps 21. Pour ce faire, des premières rainures 26 longitudinales sont ménagées dans une paroi externe 20 du noyau de maintien 11. Les dimensions des premières rainures 26 sont choisies de sorte que 15 lorsque la tôle 12 est enroulée autour du noyau de maintien 11, les extrémités des dents rotoriques 19 de la tôle 12 soient positionnées dans les premières rainures 26. En outre, des secondes rainures 27 sont ménagées dans la paroi externe 20 du noyau de maintien 11. Chaque première rainure 26 est délimitée par deux secondes rainures 26 adjacentes. Les dimensions des secondes rainures 27 sont choisies de 20 sorte que lorsque les aimants sont positionnés dans les cavités 18, les extrémités desdits aimants permanents soient en appui dans les secondes rainures 27. Par ailleurs, le noyau de maintien 11 comporte une pluralité de trous 32 ménagés circonférentiellement par rapport à l'axe longitudinal X du rotor 10 et qui traversent axialement le noyau de maintien 11. Les trous 32 peuvent permettre le passage d'un 25 liquide de refroidissement, par exemple de l'air ou de l'huile. La figure 7 représente l'assemblage de flasques de maintien 13 et 14 et de l'arbre centra115 sur le rotor 10. En référence à la figure 7, l'arbre central 15 est positionné dans l'orifice 25 du noyau de maintien 11. On rappelle que l'arbre central 15 peut être menant ou mené c'est-à- 30 dire qu'il peut entrainer en rotation le rotor 10 ou être entrainé en rotation par le rotor 10. 9 En outre, un flasque de maintien avant 13 et un flasque de maintien arrière 14 sont positionnés de part et d'autre du corps 21 de sorte à l'enserrer selon l'axe longitudinal X du rotor 10. En d'autres termes, des faces radiales internes 35 des flasques de maintien 13 et 14 sont en appui contre des faces radiales externes 36 du 5 corps 21. Par ailleurs, chaque flasque de maintien 13 et 14 présente globalement la forme d'un disque s'étendant dans un plan radial perpendiculaire à l'axe longitudinal X du rotor 10. Les flasques de maintien 13 avant et arrière 14 sont, en outre, montés coaxialement à l'arbre central 15, chaque flasque de maintien 13 et 14 comportant un 10 orifice central 33 et 34 pour le montage coaxial sur l'arbre central 15. Chaque flasque de maintien 13 et 14 comporte des trouées 37 destinées à permettre le passage de tirants (non représentés). Le corps 21 comporte également des trouées de manière à ce que les tirants puissent traverser axialement ledit corps 21 depuis le flasque de maintien avant 13 jusqu'au flasque de maintien arrière 14. Selon 15 un mode de réalisation, les flasques de maintien 13 et 14 sont en matière conductrice de chaleur, par exemple en métal. En outre, selon un autre mode de réalisation présenté à la figure 8a, chaque flasque de maintien 13 et 14 comporte des tenons radiaux 16. Les tenons radiaux 16 sont adaptés pour coopérer avec des troisièmes rainures longitudinales 17 ménagées 20 dans l'arbre central 15 telles que représentées sur la figure 8b. La coopération des tenons radiaux 16 avec les troisièmes rainures longitudinales 17 permet de maintenir les flasques de maintien 13 et 14 en position par rapport à l'arbre central 15. La figure 9 représente les étapes d'un procédé de montage 100 du rotor 10 à aimants concentriques selon un mode de réalisation de l'invention. 25 Dans une étape de découpe 101, le ruban 30 de tôle est découpé en au moins deux tôles 12. Selon un mode de réalisation, chaque tôle 12, obtenue après l'étape de découpe 101, comporte un bord interne 24 présentant un profil en dents de scie et un bord externe 23 présentant un profil bosselé. Dans une étape d'enroulement 102, la tôle 12 obtenue après l'étape de découpe 101 30 est enroulée autour du noyau de maintien 11 pour former une épaisseur prédéterminée ep du corps 21 du rotor 10. L'étape d'enroulement 102 peut comporter 10 l'enroulement d'au moins deux tôles 12 autour du noyau de maintien 11 pour former l'épaisseur prédéterminée ep du corps 21. Dans ce cas, les deux tôles 12 sont dans le prolongement l'une de l'autre. Par ailleurs, lors de l'étape d'enroulement 102, le(s) profil(s) de(s) bord(s) 23 et 24 des différents niveaux d'une même tôle 12 ou d'au 5 moins deux tôles 12 se superposent pour former les cavités 18 délimitées par deux dents rotoriques 19. Des aimants permanents sont alors positionnés à l'intérieur des cavités 18 du corps 21. Dans une étape d'insertion 103, l'arbre central 15 est inséré dans le noyau de maintien 11, à travers l'orifice 25 ménagé dans ledit noyau de maintien 11. 10 Dans une étape de positionnement 104, le flasque de maintien 13 et le flasque de maintien arrière 14 sont positionnés de part et d'autre du corps 21 de sorte à l'enserrer axialement. On note que les flasques de maintien 13 et 14 sont positionnés de sorte que l'arbre central 15 soit également inséré à travers l'orifice central 33 et 34 de chaque flasque de maintien 13 et 14 15 Dans une étape de fixation 105, les flasques de maintien 13 et 14 sont fixés au corps 21. Pour ce faire, les tirants sont insérés à travers les trouées 37 du flasque de maintien avant 13 puis à travers les trouées 37 du corps 21 jusqu'au REVENDICATIONS1. Rotor (10) à aimants concentriques pour machine électrique tournante, s'étendant selon un axe longitudinal (X) et comportant un noyau de maintien (11) et un corps (21), caractérisé en ce qu'une épaisseur prédéterminée (ep) du corps (21) est formée par un enroulement d'une même tôle (12) autour du noyau de maintien (11). 2. Rotor (10) à aimants concentriques selon la revendication 1, caractérisé en ce Io que l'enroulement de la tôle (12) s'étend sur la totalité de l'épaisseur (eT) du corps (21) du rotor (10). 3. Rotor (10) à aimants concentriques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux enroulements de tôles (12) formant la totalité de 15 de l'épaisseur (eT) du corps (21) du rotor (10). 4. Rotor (10) à aimants concentriques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau de maintien (11) est réalisé dans un matériau amagnétique. 20 5. Rotor (10) à aimants concentriques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau de maintien (11) est réalisé en Inox ou en résine. 25 6. Rotor (10) à aimants concentriques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un flasque de maintien avant (13) et un flasque de maintien arrière (14) construits et agencés pour enserrer le corps (21) selon l'axe longitudinal (X) du rotor (10). 30 7. Rotor (10) à aimants concentriques selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque flasque (13, 14) comporte des tenons radiaux (16) construits et agencés pour coopérer avec des troisièmes rainures 12 longitudinales (17) ménagées dans un arbre central (15) traversant le noyau de maintien (11) selon l'axe longitudinal (X) du rotor (10). 8. Rotor (10) à aimants concentriques selon l'une des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que la tôle (12) comporte des cavités (18) construites et agencées pour recevoir les aimants concentriques, chaque cavité (18) étant délimitée par deux dents rotoriques (19) adjacentes. 9. Rotor (10) à aimants concentriques selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le noyau de maintien (11) comporte des premières rainures (27) construites et agencées pour recevoir les dents rotoriques (19) de la tôle (12). 10. Machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant un rotor (10) à aimants concentriques selon l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Procédé (100) de montage d'un rotor (10) à aimants concentriques comportant un noyau de maintien (11) et un corps (21), ledit procédé (100) étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'enroulement (102) d'une même tôle (12) autour du noyau de maintien (11) pour former une épaisseur prédéterminée (ep) du corps (21).