Brevet FR3076672A1 — publié le 20190712

Couronne d'équilibrage de rotor réalisée en fonderie L'invention concerne les couronnes d'équilibrage de machines électriques à rotor bobiné. Les rotors bobinés présentent de nombreux avantages, notamment l'amélioration du rendement moteur en optimisant à la fois le courant rotorique et les courants statoriques, ainsi que le fait de permettre de manière simplifiée un réglage de la vitesse en agissant directement sur les courants des bobinages du rotor. Cependant, un inconvénient bien connu des rotors bobinés est l'échauffement produit par le passage du courant électrique dans les bobinages rotoriques. Sachant qu'environ 30% à 40% de l'échauffement des bobinages d'un rotor bobiné se concentre au voisinage des têtes de bobines, situées aux extrémités longitudinales du rotor, une méthode de refroidissement connue consiste à projeter de l'huile, ou tout autre liquide de refroidissement, diélectrique et caloporteur, sur les têtes de bobines. Afin d'assurer un maintien ferme de la structure du rotor, notamment lorsque le rotor est entraîné en rotation à grande vitesse, on installe à chaque extrémité longitudinale du rotor, des couronnes de maintien mécanique, interdisant à l'empilage de tôle de la structure de se disloquer sous l'effet de la force centrifuge. Cependant, le liquide de refroidissement projeté aux extrémités longitudinales du rotor s'accumule dans les couronnes de maintien mécanique des bobinages. Les couronnes de maintien servent aussi d'élément d'équilibrage. On procède pour cela généralement par enlèvement local de matière de la couronne, par exemple par usinage. Ainsi, ces couronnes forment à chaque extrémité du rotor un anneau entourant définissant un logement également sensiblement annulaire. La matière de la couronne et le logement entourent une ouverture centrale de la couronne, conduisant aux têtes de bobines rotoriques. 2 Lorsqu'un liquide de refroidissement est projeté sur les têtes de bobines, ces couronnes retiennent alors le liquide, qui s'accumule notamment sur les parois circonférentielles internes de l'ouverture centrale formée par la couronne en saillie du rotor. 5 Or, le liquide de refroidissement ainsi accumulé dans la couronne, et sous l'effet de la force centrifuge, crée une surface lisse contre la paroi circonférentielle interne de la couronne qui par capillarité s'infiltre dans l'entrefer. Un problème est que le liquide de refroidissement présent dans l'entrefer 10 crée des effets de frottements entre le stator et le rotor, ce qui diminue le rendement de la machine électrique. Il existe donc le besoin pour une solution permettant d'améliorer le refroidissement des bobinages rotoriques d'une machine à rotor bobiné et ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur. 15 A cette fin, une couronne de maintien mécanique de bobinages rotoriques selon l'invention, est configurée pour être installée à une extrémité longitudinale d'un rotor. La couronne définit : -un anneau de maintien configuré pour encercler une portion d'extrémité de bobinages rotoriques, l'anneau étant de section radiale concave de manière 20 à définir à un logement annulaire vers l'intérieur de l'anneau, le logement étant prévu pour coiffer une portion d'extrémité de bobinages rotoriques ; -une ouverture centrale configurée pour déboucher axialement sur les bobinages, de manière à pouvoir projeter du liquide de refroidissement sur les bobinages rotoriques pendant la rotation du rotor. 25 La couronne est moulée de manière monobloc en alliage métallique, et comporte au moins deux conduits d'évacuation aptes à évacuer radialement du liquide de refroidissement éjecté par force centrifuge à partir des bobinages rotoriques. Le logement destiné à coiffer les bobinages peut être éventuellement 30 angulairement segmenté en plusieurs portions d'anneau. Par section radiale, on entend ici une section par un plan radial, c'est-à-dire par un plan contenant l'axe géométrique de rotation du rotor, et contenant un axe géométrique de l'anneau. 3 La couronne comporte, de moulage, des tirants de renfort formant des zones de renfort et s'étendant chacun dans un plan radial. 5 Selon un mode de réalisation, les tirants de renfort sont sensiblement rectilignes. Ils peuvent par exemple s'étendre en oblique par rapport à l'axe de rotation de l'anneau. Avantageusement, une portion du logement annulaire peut être ménagée derrière les tirants de renfort, de manière à former un passage annulaire 10 angulairement continu sur toute la circonférence de l'anneau, entre les tirants de renfort et une surface radialement intérieure de l'anneau de maintien. Du liquide centrifugé peut ainsi circuler aisément pour se répartir autour de l'anneau et /ou pour sortir par les conduits d'évacuation. Les conduits d'évacuation peuvent être formés par des orifices traversant 15 l'anneau pour déboucher dans le passage annulaire à une extrémité du conduit. A une autre extrémité du conduit, celui-ci débouche radialement, ou débouche en oblique par rapport à l'axe de l'anneau, sur une face circonférentielle extérieure de l'anneau. Les conduits d'évacuations peuvent être sensiblement centrés, 20 angulairement, chacun sur un tirant de renfort. La présence des tirants de renfort compense ainsi partiellement au moins l'effet de concentrations de contraintes induit par la présence des conduits. On peut aussi considérer par exemple comme un tirant de renfort unique, deux barreaux de renfort situés angulairement de part et d'autre du même conduit, à une distance angulaire du 25 conduit inférieure ou égale au diamètre maximal du conduit. La couronne peut comporter au moins trois tirants de renfort. Au moins trois des tirants de renfort peuvent alors être traversés chacun par un orifice sensiblement axial débouchant sur une surface axiale extérieure de l'anneau. 30 Selon un autre mode de réalisation, au moins trois des tirants de renfort sont traversés chacun par un orifice sensiblement axial aligné avec un deuxième orifice axial ménagé au travers de l'anneau débouchant sur une surface axiale extérieure de l'anneau. 4 Les orifices axiaux traversant les tirants de renfort permettent ainsi d'insérer des vis/goujons/tirants d'assemblage de la couronne, en limitant encore une fois l'effet d'entaille engendré par la présence de ces orifices. La couronne peut être moulée en alliage à base d'aluminium, en autre 5 alliage métallique léger, voire plus généralement en alliage métallique. La couronne telle que décrite précédemment peut comporter au moins 3 tirants de renfort, avantageusement entre 4 et 16 tirants de renfort, par exemple 8 tirants de renfort. Respectivement, la couronne peut comporter au moins 3 10 vis/goujons/tirants d'assemblage, avantageusement entre 4 et 16, par exemple 8. L'invention concerne également un moteur dont au moins une extrémité des bobinages du rotor est coiffée d'une couronne selon l'invention, de préférence de deux couronnes selon l'invention, soit une couronne à chacune 15 des extrémités axiales des bobinages du rotor. Quelques buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 est une vue en perspective d'une couronne d'équilibrage de rotor 20 selon l'invention, vue par sa face intérieure, c'est-à-dire par sa face concave venant coiffer une extrémité des bobinages du rotor ; La figure 2 est une vue en perspective d'une couronne d'équilibrage de rotor selon l'invention, vue par sa face extérieure, c'est-à-dire par ses surfaces extérieures aux bobinages du rotor ; 25 La figure 3 est une vue de détail, en perspective, d'un tirant de renfort et de plusieurs orifices particuliers ménagés sur la couronne selon l'invention. Tel qu'illustré sur la figure 1, la couronne d'équilibrage 10, comprend un anneau de maintien 2 moulé monobloc en alliage à base d'aluminium, ou en autre alliage métallique. 5 L'anneau 2 comprend une face extérieure 3 globalement convexe, et une face intérieure 4 globalement concave. La face 4 concave définit un logement annulaire intérieur 11 venant coiffer une extrémité des bobinages du rotor. L'anneau de centre 0 entoure une ouverture centrale 5 coiffant l'extrémité d'un 5 rotor non réprésenté autour de son axe de révolution [Oz), cet axe étant orienté selon une direction axiale. Des tirants de renfort 6 renforcent l'anneau en traction suivant les directions comprises dans les plans radiaux localement associés aux positions angulaires de ces tirants de renfort. Des conduits d'évacuation 7 permettent de laisser sortir du liquide de 10 refroidissement éjecté radialement des bobinages (non représentés) sous l'effet de la force centrifuge. Les tirants de renfort sont traversés chacun par un premier orifice sensiblement axial 8 aligné avec un deuxième orifice axial 9 (visible sur la figure 2) ménagé au travers de l'anneau 2, et débouchant sur une surface axiale extérieure de 15 l'anneau. Une portion du logement annulaire 11 forme un passage annulaire 12 angulairement continu et s'étendant autour de toute la circonférence de l'anneau, entre les tirants de renfort et l'anneau de maintien. La figure 2 représente la même couronne que celle de la figure 1, et permet de 20 voir les orifices 9 alignés axialement avec les orifices 8 traversant les tirants de renfort. La figure 3 permet de voir plus précisément un exemple de géométrie locale au niveau du tirant de renfort et sous le tirant de renfort, pour optimiser à la fois la résistance de l'anneau et la circulation du fluide de refroidissement. On 25 retrouve sur les figures 2 et 3 des éléments communs à la figure 1, les mêmes éléments étant désignés par les mêmes références. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit, et peut se décliner en de nombreuses variantes en terme par exemple de matériaux, de section et 6 de lignes moyennes des tirants de renfort, de profil de l'anneau entre les tirants de renfort. La géométrie de couronne moulée selon l'invention permet de combiner, dans une couronne simple à réaliser, une bonne résistance mécanique et 5 l'intégration des fonctions de fixation (vis/goujons/tirants axiaux pouvant être insérés dans les orifices 8,9), des fonctions de maintien des bobinages (logement annulaire) et des fonctions de refroidissement (conduits d'évacuation REVENDICATIONS1. Couronne (10) de maintien mécanique de bobinages rotoriques, configurée pour être installée à une extrémité longitudinale d'un rotor, la couronne définissant : -un anneau de maintien (2), l'anneau étant de section radiale concave de manière à définir à un logement annulaire (11) vers l'intérieur de l'anneau (2), le logement (11) étant prévu pour coiffer une portion d'extrémité de bobinages rotoriques, -une ouverture centrale (5) configurée pour déboucher axialement sur les bobinages, de manière à pouvoir projeter du liquide de refroidissement sur les bobinages rotoriques pendant la rotation du rotor ; caractérisée en ce que ladite couronne (10) est moulée de manière monobloc en alliage métallique, et comporte au moins deux conduits d'évacuation (7) aptes à évacuer radialement du liquide de refroidissement éjecté par force centrifuge à partir des bobinages rotoriques. 2. Couronne selon la revendication 1, comportant, de moulage, des 20 tirants (6) de renfort formant des zones de renfort et s'étendant chacun dans un plan radial. 3. Couronne selon la revendication 2, les tirants de renfort (6) étant sensiblement rectilignes et s'étendant en oblique par rapport à l'axe de rotation 25 (z) de l'anneau (2). 4. Couronne selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle une portion du logement annulaire (11) forme un passage annulaire (12) angulairement continu sur toute la circonférence de l'anneau, passant entre les tirants de renfort et 30 une surface radialement intérieure de l'anneau de maintien (2). 5. Couronne selon la revendication 4, dans laquelle les conduits (7) sont formés par des orifices traversant l'anneau (2) pour déboucher dans le 8 passage annulaire à une extrémité, et, à une autre extrémité du conduit (7), pour déboucher radialement, ou pour déboucher en oblique par rapport à l'axe (z) de rotation l'anneau, sur une face circonférentielle extérieure de l'anneau (2). 5 6. Couronne selon l'une des revendications 4 ou 5, dans laquelle les conduits d'évacuations (7) sont sensiblement centrés, angulairement, chacun sur un tirant (6) de renfort. 7. Couronne selon l'une des revendications 2 à 6, comportant au moins io trois tirants de renfort (6), et dans laquelle au moins trois des tirants de renfort (6) sont traversés chacun par un orifice (8) sensiblement axial débouchant sur une surface axiale extérieure de l'anneau. 8. Couronne selon l'une des revendications 2 à 6, comportant au 15 moins trois tirants de renfort (6), et dans laquelle au moins trois des tirants de renfort (6) sont traversés chacun par un orifice (8) sensiblement axial aligné avec un deuxième orifice axial (9) ménagé au travers de l'anneau (2) débouchant sur une surface axiale extérieure de l'anneau. 9. Couronne selon l'une des revendications précédentes, moulée en alliage à base d'aluminium. 10. Couronne suivant l'une des revendications 2 à 6 ou 9, comportant au moins 3 tirants de renfort.