Brevet FR3153201A1 — publié le 20250321

L’invention concerne un procédé de bobinage d’un pôle (7) de rotor pour machine électrique, le procédé comportant une étape de compression du pôle, selon un axe longitudinal (A1) du rotor, puis une étape de bobinage d’un fil autour du pôle comprimé longitudinalement. Il est également proposé un outil de compression (10). Figure pour l’abrégé : Fig.2 Procédé de bobinage d’un pôle de rotor de machine électrique et outil de compression Domaine technique de l'invention La présente invention concerne de manière générale le domaine des machines électriques, et notamment la réalisation du rotor bobiné de telles machines. Elle concerne plus particulièrement un procédé de bobinage d’un pôle de rotor de machine électrique et un outil de compression pour le bobinage d’un pôle de rotor de machine électrique. Etat de la technique Un rotor à flux radial présente une structure globalement cylindrique s’étendant autour de l’axe de rotation du rotor. Le rotor comporte un corps longitudinal et une pluralité de pôles faisant saillie radialement de ce corps, sur toute la longueur du corps. Chaque pôle comprend une embase (la « portion d'extension radiale ») et une tête de pôle qui dépasse de part et d’autre de la portion d'extension radiale. Un fil de bobinage est enroulé autour des portions d'extension radiales, sous les têtes de pôles, pour former des bobinages. Lors du procédé de réalisation du bobinage, c’est-à-dire lors de l’enroulement d’un fil conducteur autour de la portion d’extension radiale de chaque pôle saillant, chaque tour de bobinage (conduisant à la réalisation d’une spire) applique une force de compression longitudinale sur le pôle. Le corps du rotor étant classiquement formé d’un empilement de feuilles métalliques (ou tôles) empilées selon la direction longitudinale du rotor, cette force de compression a pour conséquence une compression longitudinale des feuilles métalliques et donc une réduction de la longueur du pôle saillant. Plus le nombre de tour de bobinage est important, plus le pôle saillant est comprimé, et plus la diminution de la longueur du pôle saillant est importante (jusqu’à une certaine limite). Ainsi, les premiers tours de bobinage sont réalisés autour d’un pôle saillant dont la longueur diminuera par la suite sous la force de compression des tours de bobinage suivants. Par conséquent, les spires sont d’autant plus détendues qu’elles ont été réalisées tôt dans le procédé. Ce phénomène rend difficile la réalisation d’un bobinage bien ordonné (dont les spires sont également tendues et parallèles), nécessaire à l’obtention d’un espace inter-pôles qui soit stable d’un espace inter-pôles à l’autre. Présentation de l'invention Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose un outil permettant la réalisation d’un bobinage ordonné, dans lequel chaque tour de bobinage est convenablement tendu. Plus particulièrement, on propose selon l’invention un procédé de bobinage d’un pôle de rotor pour machine électrique, le procédé comportant une étape de compression du pôle, selon un axe longitudinal du rotor, puis une étape de bobinage d’un fil autour du pôle compressé longitudinalement. Ainsi, grâce à l’étape de compression préalable au bobinage, l’enroulement des spires du bobinage débute autour d’un pôle déjà compressé et la longueur du pôle diminue moins ou ne diminue pas pendant le bobinage. On évite ainsi l’obtention d’une bobine dont certaines spires sont totalement distendues, ou même partiellement distendue. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - le fil formant autour du pôle des spires, l’étape de bobinage est réalisée de façon que chaque spire exerce une force de compression longitudinale sur le pôle, le pôle étant comprimé à l’étape de compression par une force compression au moins équivalente à la force de compression exercée par vingt spires, et préférentiellement vingt-huit spires. - le rotor comprenant un corps central, le pôle comportant une tête de pôle et une portion d’extension radiale qui s’étend radialement depuis le corps central jusqu’à la tête de pôle, au cours de l’étape de compression, un outil de compression est employé, cet outil comportant deux pattes de serrage et des moyens d’actionnement configurés pour faire translater les deux pattes de serrage l’une vers l’autre, l’étape de compression comportant une étape de positionnement de l’outil de façon que chaque patte de serrage s’étendent de part et d‘autre en en appui contre des extrémités longitudinales du pôle, une étape d’actionnement des moyens d’actionnement de façon à comprimer le pôle entre les deux pattes de serrage. - les moyens d’actionnement sont des moyens de vissage. - les moyens d’actionnement comportant un orifice ménagé dans chaque patte de serrage dont l’un est taraudé et une vis engagée au travers des deux orifices, l’étape d’actionnement comporte une rotation de la vis dans les orifices de façon que les pattes de serrage coulissent l’une vers l’autre. - l’outil de compression comporte un guide de translation établissant une liaison glissière avec les pattes de serrage, l’étape de positionnement de l’outil comportant en outre un placement du guide de translation contre une surface distale de la tête de pôle relativement au corps central. - la vis comportant un corps fileté vissé dans l’orifice taraudé d’une première des pattes de serrage et une tête de vis, l’outil de compression comporte un ressort placé entre l’autre des pattes de serrage et la tête de vis. Selon un autre aspect, il est proposé un outil de compression de pôle de rotor bobiné, comportant une première patte de serrage, une deuxième patte de serrage, des moyens d’actionnement configurés pour faire translater les pattes de serrage l’une vers l’autre, et un guide de translation établissant une liaison glissière avec les pattes de serrage. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du procédé conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - le guide de translation entoure au moins partiellement les pattes de serrage et les moyens d’actionnement. - les moyens d’actionnement comporte une vis comportant un corps fileté vissé dans l’orifice taraudé d’une des pattes de serrage et une tête de vis, l’outil comportant un ressort placé entre l’autre pattes de serrage et la tête de vis. Selon un autre aspect, il est proposé un rotor pour machine électrique, comportant au moins un pôle bobiné comprenant un pôle autour duquel sont enroulées plusieurs spires d’un fil électriquement conducteur, chaque spire présentant une force de tension minimale de 20N. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Description détaillée de l'invention La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : FIG. 1 est une vue schématique en perspective d’un rotor bobiné selon un procédé conforme à l’invention, et sur lequel est engagé un outil selon l’invention ; FIG. 2 est une vue en coupe du rotor et de l’outil de la FIG. 1 ; FIG. 3 illustre la tension de chaque spire au cours du bobinage d’un pôle de rotor selon un procédé de l’art antérieur, FIG. 4 illustre la tension de chaque spire au cours du bobinage d’un pôle du rotor de la FIG. 1 . L’invention a trait au bobinage des pôles d’un rotor 1 pour machine électrique. Ce rotor 1 est conçu pour pivoter par rapport à un stator, autour d’un axe de rotation A1 correspondant en pratique à l’axe longitudinal de ce rotor 1. Dans cette description, toute direction parallèle à l’axe de rotation A1 du rotor est considérée être une direction longitudinale. Tout direction orthogonale à l’axe de rotation A1 du rotor et passant par l’axe de rotation A1 du rotor est considérée ici être une direction radiale. Tout direction orthogonale à l’axe de rotation A1 du rotor et ne passant pas par l’axe de rotation A1 du rotor est dite circonférentielle ou ortho-radiale (une trajectoire circonférentielle est donc une trajectoire circulaire). Il en est de même pour les directions relatives à l’axe de l’outil de compression présenté ci-après. Comme le montrent les figures 1 et 2, le rotor bobiné 1 comporte ici un corps 2 de forme globalement cylindrique qui s’étend autour de l’axe de rotation A1 entre une première face 3 et une deuxième face 4. Le corps 2 du rotor 1 est ici constitué d’une pluralité de feuilles métalliques (ou tôles) orthogonales à l’axe de rotation A1 et empilées selon la direction longitudinale. Le rotor 1 comporte en outre un arbre 5 qui s'étend au travers du corps 2. Le corps 2 du rotor 1 comporte une partie centrale 6 de forme globalement cylindrique et une pluralité de pôles saillants 7, ici huit pôles saillants 7, qui s'étendent radialement depuis la partie centrale 6 en s'écartant de l’axe du rotor 1. Les pôles saillants 7 s’étendent longitudinalement sur toute la longueur du corps 2, c’est-à-dire entre la première face 3 et la deuxième face 4. Les pôle saillants 7 sont régulièrement répartis autour de l’axe de rotation A1. Chaque pôle saillant 7 comporte une embase appelée « portion d'extension 8 » qui s'étend radialement depuis le corps central 6 jusqu’à une tête de pôle 9 associée, laquelle forme des saillies ortho-radiales en porte à faux de part et d’autre de la portion d’extension 8. Ainsi, la section droite de chaque pôle 7 présente globalement une forme de champignon, dont la portion d’extension 8 forme le pieds et la tête de pôle 9 le chapeau. Le procédé selon l’invention porte sur la réalisation d’un bobinage autour de la portion d’extension 8 de chaque pôles saillant 7. Le procédé comporte par exemple l’enroulement d’une pluralité de spires parallèles à l’aide d’un fil électriquement conducteur. Chaque spire est enroulée avec une tension prédéterminée, par exemple comprise entre 50 newtons et 150 newtons. Au niveau de leurs extrémités, les pôles saillants 7 présentent des arrêtes qui endommageraient le fil conducteur s’il était enroulé directement autour du pôle. Afin d’éviter cet inconvénient, chaque pôle est pourvu, au niveau de chacune des faces 3 et 4, d’un guide de tête de bobinage 21 qui confère aux extrémités des pôles des rayons de courbures non nul. Afin d’éviter une compression longitudinale des feuilles métallique – et donc une réduction de la longueur du corps 2 – au cours du bobinage, qui entraînerait une diminution progressive de la tension de chaque spire durant le bobinage, le procédé comprend, préalablement à l’enroulement des spires autour d’un pôle saillant 7, une étape de compression longitudinale du pôle saillant 7. Par exemple, la compression est réalisée par l’application de forces de compression sur la première face 3 et la deuxième face 4, de façon orthogonale à ces faces. La résistance aux forces de compressions dépend des paramètres du rotor (longueur du pôle, matériau, nombre de feuilles métalliques, etc.) et la force de compression appliquée sur le pôle dépend de la tension de chaque spire. Par exemple, s’il a été observé qu’à la fin d’un procédé de bobinage classique (sans compression préalable), un nombre N de spires se retrouvent complétement distendues, la force de compression à appliquer sur le pôle saillant 7 préalablement au bobinage sera choisie de façon à être au moins égale à la force de compression exercées par N spires. Ici, la force de compression est choisie comme étant la force de compression exercée par vingt-huit spires. Afin d’appliquer la force de compression souhaitée sur le pôle saillant 7 lors de son bobinage, il est proposé un outil de compression 10 qui est configuré pour être placé sur le pôle de façon à lui appliquer la force de compression préalablement à l’étape de bobinage, et qui y demeure durant tout le bobinage. L’outil de compression comporte une première patte de serrage 11 et une deuxième patte de serrage 12 configurées chacune pour être placées au niveau d’une extrémité du rotor. Ces pattes de serrage présentent chacune une surface de contact configurée pour établir un contact avec l’une des faces 3, 4 du rotor. Ces surfaces de contact s’étendent orthogonalement à l’axe de rotation A1, et elles sont prévues pour s’appuyer sur des zones des faces 3, 4 du pôle saillant qui s’étendent orthogonalement à cet axe. Ces pattes de serrage pourraient présenter des formes variées. Ici, elles sont conçues pour s’appuyer sur les têtes 9 des pôles saillants. L’outil 10 comporte des moyens d’actionnement 13 configurés pour faire translater les premières et deuxième pattes de serrage 11, 12 l’une vers l’autre. Ici, les moyens d’actionnement 13 sont des moyens de vissage. Ils comportent un orifice taraudé 14 ménagé dans l’une des pattes de serrage 11, 12, ici la première patte de serrage 11, et un deuxième orifice 15 lisse ménagé dans l’autre patte de serrage 12, ici la deuxième patte de serrage 12. Les moyens d’actionnement 13 comportent en outre une vis 16 dont un corps fileté 17 (ou tige filetée) est vissé dans le premier orifice 14 et est engagé dans le deuxième orifice 15, et dont une tête de vis 18 est placée en butée contre la patte de serrage comportant l’orifice non fileté, ici la deuxième patte de serrage 12. Ainsi, dans cette configuration, une rotation de la vis 16 entraîne le coulissement de la première patte de serrage 11 et de la deuxième patte de serrage 12 l’une vers l’autre le long de la vis 16. Ici, le premier orifice est débouchant mais en variante il pourrait être traversant. La tête de vis 18 pourrait être placée en butée directement contre la deuxième patte de serrage 12. Toutefois, dans l’exemple illustré, la tête de vis 18 est placée en butée contre la deuxième patte de serrage 12 par l’intermédiaire d’un ressort 19 de compression ou une rondelle de Belleville. Ce ressort 19 est en pratique logé dans une cavité prévue dans la deuxième patte de serrage 12, et est comprimé entre la tête de la vis 16 et le fond de cette cavité. Lorsque l’outil de compression 10 est engagé sur le pôle saillant 7 et que les pattes de serrage 11, 12 exercent une force de compression sur le pôle saillant 7, le ressort 19 est compressé entre la tête de vis 18 et la deuxième patte de serrage. Ainsi, même si, malgré la compression préalable du pôle, la tension des spires entraîne une réduction supplémentaire de la longueur du pôle saillant 7, l’outil de compression 10 reste maintenu sur le pôle saillant 7. L’outil 10 comporte de préférence un guide de translation 20 établissant une liaison glissière avec les pattes de serrage 11, 12, de façon à assurer une translation parfaitement rectiligne des pattes de serrage 11, 12. Le guide de translation 20 fait également ici office de carter de protection de l’outil 10 et entoure en partie les pattes de serrage 11, 12 et les moyens d’actionnement 13. Le guide de translation 20 présente ici une forme globalement tubulaire et les pattes de serrage 11, 12 présentent une forme complémentaire pour être en partie engagées à l’intérieur guide de translation 20, chacune à une extrémité opposée du guide de translation 20. Chaque patte de serrage présente toutefois une collerette extérieure servant de butée pour bloquer le rapprochement des deux pattes à une distance prédéterminée. Le guide de translation 20 présente une surface de contact de forme complémentaire à celle d’une face distale de la tête de pôle 9 (relativement au corps central 6), permettant, lorsque ladite face complémentaire est placé contre la face distale de la tête de pôle, une meilleure tenue de l’outil sur le pôle saillant 7. La FIG. 3 illustre l’évolution de la tension des 75 premières spires au cours d’un procédé de bobinage classique (sans compression préalable) et la FIG. 4 illustre l’évolution de la tension des 115 premières spires lors du procédé de bobinage décrit précédemment. Sur ces figures, la tension T est représentée en ordonnée, et le numéro n de chaque spire (sa position dans le bobinage) est représentée en abscisse. Il est apparent sur la FIG. 3 que la tension T des spires décroit fortement au cours du bobinage. Par exemple, la première spire, bobinée avec une tension T(1) de 100 newtons, est totalement distendue dès le bobinage de la vingtième spire. Lors du bobinage de la 75 e spire, les 34 premières spires sont complétement distendues. Des spires distendues ne s’étendent pas de façon globalement rectiligne, et ne sont donc pas parallèles aux spires tendues. Il est apparent sur la FIG. 4 que, malgré la compression préalable du pôle saillant 7, les spires subissent une distension. En effet, les premières spires appliquent une force de compression supplémentaire suffisante pour compresser encore davantage le pôle saillant 7. Au-delà de la vingtième spire, le pôle a atteint sa compression maximale et sa longueur ne varie plus. Néanmoins, à la fin du procédé de bobinage, aucune des spires bobinées ne se retrouve totalement distendue. Puisqu’à la fin du bobinage, la force de compression totale exercée par les spires en tension est supérieure à celle exercée initialement (c’est-à-dire avant le bobinage du pôle) par l’outil de compression 10, ce dernier n’exerce plus qu’une faible force de compression sur le pôle à la fin du bobinage, suffisante pour assurer le maintien de l’outil sur le pôle. Cette force est par exemple exercée par le seul ressort 19. Par exemple, tension T(1) de la première spire décroit progressivement mais atteint un palier (20 newtons) dès le bobinage de la 20 e spire. A la fin du bobinage, aucune des spires bobinées ne présente une tension T inférieure à 20 newtons. Cela se traduit par un bobinage dont toutes les spires sont tendues, et donc parallèles. A la fin du procédé selon l’invention, les moyens d’actionnement 13 sont actionnés de façon à détendre complétement le ressort 19 et l’outil de compression 10 est dégagé du pôle saillant 7. Lors du dégagement de l’outil de compression 10, la force de compression qu’il exerçait sur le pôle saillant 7 devient nulle, ce qui provoque un relâchement de l’empilement de tôles constituant le pôle saillant 7 et donc une augmentation de la tension des fils. L’invention n’est pas limitée aux modes de mise en œuvre et de réalisation décrit précédemment en lien avec les figures 1 à 4. En particulier, l’outil de compression décrit précédemment est particulièrement adapté à la compression d’un pôle saillant. Néanmoins, l’invention n’est pas limitée à cet outil, et d’autres modes de réalisation pourraient utiliser des outils de compression différents. Par exemple, l’outil de compression peut ne pas comporter de guide de translation, comporter des moyens d’actionnement différents (par exemple, un système à vérins, un système motorisé, etc.). Il a été décrit l’application d’une force de compression sur un seul pôle. L’invention s’applique évidemment à l’ensemble des pôles et, selon certains modes de réalisation, tous les pôles sont comprimés préalablement au bobinage. Par exemple, un outil de compression est engagé sur chaque pôle saillant avant le bobinage du premier pôle saillant. Par ailleurs, afin de compresser le pôle, l’outil de compression décrit ci-avant établi un contact avec chacune des faces opposées du rotor. En variante, l’outil de compression peut établir un contact avec les guides de tête de bobinage plutôt que directement avec les faces opposées du rotor, de façon que, lors de la compression, les guides de tête de bobinage soient compressés entre le pôle et la patte de serrage correspondante. Il peut également être prévu d’exercer au début du bobinage une force de compression égale à celle que les spires exerceront en fin de bobinage. Procédé de bobinage d’un pôle (7) de rotor pour machine électrique, le procédé comportant : - une étape de compression du pôle (7), selon un axe longitudinal (A1) du rotor, puis - une étape de bobinage d’un fil autour du pôle (7) comprimé longitudinalement. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, le fil formant autour du pôle (7) des spires, l’étape de bobinage est réalisée de façon que chaque spire exerce une force de compression longitudinale sur le pôle (7), le pôle étant comprimé à l’étape de compression par une force compression au moins équivalente à la force de compression exercée par vingt spires, et préférentiellement vingt-huit spires. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, le rotor (1) comprenant un corps central (6), le pôle (7) comportant une tête de pôle (9) et une portion d’extension radiale (8) qui s’étend radialement depuis le corps central (6) jusqu’à la tête de pôle (9), au cours de l’étape de compression, un outil de compression (10) est employé, cet outil de compression (10) comportant deux pattes de serrage (11, 12) et des moyens d’actionnement (13) configurés pour faire translater les deux pattes de serrage (11, 12) l’une vers l’autre, l’étape de compression comportant : - une étape de positionnement de l’outil de compression (10) de façon que chaque patte de serrage (11, 12) s’étendent de part et d‘autre en en appui contre des extrémités longitudinales du pôle (7), - une étape d’actionnement des moyens d’actionnement (13) de façon à comprimer le pôle entre les deux pattes de serrage (11, 12). Procédé selon la revendication 3, dans lequel les moyens d’actionnement (13) sont des moyens de vissage. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les moyens d’actionnement (13) comportant un orifice (14, 15) ménagé dans chaque patte de serrage (11, 12) dont l’un (14) est taraudé et une vis (16) engagée au travers des deux orifices (11, 12), l’étape d’actionnement comporte une rotation de la vis (16) dans les orifices (14, 15) de façon que les pattes de serrage (11, 12) coulissent l’une vers l’autre. Procédé selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel l’outil de compression (10) comporte un guide de translation (20) établissant une liaison glissière avec les pattes de serrage (11, 12), l’étape de positionnement de l’outil de compression (10) comportant en outre un placement du guide de translation (20) contre une surface distale de la tête de pôle relativement au corps central (6). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, la vis (16) comportant un corps fileté (17) vissé dans l’orifice taraudé (14) d’une première (14) des pattes de serrage et une tête de vis (18), l’outil de compression (10) comporte un ressort placé entre l’autre des pattes de serrage et la tête de vis. Outil de compression de pôle de rotor bobiné, comportant une première patte de serrage (11), une deuxième patte de serrage (12), des moyens d’actionnement (13) configurés pour faire translater les pattes de serrage (11,12) l’une vers l’autre, et un guide de translation (20) établissant une liaison glissière avec les pattes de serrage (11, 12). Outil de compression selon la revendication 8, dans lequel le guide de translation (20) entoure au moins partiellement les pattes de serrage (11, 12) et les moyens d’actionnement (13). Outil selon la revendication 8 ou 9, dans lequel les moyens d’actionnement comportent une vis (16) comportant un corps fileté (17) vissé dans un orifice taraudé (14) d’une (11) des pattes de serrage (11, 12) et une tête de vis (18), l’outil de compression (10) comportant un ressort (19) placé entre l’autre pattes de serrage (12) et la tête de vis (18). Rotor pour machine électrique, comportant au moins un pôle bobiné comprenant un pôle (7) autour duquel sont enroulées plusieurs spires d’un fil électriquement conducteur, chaque spire présentant une force de tension minimale de 20N.