La présente invention concerne les machines tournantes électriques 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 WO2011015494, WO2010100007, WO2009038678, US2011291516, WO2014067792, WO2011020788, WO2015071156, WO2012041943, 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.

EP 2 728 718 divulgue un rotor comportant des barres conductrices disposées dans des encoches. Le rotor peut comporter un dispositif de support déformable sous forme d'un fil d'aluminium s'étendant d'une extrémité des encoches à l'autre.

DE 3043800 divulgue un rotor comportant des premières barres de section trapézoïdale et des deuxièmes barres de section rectangulaire disposées dans les encoches. Un élément élastique, par exemple sous forme d'un ressort dans les modes de réalisation illustrés, peut être inséré entre le fond d'une encoche et la deuxième barre.

CN 201215905 divulgue des barres conductrices reçues dans des encoches formées au sein d'un paquet de tôles. Les encoches comportent un logement pour recevoir une goupille élastique servant à serrer les barres.

JPH 1028360 divulgue un rotor comportant des barres de cuivre revêtues d'une couche d'aluminium reçues dans les encoches et de l'aluminium injecté dans ces encoches.

Résumé Une des difficultés qui se posent, lors de l'injection de l'aluminium, est le maintien des barres de cuivre pendant l'injection et/ou avant celle-ci.

L'invention vise à remédier à cette difficulté et a pour objet un rotor de machine tournante électrique comportant :

- un paquet de tôles magnétiques définissant des encoches,

- des barres d'un premier matériau conducteur électrique reçues dans les encoches,

- un deuxième matériau électriquement conducteur, différent du premier, injecté dans les encoches,

- des goupilles ou rivets insérés dans les encoches au contact des barres.

Les goupilles ou rivets sont de préférence insérés entre le fond des encoches et les barres.

Les goupilles ou rivets maintiennent les barres en place durant la manipulation du paquet de tôles avant l'injection, et durant l'injection le cas échéant.

Au moins un anneau de court-circuit peut être surmoulé sur les goupilles ou rivets, lorsque ces dernières dépassent du paquet de tôles. Ainsi, les goupilles ou rivets restent complètement intégrées au rotor après sa fabrication.

Les goupilles ont de préférence une forme conique afin de faciliter l'insertion de celles-ci dans les encoches. Elles peuvent être striées ou crantées, le cas échéant, afin d'améliorer leur ancrage au sein du paquet de tôles.

Le paquet de tôles présente de préférence une épaisseur supérieure à la longueur d'une goupille ou rivet. Ainsi, les goupilles ou rivets ne s'étendent alors que sur une partie de la longueur du paquet. Le deuxième matériau est de préférence injecté dans l'espace derrière les goupilles.

Le rotor peut comporter des goupilles ou rivets à l'une seulement des extrémités du rotor.

En variante, le rotor comporte des goupilles ou rivets à chacune des extrémités du rotor.

Les goupilles peuvent être pleines, creuses et/ou fendues.

Lorsque les goupilles sont pleines, l'espace intérieur des encoches situé derrière les goupilles peut ne pas être rempli par le deuxième matériau injecté. Les goupilles sont avantageusement réalisées de manière à résister à la température lors de l'injection du deuxième matériau, Par exemple, le matériau de la goupille peut être de l'aluminium, de l'acier, de l'acier inoxydable, ou du cuivre recuit.

Les rivets sont déformables afin de provoquer, par déformation plastique et/ou élastique, le calage des barres dans les encoches. Cette solution est avantageuse pour les grosses tôleries.

De préférence, les tôles magnétiques comportent un acier magnétique, par exemple fer/silicium, avec ses différentes nuances. L'épaisseur de chaque tôle est par exemple comprise entre 0,35mm et 0,65mm.

L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'un rotor comme défini dessus, comportant les étapes consistant à :

- fabriquer par poinçonnage ou au laser des tôles magnétiques de rotor,

- former le paquet de tôles du rotor en superposant les tôles magnétiques,

- insérer des barres du premier matériau dans les encoches du paquet de tôles,

- insérer les goupilles ou rivets dans les encoches pour bloquer les barres,

- injecter le deuxième matériau dans les encoches.

Description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre 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 2A à 2D illustrent des variantes de réalisation d'encoches,

- les figures 3 à 5 représentent des variantes de réalisation de cages de rotor selon l'invention,

- la figure 6 représente de façon schématique, en section axiale, une variante de réalisation de rotor selon l'invention, et

- les figures 7A à 7D illustrent des variantes de réalisation de goupilles ou de rivets.

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 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 113 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 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 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 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.

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.

Eléments de blocage

La machine comporte des éléments de blocage par exemple, comme illustré, sous forme de goupilles 70 insérées dans les encoches au contact des barres 10.

Comme illustré à la figure 1, ces goupilles 70 sont de préférence disposées dans le fond des encoches 4, pour venir en appui contre la face d'extrémité radialement intérieure 13 des barres 10. Comme illustré, ces goupilles ne s'étendent de préférence que sur une partie de la longueur du paquet. Les goupilles 70 peuvent être de forme conique comme illustré.

Dans l'exemple de la figure 1, les goupilles sont creuses, ce qui permet l'injection du deuxième matériau 20 dans l'espace 44 des encoches situées derrière les goupilles 70. En variante, ces goupilles sont pleines, comme illustré à la figure 7A.

Lorsque les goupilles sont pleines, le deuxième matériau peut néanmoins être injecté dans les espaces derrière les goupilles. Par exemple comme illustré aux figures 2A à 2D, les formes des encoches, et/ou des barres permettent l'injection du deuxième matériau derrière les goupilles.

Dans les variantes illustrées aux figures 7A à 7C, les goupilles ont une forme généralement cylindrique, avec un chanfrein en extrémité.

Les gouilles peuvent avoir un diamètre D qui diminue en approchant leur extrémité, comme illustré aux figures 7 A et 7B, afin de faciliter leur mise en place. Les goupilles peuvent être fendues, comme illustré aux figures 7B et 7C.

Dans la variante de la figure 7D, les éléments de blocage sont sous forme de rivets expansibles tels que des rivets POP.

Encoches avec reliefs de friction

Certaines encoches peuvent présenter des reliefs de friction 5 agencés pour retenir par friction les barres 10.

Comme illustré aux figures 2A à 2D, au moins une partie des ajours peut 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 aider à maintenir efficacement les barres 10 à 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.

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.

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. 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 mm, par exemple de 0,3mm, et présentent par exemple un rayon de courbure R à leur sommet compris entre 0,4 et 0,6mm, par exemple de 0,5mm, comme illustré à la figure 2A.

Toutes les tôles du paquet peuvent être identiques ou non.

Reliefs de blocage

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 d'une barre correspondante, mieux deux tels reliefs opposés venant chacun en appui contre la même face d'extrémité, comme représenté aux figures 2A et 2D.

Encoches avec reliefs de séparation

Comme illustré aux figures 2B et 2C, des reliefs de séparation 15 ou 15a peuvent s'étendre au sein des ajours et séparer les encoches 4 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 deuxièmes compartiments d'une partie au moins des encoches 4. Le deuxième matériau électriquement conducteur 20 peut alors être disposé dans les autres compartiments de ces encoches 4. Les reliefs de séparation 15 ou 15a qui s'étendent au sein des ajours empêchent les premier et deuxième matériaux de venir en contact. Ainsi, les phénomènes potentiels de corrosion sont éliminés.

Les reliefs de séparation 15, 15a peuvent être de différentes formes, étant réalisés par découpe avec la matière des tôles magnétiques.

Dans les exemples des figures 7 et 8C, les reliefs de séparation sont des ponts de matière 15 qui séparent chaque encoche 4 en des premier et deuxième compartiments 6 et 8 non communicants.

Dans la variante de la figure 2B, les reliefs de séparation sont constitués par des avancées 15a disposées en regard l'une de l'autre et qui ménagent entre elles un canal 16 suffisamment étroit pour empêcher un contact entre les premier et deuxième matériaux. Par exemple, lorsque les premiers compartiments 6 sont remplis par injection d'aluminium 20 en fusion, des canaux 6 ayant une largeur inférieure w à 0,6 mm et une hauteur H inférieure à 2 mm peuvent suffire pour empêcher l'aluminium 20 d'entrer dans les deuxièmes compartiments à travers les canaux 6.

Dans la variante de la figure 2C, les barres conductrices 10 du premier matériau sont 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 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 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.

Dans une variante de réalisation, les barres conductrices 10 du premier matériau sont insérées dans les deuxièmes compartiments 8, ce premier matériau étant de préférence du cuivre, le deuxième matériau 20 étant injecté dans les premiers compartiments 6, ce deuxième matériau 20 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 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 empêche le deuxième matériau de s'écouler dans l'ouverture éventuelle de l'encoche du côté de l'entrefer lors de l'injection.

Barres creuses

Dans les variantes des figures 2B et 2C, les barres 10 sont creuses et présentent une cavité intérieure longitudinale 17 qui est remplie par le deuxième matériau 20.

Le fait que les barres 10 soient creuses améliore encore davantage le remplissage de la cavité servant à mouler l'anneau de court-circuit arrière, lorsque l'injection a lieu par l'avant. De plus, la quantité totale de cuivre utilisée peut être moindre, ce qui permet de réduire le coût de la machine.

Le deuxième matériau qui est injecté au sein des barres 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.

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 10 n'occupent pas toute la section des encoches.

Les barres 10, 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 10, creuses ou non, ont une dimension radiale qui est 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 4 du rotor peuvent comporter des barres creuses 10 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 matériau 20. Le rotor comporte par exemple plus d'encoches 4 avec des barres 10 que d'encoches 4 sans barre, ou inversement 10.

Encoches sans barres

Dans la variante illustrée à la figure 5, les barres 10 sont présentes dans une partie seulement des encoches 4.

L'absence de barres 10 dans certaines encoches 4 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 10 en un matériau de moindre résistance électrique tel que du cuivre dans certaines encoches améliore les performances électriques. 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. Le rotor peut comporter plus d'encoches 4 avec des barres 10 que d'encoches 4 sans barre 10. Dans d'autres variantes, c'est le contraire et le rotor comporte plus d'encoches sans barre qu'avec barre.

De multiples dispositions des barres 10 au sein des encoches 4 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 n2 encoches avec barre, ni et n2 étant des entiers strictement supérieurs à 1.

Encoches secondaires

Comme illustré aux figures 3 et 4, les ajours peuvent former au sein du paquet n encoches principales 4 tel que définies ci-dessus et m encoches secondaires 40, radialement intérieures par rapport aux encoches principales, avec n et m entiers non nuls et n>m.

Des barres 10 du premier matériau conducteur électrique, de préférence du cuivre, sont disposées dans au moins une partie des encoches principales 4 et un deuxième matériau conducteur électrique 20, différent du premier, de préférence de l'aluminium, est injecté dans les encoches secondaires 40.

On bénéficie grâce aux encoches secondaires 40 d'une plus grande section de passage pour le deuxième matériau conducteur 20, 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 l'exemple de la figure 3.

Dans la variante illustrée à la figure 4, 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.

Le rapport n/m 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.

Tôles de garde

Le paquet 2 peut comporter, comme représenté à la figure 6, 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 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 110.

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 deuxième matériau 20 dans le paquet 2 de tôles 113. 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 de maintien 221 se superposant au moins partiellement aux barres 10 pour les retenir axialement. Ce relief de maintien 221 peut être réalisé de diverses manières.

Le ou chaque relief de maintien 221 peut être formé par deux avancées en regard, par encoche recevant une barre 10. Ces avancées se superposent aux barres. Dans des variantes de réalisation, le ou chaque relief de maintien 221 comporte un pont de matière par encoche recevant une barre 10.

Les goupilles 70 sont pleines dans cet exemple.

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, aux encoches secondaires 40, 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 facilite l'avancement des barres 10 au sein du paquet 2 de tôles 1. Ensuite, les goupilles ou rivets 70 sont insérées dans le fond des encoches 4 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 réalise, lors de l'injection, les anneaux de court-circuit par moulage.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits.

Par exemple, les encoches peuvent avoir d'autres formes, de même que les barres. D'autres matériaux que le cuivre et l'aluminium peuvent être utilisés.