FR3068184A1 - ELECTRIC MOTOR COMPRISING A ROTOR WITH A FREIGHT SHAFT IN A STACK OF SHEETS - Google Patents
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Abstract
Moteur électrique comportant un rotor, le rotor comprenant un arbre fretté sur au moins une première portion cylindrique (5) de l'arbre, dans un empilement (3) de tôles présentant un orifice central comprenant des cannelures intérieures traversant de manière rectiligne l'empilement (3) de tôles. L'arbre comprend une seconde portion (6) adjacente à la première comprenant des rainures (22) sur sa surface extérieure disposées en regard des cannelures et formant des logements pour guider les cannelures lors de l'insertion de l'arbre dans l'orifice central de l'empilement de tôles.Electric motor comprising a rotor, the rotor comprising a shaft which is shrunk onto at least a first cylindrical portion (5) of the shaft, in a stack (3) of metal sheets having a central orifice comprising internal grooves running rectilinearly through the stack (3) sheets. The shaft comprises a second portion (6) adjacent to the first including grooves (22) on its outer surface disposed opposite the splines and forming slots for guiding the splines when inserting the shaft into the orifice central stack of sheets.
Description
L’invention a pour objet les procédés de fabrication de rotors de moteurs électriques, et en particulier de rotors bobinés.The subject of the invention is the methods for manufacturing rotors of electric motors, and in particular wound rotors.
Les rotors bobinés comprennent un noyau métallique fixé sur un axe de rotation, le noyau métallique s’étendant radialement suivant plusieurs portions, autour desquelles sont réalisés les différents bobinages du rotor. Afin de limiter les pertes par courant de Foucault, le noyau est réalisé par empilage de tôles fines.The wound rotors comprise a metal core fixed on an axis of rotation, the metal core extending radially in several portions, around which the different windings of the rotor are made. In order to limit the eddy current losses, the core is made by stacking thin sheets.
Pour maintenir axialement l’empilage, un système de vis et d’écrous peut être utilisé. Une ou plusieurs clavettes peuvent être interposées entre l’arbre et le noyau afin de transmettre le couple. Cependant, la présence d’une clavette, qui nécessite d'entailler le noyau au voisinage de l'arbre, perturbe les lignes de champ magnétique transitant dans le noyau à proximité de l’arbre, et la fixation par vis plus écrou est peu compatible avec les contraintes d’encombrement des bobinages.To maintain the stack axially, a system of screws and nuts can be used. One or more keys can be interposed between the shaft and the core in order to transmit the torque. However, the presence of a key, which requires to cut the core in the vicinity of the shaft, disturbs the magnetic field lines passing through the core near the shaft, and the fixing by screw plus nut is not very compatible with the size constraints of the windings.
D’autres systèmes d’assemblage sont parfois utilisés. L’arbre peut par exemple être fretté dans l’empilement de tôles. Le diamètre de l’arbre est choisi très légèrement supérieur au diamètre intérieur de l’empilage de tôles. On peut refroidir l’arbre, par exemple à l’azote liquide ou chauffer les tôles, par exemple dans un four. La contraction thermique de l'arbre ou la dilatation de l'orifice central de la tôle permet ensuite d'emmancher l’arbre dans les tôles avec un effort d’emmanchement réduit voire nul.Other assembly systems are sometimes used. The shaft can for example be hooped in the stack of sheets. The diameter of the shaft is chosen very slightly greater than the inside diameter of the sheet stack. You can cool the tree, for example with liquid nitrogen or heat the sheets, for example in an oven. The thermal contraction of the shaft or the expansion of the central orifice of the sheet then allows the shaft to be fitted into the sheets with a reduced or even zero fitting force.
Le frettage thermique étant coûteux en termes de manutention et de temps de cycle, des tentatives de frettage à température ambiante ont été faites. Les efforts d’emmanchement nécessaires limitent les possibilités d’application de cette technique à des moteurs de puissance très réduite ou aux petites séries de fabrication.Since thermal shrinking is costly in terms of handling and cycle time, attempts at shrinking at room temperature have been made. The necessary fitting forces limit the possibilities of applying this technique to very low power motors or to small production series.
Cette technique présente également l’inconvénient de déformer l’empilement de tôles lors de l’insertion de l’arbre dans le paquet de tôles. L’empilement peut en particulier se déformer localement, aux abords de l’arbre, en forme de « parapluie ».This technique also has the disadvantage of deforming the stack of sheets when the shaft is inserted into the pack of sheets. In particular, the stack can deform locally, around the tree, in the form of an "umbrella".
L’invention a pour but de proposer un rotor de moteur à bobinage dont l’arbre puisse être fretté à température ambiante, en utilisant des machines d’assemblage, notamment des presses d'emmanchement, de puissance raisonnable, par exemple des presses de force maximale inférieure ou égale à vingt tonnes.The object of the invention is to propose a winding motor rotor whose shaft can be shrunk at room temperature, using assembly machines, in particular fitting presses, of reasonable power, for example force presses. maximum less than or equal to twenty tonnes.
La force mise en œuvre pour effectuer l'emmanchement peut être inférieure ou égale à 200 kN, et de préférence inférieure ou égale à 150 kN. Le dispositif d'emmanchement peut comprendre un dispositif de maintien angulaire des empilements et un dispositif de maintien angulaire de l'arbre, afin d'éviter une rotation des empilements par rapport à l'arbre lors de l'emmanchement.The force used to effect the fitting may be less than or equal to 200 kN, and preferably less than or equal to 150 kN. The fitting device may include an angular holding device for the stacks and an angular holding device for the shaft, in order to prevent rotation of the stacks relative to the shaft during fitting.
Les paquets de tôle peuvent être soudés, et la pression exercée sur le paquet de tôle pendant le soudage peut être supérieure ou égale 30 000N et de préférence supérieure à 50 000N.The sheet metal packages can be welded, and the pressure exerted on the sheet metal package during welding can be greater than or equal to 30,000N and preferably greater than 50,000N.
L’invention porte donc sur un moteur électrique comportant un rotor comprenant un arbre fretté sur au moins une première portion cylindrique de l’arbre, dans un empilement de tôles présentant un orifice central comprenant des cannelures intérieures traversant de manière rectiligne l’empilement de tôles. L’arbre comprend une seconde portion adjacente à la première, comprenant des rainures sur sa surface extérieure disposées en regard des cannelures et formant des logements pour guider les cannelures lors de l’insertion de l’arbre dans l’orifice central de l’empilement de tôles.The invention therefore relates to an electric motor comprising a rotor comprising a shaft hooped on at least a first cylindrical portion of the shaft, in a stack of sheets having a central orifice comprising internal grooves passing straight through the stack of sheets . The shaft comprises a second portion adjacent to the first, comprising grooves on its outer surface arranged opposite the grooves and forming housings to guide the grooves during the insertion of the shaft into the central orifice of the stack. of sheets.
Selon un mode de réalisation, la seconde portion de l’arbre comprend un épaulement à son extrémité opposée à la première portion.According to one embodiment, the second portion of the shaft includes a shoulder at its end opposite to the first portion.
Selon une caractéristique du moteur, les rainures de la seconde portion débouchent dans l’épaulement.According to a characteristic of the engine, the grooves of the second portion open into the shoulder.
Selon une autre caractéristique du moteur, les rainures ont un fond en pente remontant depuis l’épaulement.According to another characteristic of the engine, the grooves have a sloping bottom rising from the shoulder.
Selon un autre mode de réalisation, la largeur des rainures est la plus grande à leur extrémité débouchante dans l’épaulement, et se réduit progressivement en s’y éloignant.According to another embodiment, the width of the grooves is the largest at their opening end in the shoulder, and is gradually reduced as it moves away.
Selon un autre mode de réalisation, chacune des cannelures de l’empilement est bordée latéralement par deux chanfreins de 45°.According to another embodiment, each of the grooves of the stack is bordered laterally by two 45 ° chamfers.
Selon une autre caractéristique du moteur, chacune des rainures de la seconde portion est bordée latéralement par deux chanfreins de 60°.According to another characteristic of the engine, each of the grooves of the second portion is bordered laterally by two 60 ° chamfers.
L’orifice central de chaque tôle est, préférentiellement, globalement circulaire, une série d'évidements étant ménagée radialement vers l'extérieur d'une circonférence de diamètre minimal de la tôle.The central orifice of each sheet is, preferably, generally circular, a series of recesses being formed radially outward from a circumference of minimum diameter of the sheet.
Les tôles peuvent en outre être soudées entre elles en un ou plusieurs paquets.The sheets can also be welded together in one or more packages.
Le frettage de l’arbre est préférentiellement réalisé à température ambiante.The shrinking of the tree is preferably carried out at room temperature.
D’autres 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 :Other objects, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given solely by way of non-limiting example, and made with reference to the appended drawings in which:
- la figure 1 est une vue en perspective d’un rotor de moteur,- Figure 1 is a perspective view of an engine rotor,
- la figure 2 illustre une tôle destinée à la fabrication d’un rotor selon l’invention, etFIG. 2 illustrates a sheet intended for the manufacture of a rotor according to the invention, and
- la figure 3 illustre la préparation d’un empilement de tôles d’un rotor selon l’invention et l’arbre de ce rotor.- Figure 3 illustrates the preparation of a stack of sheets of a rotor according to the invention and the shaft of this rotor.
Tel qu’illustré sur la figure 1, un rotor 1 de moteur bobiné comprend un arbre 2 emmanché dans un ou plusieurs empilements 3 de tôles, formant un noyau 4. L’arbre 2 comprend une première portion cylindrique 5 masquée en majeure partie à l’intérieur de l’empilement 3 de tôles. La longueur de cette première portion cylindrique peut être, comme sur la figure 1, sensiblement égale à la longueur du noyau 4, ou peut être de longueur axiale supérieure à la longueur du noyau 4.As illustrated in FIG. 1, a rotor 1 of a wound motor comprises a shaft 2 fitted into one or more stacks 3 of sheets, forming a core 4. The shaft 2 comprises a first cylindrical portion 5 largely hidden from view. inside the stack 3 of sheets. The length of this first cylindrical portion can be, as in FIG. 1, substantially equal to the length of the core 4, or can be of axial length greater than the length of the core 4.
La première portion cylindrique 5 de l’arbre jouxte une seconde portion 6 de l’arbre, qui se trouve axialement hors de l’empilement 3 de tôles.The first cylindrical portion 5 of the shaft adjoins a second portion 6 of the shaft, which is located axially outside the stack 3 of sheets.
Cette seconde portion 6 peut être de section variable, de manière à former un cône dont la base a un diamètre identique à la première portion cylindrique ou très légèrement inférieur au diamètre de la première portion 5 de l’arbre.This second portion 6 can be of variable section, so as to form a cone whose base has a diameter identical to the first cylindrical portion or very slightly less than the diameter of the first portion 5 of the shaft.
De part et d’autre des première et seconde portions 5 et 6, l’arbre 2 peut se prolonger respectivement par une première portion d’extrémité 7 et par une seconde portion d'extrémité 8. La première portion d’extrémité 7 est de section quelconque. La portion d’extrémité 8 se trouvant du côté de la seconde portion 6 de l’arbre, est de diamètre inférieur ou égal au diamètre de la seconde portion cylindrique 5 de l’arbre.On either side of the first and second portions 5 and 6, the shaft 2 can be extended respectively by a first end portion 7 and by a second end portion 8. The first end portion 7 is any section. The end portion 8 located on the side of the second portion 6 of the shaft, is of diameter less than or equal to the diameter of the second cylindrical portion 5 of the shaft.
La figure 2 montre une des tôles 9, ou plus précisément une portion de tôle découpée, appartenant à un des empilements de tôles 3 de la figure 1. La portion de tôle 9 est délimitée par un contour extérieur 10 et par un contour intérieur 11.FIG. 2 shows one of the sheets 9, or more precisely a portion of cut sheet, belonging to one of the stacks of sheets 3 of FIG. 1. The sheet portion 9 is delimited by an external contour 10 and by an internal contour 11.
Le contour extérieur 10 présente, entre deux bras voisins 12, des encoches rectangulaires 13 permettant, de part et d’autre de chaque bras 12, de venir appuyer des barreaux de positionnement (non représentés), afin de superposer précisément les contours extérieur et intérieur de l’empilement 3 de tôles. La tôle 9 peut être également munie de perçages 15 permettant de passer des tiges aptes à maintenir aligné l’empilement une fois centré par les barreaux de positionnement (non représentés). La tôle 9 présente un orifice central 16 sensiblement circulaire, et dont le pourtour est crénelé dans le sens radial. L’extrémité intérieure des créneaux 17 définit une circonférence intérieure de la tôle 9, de diamètre légèrement inférieur, avant assemblage, au diamètre extérieur de la première portion cylindrique 5 de l’arbre 2. L’intersection géométrique de la surface de tôle limitée par le contour intérieur 11, et d’un cercle ayant le même diamètre que la première portion cylindrique de l’arbre, est une suite de segments d’arcs de cercle.The outer contour 10 has, between two neighboring arms 12, rectangular notches 13 allowing, on either side of each arm 12, to come to support positioning bars (not shown), in order to precisely superimpose the exterior and interior contours of the stack 3 of sheets. The sheet 9 can also be provided with holes 15 for passing rods capable of keeping the stack aligned once centered by the positioning bars (not shown). The sheet 9 has a substantially circular central hole 16, the circumference of which is crenellated in the radial direction. The inner end of the slots 17 defines an inner circumference of the sheet 9, of slightly smaller diameter, before assembly, than the outside diameter of the first cylindrical portion 5 of the shaft 2. The geometric intersection of the sheet surface limited by the inner contour 11, and of a circle having the same diameter as the first cylindrical portion of the shaft, is a series of segments of arcs of a circle.
L’empilement 3 formé par la superposition des tôles 9 est réalisé de manière à aligner deux à deux ces excroissances en forme de segments d’arcs de cercle, pour former des cannelures longitudinales 14 le long de l’orifice central 16 de l’empilement.The stack 3 formed by the superposition of the sheets 9 is produced so as to align two by two these protrusions in the form of segments of arcs of a circle, to form longitudinal grooves 14 along the central orifice 16 of the stack .
Les figures 3a et 3b illustrent deux étapes de l’insertion de l’arbre 2 à l’intérieur des orifices centraux 16 des tôles 9 empilées en plusieurs empilements 3 successifs.Figures 3a and 3b illustrate two stages of the insertion of the shaft 2 inside the central orifices 16 of the sheets 9 stacked in several successive stacks 3.
On distingue sur la figure 3A les quatre empilements 3 de tôles, centrés à l’aide de barreaux de positionnement (non représentés) par-dessus un support de frettage 18. Le support de frettage 18 est percé en son centre, de manière à pouvoir y insérer la seconde portion 6 de l’arbre 2 et, si cette portion n’est pas une portion d’extrémité, à pouvoir y insérer d'abord l’extrémité 8 de l’arbre 2 se trouvant du côté de cette seconde portion 6. L’extrémité 7 de l’arbre 2, opposée à la seconde portion 6 de l’arbre est maintenue par un outil de presse 19. L'outil de presse 19 permet d’appuyer sur un premier épaulement 20 de l’arbre 2, pour imprimer à l'arbre une force axiale de frettage. L'outil de presse permet simultanément, à l'aide d’un dispositif anti-rotation, (non représenté) d’empêcher une rotation de l’arbre 2 par rapport à la presse et par rapport aux empilements 3.We distinguish in Figure 3A the four stacks 3 of sheets, centered using positioning bars (not shown) over a hooping support 18. The hooping support 18 is drilled in its center, so as to be able insert the second portion 6 of the shaft 2 therein, and, if this portion is not an end portion, to be able to insert therein first the end 8 of the shaft 2 located on the side of this second portion 6. The end 7 of the shaft 2, opposite the second portion 6 of the shaft is held by a press tool 19. The press tool 19 makes it possible to press on a first shoulder 20 of the shaft 2, to impart an axial hooping force to the shaft. The press tool simultaneously makes it possible, using an anti-rotation device (not shown), to prevent rotation of the shaft 2 relative to the press and relative to the stacks 3.
L’arbre 2 est amené au-dessus des empilements 3, son extrémité 8 de diamètre réduit est insérée sans exercer d’effort axial, puis la seconde portion 6 de l’arbre, dont le diamètre est très légèrement inférieur au diamètre intérieur défini par les cannelures 14 bordant les contours intérieurs 11 des tôles, est insérée avec un effort croissant. La longueur de cette seconde portion 6 de l’arbre 2 peut être typiquement de l’ordre de 40 mm ou au moins supérieure ou égale à 20 mm, afin d'assurer un centrage efficace de l'arbre 2 avant application de l'effort axial de frettage. Une longueur supérieure à 40 mm peut encore faciliter davantage l’insertion de l’arbre 2.The shaft 2 is brought above the stacks 3, its end 8 of reduced diameter is inserted without exerting an axial force, then the second portion 6 of the shaft, the diameter of which is very slightly less than the internal diameter defined by the grooves 14 bordering the inner contours 11 of the sheets, is inserted with increasing effort. The length of this second portion 6 of the shaft 2 can typically be of the order of 40 mm or at least greater than or equal to 20 mm, in order to ensure effective centering of the shaft 2 before application of the force axial hooping. A length greater than 40 mm can further facilitate the insertion of the shaft 2.
Une fois l’arbre 2 prépositionné par l’insertion de cette seconde portion 6, la presse (non représentée) applique l’effort de frettage au travers de l’outil de presse 19, de manière à insérer la première portion 5 de l’arbre, guidée en appui sur les cannelures 14 contre des rainures 22 pratiquées autour de cette seconde portion 6, jusqu’à ce que la seconde portion d’arbre 6 ressorte, elle, de l’empilement 3. La portion 5 de l’arbre n’est pas rainurée et possède une surface lisse et cylindrique.Once the shaft 2 has been prepositioned by the insertion of this second portion 6, the press (not shown) applies the hooping force through the press tool 19, so as to insert the first portion 5 of the shaft, guided in abutment on the grooves 14 against grooves 22 formed around this second portion 6, until the second portion of the shaft 6 emerges from the stack 3. The portion 5 of the shaft is not grooved and has a smooth, cylindrical surface.
Les rainures 22 sont disposées en regard des cannelures pour guider les cannelures 14 lors de l’insertion de l’arbre 2 dans l’orifice central de l’empilement de tôles.The grooves 22 are arranged opposite the grooves to guide the grooves 14 during the insertion of the shaft 2 into the central opening of the sheet stack.
En particulier, les rainures 22 sont plus larges et plus profondes que nécessaire à l’insertion des cannelures 14 à l’extrémité 8 de la seconde portion opposée à la première portion de l’arbre, et s’affinent progressivement jusqu’à s’effacer à la jonction des deux portions.In particular, the grooves 22 are wider and deeper than necessary for the insertion of the grooves 14 at the end 8 of the second portion opposite to the first portion of the shaft, and gradually become thinner until s' erase at the junction of the two portions.
Elles comprennent des chanfreins latéraux de 60° plus évasés que les chanfreins latéraux des cannelures de 45°, ce qui permet avantageusement de limiter les contacts latéraux une fois que toutes les tôles sont empilées et alignées.They include lateral chamfers of 60 ° more flared than the lateral chamfers of 45 ° grooves, which advantageously makes it possible to limit the lateral contacts once all the sheets are stacked and aligned.
Un second épaulement 21 peut être prévu à l’extrémité 8 de la seconde portion d’arbre, afin d’arrêter l’avancement de l’arbre une fois que celui-ci est arrivé à la position axiale prévue par rapport aux paquets 3.A second shoulder 21 can be provided at the end 8 of the second shaft portion, in order to stop the advancement of the shaft once it has reached the axial position provided with respect to the packages 3.
Le rotor ainsi assemblé par frettage présente une bonne compacité du noyau 4, ne manifeste aucune déformation en forme de « parapluie », et engendre peu de perturbations du champ magnétique au voisinage de l’arbre 2. Il permet d’assurer une bonne transmission du couple sans aucun jeu entre l’arbre 2 et le noyau 4. Il ne nécessite pas la présence de système de vis-écrous dont l’encombrement risquerait d’être incompatible avec l’encombrement des fils du bobinage.The rotor thus assembled by hooping has a good compactness of the core 4, does not show any deformation in the form of an “umbrella”, and generates little disturbance of the magnetic field in the vicinity of the shaft 2. It makes it possible to ensure good transmission of the torque without any play between the shaft 2 and the core 4. It does not require the presence of a screw-nut system, the size of which could be incompatible with the size of the winding wires.
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2017
- 2017-06-27 FR FR1755869A patent/FR3068184B1/en active Active
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