FR3068184A1 - Moteur electrique comprenant un rotor avec un arbre frette dans un empilement de toles - Google Patents

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.

Description

L’invention a pour objet les procédés de fabrication de rotors de moteurs électriques, et en particulier de rotors bobinés.

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.

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.

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.

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.

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 ».

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.

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.

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.

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.

Selon un mode de réalisation, la seconde portion de l’arbre comprend un épaulement à son extrémité opposée à la première portion.

Selon une caractéristique du moteur, les rainures de la seconde portion débouchent dans l’épaulement.

Selon une autre caractéristique du moteur, les rainures ont un fond en pente remontant depuis l’épaulement.

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.

Selon un autre mode de réalisation, chacune des cannelures de l’empilement est bordée latéralement par deux chanfreins de 45°.

Selon une autre caractéristique du moteur, chacune des rainures de la seconde portion est bordée latéralement par deux chanfreins de 60°.

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.

Les tôles peuvent en outre être soudées entre elles en un ou plusieurs paquets.

Le frettage de l’arbre est préférentiellement réalisé à température ambiante.

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 :

- la figure 1 est une vue en perspective d’un rotor de moteur,

- la figure 2 illustre une tôle destinée à la fabrication d’un rotor selon l’invention, et

- la figure 3 illustre la préparation d’un empilement de tôles d’un rotor selon l’invention et l’arbre de ce 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. 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, caractérisé en ce que 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.
2. 2. Moteur électrique selon la revendication 1, dans lequel la seconde portion (6) de l’arbre comprend un épaulement (21) à son extrémité opposée à la première portion.
3. 3. Moteur électrique selon Tune quelconque des revendications précédentes, dans lequel les rainures de la seconde portion (6) débouchent dans l’épaulement (21).
4. 4. Moteur électrique selon Tune quelconque des revendications précédentes, dans lequel les rainures ont un fond en pente remontant depuis l’épaulement (21).
5. 5. Moteur électrique selon Tune quelconque des revendications précédentes, dans lequel la largeur des rainures (22) est la plus grande à leur extrémité débouchante dans l’épaulement (21), et se réduit progressivement en s’y éloignant.
6. 6. Moteur électrique selon Tune quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacune des cannelures (14) de l’empilement est bordée latéralement par deux chanfreins de 45°.
7. 7. Moteur électrique selon Tune quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacune des rainures de la seconde portion (6) est bordée latéralement par deux chanfreins de 60°.
8. 8. Moteur selon la revendication 1, dans lequel l'orifice central (16) de chaque tôle est globalement circulaire, une série d'évidements étant ménagée radialement vers l'extérieur d'une circonférence de diamètre minimal de la tôle (9).
9. 9. Moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les tôles (9) sont soudées entre elles en un ou

   5 plusieurs paquets (3).
10. 10. Moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le frettage de l’arbre est réalisé à température ambiante.