FR3132810A1 - Rotor pour une machine électrique tournante - Google Patents

Abstract

La présente invention propose un rotor pour machine électrique tournante comprenant un corps d’axe X de rotation dans lequel sont insérés des aimants, une rondelle d’équilibrage montée sur le corps et s’étendant transversalement à l’axe X de rotation, un ventilateur monté sur la rondelle d’équilibrage, du côté de la rondelle opposé au corps, caractérisé en ce que le ventilateur comprend au moins un plot en matériau polymère déformable, la rondelle d’équilibrage comprenant au moins une cavité dans laquelle est logé le plot déformable de sorte que le plot est axialement retenu dans la cavité. Figure pour l’abrégé : Fig. 5a

Description

Rotor pour une machine électrique tournante

L’invention concerne notamment un rotor pour une machine électrique tournante.

L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les alternateurs, les alterno-démarreurs ou encore les machines réversibles ou les moteurs électriques. On rappelle qu’une machine réversible est une machine électrique tournante apte à travailler de manière réversible, d’une part, comme générateur électrique en fonction alternateur et, d’autre part, comme moteur électrique par exemple pour démarrer le moteur thermique du véhicule tel qu’un véhicule automobile.

Une machine électrique tournante comprend un rotor mobile en rotation autour d’un axe et un stator fixe, montés dans un carter. En mode alternateur, lorsque le rotor est en rotation, il induit un champ magnétique au stator qui le transforme en courant électrique afin d’alimenter les consommateurs électriques du véhicule et de recharger la batterie. En mode moteur, le stator est alimenté électriquement et induit un champ magnétique entraînant le rotor en rotation par exemple pour démarrer le moteur thermique.

Le rotor peut comprendre avantageusement un corps dans lequel sont insérés des aimants et une rondelle d’équilibrage métallique montée sur le corps permettant par extrusion de matière de procéder à l’équilibrage de la machine après son assemblage.

Une machine refroidie à air comprend également des pâles de ventilateur à l’intérieur du carter. Des ouvertures prévues dans le carter permettent la circulation de l’air ambiant entre l’intérieur et l’extérieur de la machine sous l’effet des pâles.

Il est connu des architectures de machines dans lesquelles la rondelle d’équilibrage est munie de pâles de ventilateur. De telles pâles de ventilateur permettent de participer au refroidissement des composants électroniques de la machine. Les pâles par exemple moulées avec la rondelle métallique ont des géométries relativement simples, ce qui d'un point de vue thermique ne favorise pas de façon optimale le refroidissement. De plus plusieurs opérations dans le processus de fabrication du rotor nécessitent de se servir de la surface plane de la rondelle d’équilibrage comme appui ou contre appui. Les pâles du ventilateur à la surface de la rondelle d’équilibrage réduisent et rendent parfois inaccessibles ces surfaces d’appui.

La présente invention permet de surmonter ces inconvénients.

A cet effet, la présente invention a donc pour objet un rotor pour machine électrique tournante comprenant un corps d’axe X de rotation dans lequel sont insérés des aimants, une rondelle d’équilibrage montée sur le corps et s’étendant transversalement à l’axe X de rotation, un ventilateur monté sur la rondelle d’équilibrage, du côté de la rondelle opposé au corps, caractérisé en ce que le ventilateur comprend au moins un plot en matériau polymère déformable, la rondelle d’équilibrage comprenant au moins une cavité dans laquelle est logé le plot déformable de sorte que le plot est axialement retenu dans la cavité.

L’invention protège une solution d’assemblage d’un ventilateur additionnel sur la rondelle métallique. Les plots permettent de guider le positionnement du ventilateur sur la rondelle par assemblage des plots dans les cavités de la rondelle d’équilibrage. De telles cavités creusées dans la rondelle d’équilibrage amagnétique ne modifient pas les propriétés magnétiques de la machine.

Un ventilateur avec des pâles à géométrie thermiquement plus efficaces peut donc être monté sur la rondelle. La surface plane de la rondelle d’équilibrage peut être utilisée comme appui ou contre appui lors de la fabrication du rotor avant assemblage dudit ventilateur. On facilite donc l’assemblage et on améliore le refroidissement.

Le rotor peut comprendre également au moins une goupille insérée au moins partiellement dans le plot, la goupille déformant le plot du ventilateur de sorte à retenir axialement le plot dans la cavité.

La cavité peut présenter un épaulement formant une butée de retenue du plot dans la direction axiale.

Le plot peut comporter une rainure de fixation qui coopère avec l’épaulement pour assurer la retenue axiale du plot dans la cavité.

Le ventilateur peut comprendre un corps présentant une première face d’où s’étend au moins une pâle et une deuxième face opposée à la première face d’où s’étend l’au moins un plot.

L’au moins un plot peut être creux définissant un espace intérieur débouchant dans la première face du corps du ventilateur en une ouverture.

L’ouverture peut avoir une section oblongue dans la première face.

Le ventilateur peut être annulaire, un diamètre d’une périphérie extérieure du ventilateur étant inférieure à un diamètre d’une périphérie extérieure de la rondelle d’équilibrage.

Les pâles et les ouvertures peuvent être angulairement réparties sur la première face du ventilateur, la première face présentant une alternance régulière des pâles et des ouvertures.

L’invention concerne également une machine électrique tournante comprenant un tel rotor.

La présente invention a également pour objet une machine électrique tournante. La machine électrique tournante peut, avantageusement, former un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou un moteur électrique.

La présente invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de l’invention et de l’examen des dessins annexés.

La représente, schématiquement et partiellement, une vue en coupe d’une machine électrique tournante selon l’invention.

La est une vue éclatée du rotor selon l’invention.

La représente, schématiquement et partiellement, la rondelle d’équilibrage comprenant les cavités.

La représente schématiquement l’assemblage du ventilateur sur la rondelle.

Les et illustrent l’assemblage du ventilateur sur la rondelle d’équilibrage.

La illustre le ventilateur muni de plots.

La est une vue agrandie d’une ouverture dans le ventilateur au niveau d’un plot.

La illustre un ventilateur centrifuge.

La illustre un ventilateur hélicoïdal.

Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent les mêmes références d’une figure à l’autre. On notera également que les différentes figures ne sont pas nécessairement à la même échelle. De plus, les exemples de réalisation qui sont décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites. En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.

Dans la suite la description le terme « axialement » désignera la direction de l’axe X, le terme « radialement » désignera une des directions s’étendant depuis l’axe X dans un plan perpendiculaire à l’axe X et le terme « angulairement » désignera une des directions autour de l’axe X dans le plan mentionné précédemment.

Dans la suite de la description les éléments seront décrits montés ensemble autour de l’axe X.

La représente une vue partielle schématique en coupe d’une machine électrique tournante 1 ayant un axe de rotation X. La machine électrique tournante 1 comprend un stator 2 et un rotor 3 dans un carter 32. Le carter comprend par exemple un premier palier 5, un deuxième palier 6 et une entretoise tubulaire 7. L’entretoise tubulaire 7 est par exemple enserrée entre le premier palier 5 et le deuxième palier 6, par exemple grâce à des tirants non représentés entre le premier palier 5 et le deuxième palier 6. Le stator est fixé à l’intérieur du carter 32, par exemple monté serré dans l’entretoise tubulaire 7.

Le stator 2 comprend un corps de stator 9 et un bobinage 8. Le corps de stator 9 comprend par exemple un empilage de tôles magnétiques. Par exemple le bobinage 8 comprend des conducteurs électriques dont une partie active passe dans des encoches formées dans le corps 9 et une partie de connexion ou chignon 10 est formée à l’extérieur des encoches. Le bobinage 8 est par exemple un bobinage de type en épingles.

Le rotor 3 comprend un arbre 4 d’axe de rotation X. L’arbre est guidé en rotation par un premier roulement 11 monté dans le premier palier 5 et un deuxième roulement 12 monté dans le deuxième palier 6. Un élément d’entrainement 13, par exemple une poulie ou un engrenage est fixé à l’arbre 4.

Le rotor 3 illustré en vue éclatée à la comprend également :

- un corps 15 monté sur l’arbre 4 et comprenant des cavités 24, le corps présentant une première extrémité 33 et une deuxième extrémité 34, opposée à la première extrémité, dans la direction de l’axe de rotation X,

- des aimants 23 reçus dans les cavités 24,

- une première rondelle d’équilibrage 16 montée sur le corps du rotor à sa première extrémité axiale 33 et s’étendant transversalement à l’axe X de rotation de la machine.

La rondelle d’équilibrage 16 permet de maintenir les aimants 23 dans les cavités 24. La rondelle d’équilibrage 16 comprend un premier côté 160a et un deuxième côté 160b opposé axialement au premier côté 160a, le deuxième côté 160b étant en regard direct de l’extrémité axiale du corps du rotor.

La rondelle 16 illustrée à la comprend des cavités 160 creusées dans la rondelle et débouchant du premier côté de la rondelle 160a. Une cavité 160 peut être obtenue par un procédé de forgeage, notamment par frappe à chaud, ou par usinage.

Le rotor peut éventuellement comprendre une deuxième rondelle d’équilibrage empêchant les aimants de sortir par la deuxième extrémité 34. Cette deuxième rondelle d’équilibrage ne sera pas décrite ici.

La rondelle d’équilibrage 16 a avantageusement une forme annulaire qui comprend concentriquement de l’intérieur vers l’extérieur une portion annulaire centrale 16c avantageusement ajourée reliée à une portion annulaire comprenant les cavités 16b reliée à une portion annulaire extérieure 16a. La portion ajourée participe à une meilleure ventilation et à un allègement de la machine.

Les portions annulaires comprenant les cavités 16b et extérieure 16a ont avantageusement des épaisseurs selon X différentes E1, E2 respectivement de sorte que la jonction entre ces deux portions 16b et 16a créé un décroché 16d. E1 est typiquement compris entre 4mm et 10mm pour permettre une bonne reprise d’équilibrage et avantageusement supérieur à 6mm.

Les cavités 160 sont avantageusement situées dans la portion annulaire 16b, sur une même circonférence de la rondelle, c'est-à-dire qu’un cercle tracé sur le premier côté de la rondelle 160a et ayant comme centre l’axe X traverse au moins une portion de chaque cavité 160. De préférence, les distances radiales entre l’axe X et les centres des cavités 160 sont égales pour une même rondelle. De plus, les cavités 160 sont espacées angulairement les unes des autres d’un même angle autour de l’axe X. On obtient alors une rondelle 16 symétrique. De plus, les cavités 160 sont plus proches de la périphérie extérieure de la rondelle 163a, définie par la circonférence de plus grand diamètre de la rondelle, que de la périphérie intérieure, définie par l’ouverture traversée par l’arbre.

Chaque cavité 160 s’étend suivant un axe Y qui est parallèle à l’axe X de rotation de la machine et présente une forme cylindrique ou conique. Chaque cavité présente une profondeur P1 dans une direction axiale comprise entre 5% à 100% de l’épaisseur E1 de la rondelle prise au niveau de ladite cavité et de préférence comprise entre 30% et 60%. Par exemple, la cavité a une profondeur comprise entre 3 et 20 mm. Pour une épaisseur de rondelle E1 de l’ordre de 6mm, la profondeur P1 de la cavité est typiquement de l’ordre de 3mm. Chaque cavité 160 présente un diamètre maximal compris entre 0,02 et 0,2, et en particulier entre 0,03 et 0,08, fois le diamètre externe de la rondelle.

Une cavité 160, comme illustrée sur la , est formée d’un fond 161 et d’une paroi latérale 162 présentant une première extrémité axiale définissant une ouverture d’entrée 163 de la cavité et une deuxième extrémité axiale opposée à ladite première extrémité qui relie la paroi latérale avec le fond. Des rayons de congé peuvent être prévus entre pour la paroi latérale et le fond et entre la paroi latérale et le premier côté 160a de la rondelle.

La cavité 160 présente avantageusement un épaulement 164 s’étendant à partir de la paroi latérale 162 pour former une butée. L’épaulement 164 s’étend sensiblement transversalement, par rapport à l’axe Y de la cavité 160, sur toute la circonférence de la paroi latérale 162. L’épaulement définit une ouverture 163e dont le diamètre est inférieur au plus grand diamètre de la paroi latérale 162.

Par exemple, l’épaulement 164 s’étend sur une hauteur H1, dans une direction axiale par rapport à l’axe Y, d’au moins 30% de la profondeur P1 de la cavité 160. Toujours par exemple, l’épaulement 164 s’étend sur une longueur L1, dans une direction radiale par rapport à l’axe Y, comprise entre 10% et 30% du diamètre maximum de la cavité pris axialement entre le fond 161 et l’épaulement 164.

L’épaulement 164 s’étend à distance du premier côté 160a de la rondelle. L’ouverture 163e formée par l’épaulement est alors distincte de l’ouverture d’entrée 163 de la cavité 160. Par exemple, une hauteur axiale H2 entre l’épaulement 164, en particulier le sommet 164s dudit épaulement, et le premier côté du plateau de la rondelle 160a est d’au moins 15% de la profondeur P1 de la cavité. Le sommet 164s de l’épaulement est le point à partir duquel l’épaulement présente le plus petit diamètre. Par exemple la hauteur axiale H2 est d’au moins 2 mm et la profondeur P1 de la cavité est de 6 mm.

Par exemple dans cette variante de réalisation, la cavité 160 présente une partie supérieure 162a située axialement entre le premier côté de la rondelle 160a et l’épaulement 164 et une partie inférieure 162b située axialement entre l’épaulement 164 et le fond 161 de la cavité. Les parties 162a, 162b sont indépendantes l’une de l’autre et pourront présenter des caractéristiques telles qu’une forme, des dimensions ou un angle d’inclinaison par rapport à l’axe Y de la cavité, différentes. Par exemple, un diamètre maximum de la partie supérieure 162a est supérieur à un diamètre maximal de la partie inférieure 162b. Toujours par exemple, la partie supérieure 162a peut présenter une forme différente de la partie inférieure 162b. Ainsi, la partie inférieure 162b peut présenter une forme cylindrique et la partie supérieure 162a peut présenter une forme rectangulaire. Cette forme rectangulaire permet un blocage en rotation du ventilateur par rapport à la roue polaire.

L’épaulement présente une première portion 164a et une deuxième portion 164b, lesdites portions étant séparées l’une de l’autre par le sommet 164 de l’épaulement définissant l’ouverture 163e. La première portion 164a s’étend en regard de la partie supérieure 162a et la deuxième portion 164b s’étend en regard de la partie inférieure 162b. Par exemple, la première portion 164a s’étend sensiblement radialement par rapport à l’axe Y et la deuxième portion 164b forme une courbure.

Le rotor 3 comprend également un ventilateur 20 monté sur la rondelle d’équilibrage 16 du premier côté de la rondelle 160a. Le ventilateur comprend des pâles 202 aptes à déplacer un fluide, notamment de l’air d’une première position radialement intérieure à une deuxième position radialement extérieure.

Le ventilateur 20 comprend avantageusement un corps 201 d’où s’étendent des pâles 202. Les pâles 202 s’étendent depuis une première face du corps 201a.

Le corps 201 du ventilateur a avantageusement une forme annulaire s’étendant entre une périphérie intérieure 20a et une périphérie extérieure 20b. La distance radiale entre les périphéries intérieur 20a et extérieur 20b du ventilateur, c’est-à-dire le diamètre du ventilateur, est avantageusement la même que celle entre des périphéries intérieure et extérieure respectivement 161b et 162b de la portion annulaire 16b, c’est-à-dire le diamètre de ladite portion 16b. de plus le diamètre de la périphérie extérieur du ventilateur 20b est avantageusement le même que le diamètre de la périphérie extérieure 162b de la portion 16b. Le ventilateur 20 est avantageusement calé dans le décroché 16d de la rondelle d’équilibrage 16. Le ventilateur 20 ne couvre avantageusement pas la portion annulaire centrale ajourée de la rondelle 16c.

Les pâles 202 dépassent avantageusement radialement du corps 201 comme illustré à la et s’étendent axialement au-dessus de la partie annulaire extérieure 16a de la rondelle d’équilibrage. Le corps 201 ne couvre donc qu’une partie de la face de la rondelle 16, le reste de la face de la rondelle pouvant être utilisée comme surface d’appui par exemple.

Le ventilateur 20 est monté sur la rondelle d’équilibrage 16 par une deuxième face du corps 201b opposée à la première face 201a.

La deuxième face du ventilateur 201b comprend des plots 50 en matériau polymère déformable. Ces plots 50 s’étendent en saillie transversalement à cette deuxième face 201b. Ces plots s’étendent dans une direction axiale opposée à la direction d’extension des pâles 202 du ventilateur.

Le ventilateur 20 est monté sur la rondelle 16 par insertion des plots 50 du ventilateur dans les cavités 160 de la rondelle. Pour cela chaque plot 50 du ventilateur est en regard d’au moins une cavité 160 de la rondelle. Il y a donc une distribution radiale et angulaire des plots 50 du ventilateur autour de l’axe X, qui est la même que la distribution d’au moins une partie des cavités 160 de la rondelle.

Dans un premier mode de réalisation, les plots 50 en polymère sont surmoulés sur le corps 201 du ventilateur. Le plot 50 est monté logé dans la cavité 160 de la rondelle d’équilibrage 16 correspondante puis une goupille 51 insérée au moins partiellement dans le plot 50 déforme le plot de sorte à le retenir axialement dans la cavité.

Le plot 50 présente avantageusement une forme sensiblement cylindrique creuse définissant un espace intérieur débouchant dans la première face du corps 201 en une ouverture 54. Le plot 50 se prolonge en une portion d’insertion 55 creuse, une goupille étant insérée dans ladite portion d’insertion 55. La cavité 160 entoure donc la portion d’insertion 55.

La portion d’insertion 55 peut comporter une rainure de fixation 56 dont la forme est complémentaire de la forme de l’épaulement 164 pour coopérer avec ledit épaulement afin de maintenir le ventilateur 20 dans la rondelle d’équilibrage 16, sous l’action de la goupille 51, cette action de la goupille se faisant par une contrainte mécanique de la portion d’insertion 55 dans une direction transversale vers l’extérieur c’est-à-dire vers la paroi 162 de la cavité 160.

Ainsi, la portion d’insertion 55 présente une première position avant fixation, illustrée sur la dans laquelle la goupille 51 n’est pas insérée dans l’ouverture 54 ou est insérée seulement sur une petite portion ne permettant pas la déformation de ladite portion de fixation. Dans cette position, la portion d’insertion 55 s’étend dans une direction axiale et ne coopère pas avec la cavité 160.

La portion d’insertion 55 présente une deuxième position de fixation, illustrée sur la , dans laquelle la goupille 51 est insérée à travers l’ouverture 54 exerçant une contrainte mécanique sur ladite portion d’insertion 55 pour assurer une coopération mécanique entre la portion d’insertion 55 et la cavité 160 et notamment entre la rainure de fixation 56 et l’épaulement 164 pour permettre la fixation du ventilateur 20 sur la rondelle 16. La portion d’insertion 55 passe donc d’une position avant fixation à une position de fixation par déformation sous la contrainte de la goupille 51. Dans cette position, la portion d’insertion 55 s’étend dans une direction inclinée par rapport à une direction axiale.

Dans un exemple de réalisation illustré sur les figures 6a et 6b et compatible avec l’un quelconque des modes de réalisation décrit ci-dessus, l’ouverture 54 est prolongée par deux rainures 60 s’étendant transversalement dans le corps 201 et formant une ouverture traversante de forme oblongue. Les deux rainures 60 s’étendent par exemple de manière diamétralement opposée l’une par rapport à l’autre autour de l’ouverture 54. Par exemple, une colle telle que de la résine ou un vernis peut être disposée dans la cavité 160 afin d’améliorer le maintien dudit ventilateur sur la rondelle d’équilibrage, lesdites rainure 160 facilitant cette insertion.

En variante non illustrée les cavités pourront être débouchantes de part et d’autre de la rondelle d’équilibrage.

Les pâles 202 et les ouvertures 54 sont angulairement réparties sur la première face 201a du ventilateur, la première face 201a présentant une alternance régulière des pâles 202 et des ouvertures 54, comme illustré à la .

En variante de ce mode de réalisation, le ventilateur sera intégralement en polymère déformable. Le polymère déformable utilisé pourra éventuellement contenir des fibres, typiquement des fibres longues pour la tenue mécanique, par exemple avec une teneur de 30%.

Le ventilateur sera par exemple obtenu par moulage plastique, les pâles 202 étant par exemple formées de matière avec le corps 201. Le poids de la machine est réduit par l’utilisation d’un tel ventilateur en comparaison de pâles métallique selon l’art antérieur.

De plus le moulage permet de proposer des ventilateurs avec des pâles dont les géométries permettent d’optimiser le refroidissement. Le ventilateur plastique présente par exemple des pâles 202 déformées selon un seul axe, tel qu’illustré à la formant un ventilateur hélicoïdal. En variante les pâles du ventilateur plastique sont déformées axialement et radialement, tel qu’illustré à la formant un ventilateur centrifuge.

Dans un second mode de réalisation le ventilateur sera monté sur la rondelle d’équilibrage par encliquetage, le plot étant déformé pour être inséré dans la cavité de la rondelle puis étant bloqué en position dans la cavité après avoir sensiblement repris sa forme initiale.

Le rotor peut éventuellement comprendre un moyen de serrage appuyant l’ensemble formé par la rondelle d’équilibrage 16 et le ventilateur 20 directement ou indirectement sur la première extrémité 33 du corps 15..

Claims (10)

1. Rotor (3) pour machine électrique tournante comprenant :

   • un corps (15) d’axe X de rotation dans lequel sont insérés des aimants (23),
   • une rondelle d’équilibrage (16) montée sur le corps (15) et s’étendant transversalement à l’axe X de rotation,
   • un ventilateur (20) monté sur la rondelle d’équilibrage (16), du côté de la rondelle (160a) opposé au corps,

   caractérisé en ce que le ventilateur (20) comprend au moins un plot (50) en matériau polymère déformable,
   la rondelle d’équilibrage (16) comprenant au moins une cavité (160) dans laquelle est logé le plot déformable (50) de sorte que le plot (50) est axialement retenu dans la cavité (160).
2. Rotor pour machine électrique tournante comprenant également au moins une goupille (51) insérée au moins partiellement dans le plot (50), la goupille (51) déformant le plot (50) du ventilateur de sorte à retenir axialement le plot (50) dans la cavité (160).
3. Rotor pour machine électrique tournante selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la cavité (160) présente un épaulement (164) formant une butée de retenue du plot (50) dans la direction axiale.
4. Rotor selon la revendication 3 dans lequel le plot (50) comporte une rainure de fixation (56) qui coopère avec l’épaulement (164) pour assurer la retenue axiale du plot (50) dans la cavité (160).
5. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le ventilateur (20) comprend un corps (201) présentant une première face (201a) d’où s’étend au moins une pâle (202) et une deuxième face (201b) opposée à la première face d’où s’étend l’au moins un plot (50).
6. Rotor selon la revendication 5 dans lequel l’au moins un plot (50) est creux définissant un espace intérieur débouchant dans la première face (201a) du corps du ventilateur en une ouverture (54).
7. Rotor selon la revendication 6 dans lequel l’ouverture (54) est à section oblongue dans la première face (201a).
8. Rotor selon l’une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel le ventilateur (20) est annulaire, un diamètre d’une périphérie extérieure du ventilateur (20b) étant inférieure à un diamètre d’une périphérie extérieure de la rondelle d’équilibrage (163a).
9. Rotor selon l’une quelconque des revendications 6 à 8 dans lequel les pâles (202) et les ouvertures (54) sont angulairement réparties sur la première face (201a) du ventilateur, la première face (201a) présentant une alternance régulière des pâles (202) et des ouvertures (54).
10. Machine électrique tournante comprenant un rotor (3) selon l’une des revendications précédentes.