CH715403B1 - Machine électrique rotative. - Google Patents

Abstract

Une machine électrique rotative (1) comprenant un rotor (2) et un stator (4, 6) séparés par un entrefer (3); ledit stator (4, 6) comprenant un enroulement (4) avec une pluralité de bobines (40), chaque bobine comprenant au moins un fil (400) électriquement conducteur, dans laquelle au moins l'une desdites bobines (40) a une section transversale avec une épaisseur (b) mesurée radialement du côté intérieur (401) de la bobine au côté extérieur (402) de la bobine, et une largeur (a) mesurée sensiblement perpendiculaire à la longueur du fil et sensiblement parallèle au côté extérieur (402) de la bobine (40), dans laquelle ladite épaisseur (b) est variable le long de la bobine et dans laquelle ladite largeur (a) est variable le long de la bobine.

Description

Domaine de l'invention

[0001] La présente invention concerne une machine électrique, telle qu'un moteur ou un générateur électrique, avec un enroulement amélioré.

Description de l'art antérieur

[0002] Les machines électriques sont définies comme des dispositifs capables de transformer de l'énergie d'une forme à une autre lorsqu'au moins l'une d'elles est électrique. En particulier, lorsque l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique, les machines électriques sont classées comme moteurs rotatifs ou linéaires. Et lorsque l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique, les machines électriques sont classées comme générateurs rotatifs ou linéaires. Dans le présent document, le terme machines électriques désigne à la fois les moteurs et les générateurs, rotatifs ou linéaires.

[0003] Les moteurs et générateurs varient de quelques millimètres de diamètre à plusieurs mètres de longueur. La longueur des moteurs linéaires varie de quelques millimètres à plusieurs kilomètres, par exemple dans le cas du transport ferroviaire.

[0004] Dans les moteurs et les générateurs, une forme d'énergie transitoire est impliquée: l'énergie magnétique. Les flux magnétiques dans les machines sont dus aux courants électriques circulant dans les enroulements. Les enroulements sont donc un composant essentiel des machines électriques.

[0005] Les machines électriques sont composées d'une partie fixe, le stator, et d'une partie mobile, le rotor. L'espace d'air entre un stator et un rotor est un entrefer. Les enroulements peuvent être placés sur le stator et/ou le rotor, ou entre les deux. Ils sont constitués d'une ou plusieurs bobines. Les bobines sont constituées de spires montées en série. Le matériau utilisé pour les spires à une faible résistivité électrique pour réduire les pertes en Joule.

[0006] Selon un exemple de moteur électrique, les moteurs à courant continu sans balais 1 sont déjà connus. Comme l'illustre la vue en coupe de la figure 1, ils comprennent généralement un rotor 2 avec un arbre 20 et un boîtier 21 pour protéger l'aimant permanent 22 du rotor de la corrosion et/ou pour soutenir les forces mécaniques dues à la rotation. Le rotor est supposé être centré axialement dans un stator 6. Le stator a un enroulement 4 en forme de cylindre creux et comprenant une pluralité de bobines 40. L'application d'un courant alternatif aux bobines 40 crée un champ magnétique rotatif pour faire tourner le rotor. La présente invention est liée à une amélioration des enroulements de ces moteurs et d'autres machines électriques.

[0007] US7893587B2 (Electromag et al.) décrit un tel moteur à courant continu sans balais où l'enroulement du stator est en forme de cylindre creux et composé d'une pluralité de bobines simples rhombiques en fil plat.

[0008] La figure 2 illustre un exemple d'enroulement 4 pour le stator d'un moteur triphasé à 6 bobines 40 sans fente. Les enroulements sans fente, aussi appelés enroulements autoportants, sont couramment utilisés dans les petites machines électriques à courant continu sans balais à grande et très grande vitesse. Contrairement aux enroulements à fente qui sont forcés de suivre la direction des fentes, les enroulements sans fente peuvent être disposés librement dans l'entrefer.

[0009] Chacune des 6 bobines de cet exemple a une forme rhombique avec deux coins extérieurs 41 sur les côtés latéraux 43 de l'enroulement, et deux coins intérieurs 42 entre ces côtés. Un „coin“ désigne une partie de la bobine où le fil change de direction ; les coins peuvent être arrondis. Les bobines sont enchevêtrées et se chevauchent sur deux couches.

[0010] Les 2 bobines par phase peuvent être montées en série ou en parallèle et les 3 phases connectées en triangle ou en étoile.

[0011] Un rotor à 4 pôles est également possible.

[0012] Malgré de nombreux avantages, l'enroulement de la figure 2 a quelques limites. Le facteur de remplissage est limité parce que les spires ont une largeur et une épaisseur constantes et, par conséquent, les espaces entre les bobines ne peuvent être comblés, ce qui augmenterait le facteur de remplissage du cuivre et, par conséquent, le couple produit. On observe en particulier un écart entre les coins intérieurs des bobines successives, dans la région centrale où le champ d'induction radial créé par l'aimant est maximal. La distance entre les bobines est donnée par le rayon de pliage de la bobine.

[0013] Afin de réduire cet écart, il a été suggéré d'utiliser un enroulement pour une machine électrique tournante comprenant des conducteurs sur un circuit imprimé (PCB) de largeur variable. WO2014/207174A3 (Université Catholique de Louvain) décrit un tel enroulement où la forme des conducteurs sur le PCB a une largeur variable afin d'augmenter les performances.

Bref résumé de l'invention

[0014] Un but de la présente invention est de proposer une machine électrique avec un nouvel enroulement qui augmente les performances, et plus particulièrement la constante moteur reliant le couple créé aux pertes de cuivre.

[0015] Selon un aspect de l'invention, ces buts sont atteints en modifiant la largeur et l'épaisseur des bobines.

[0016] L'utilisation d'une bobine de largeur et d'épaisseur variables donne plus de liberté pour optimiser le champ magnétique créé par les bobines ou la force contre-électromotrice induite dans les bobines

[0017] Selon l'invention, ces buts sont également atteints au moyen d'une machine électrique rotative comprenant un rotor et un stator séparés par un entrefer ; ledit stator comprenant un enroulement avec une pluralité de bobines, chaque bobine comprenant au moins un fil électriquement conducteur, dans laquelle au moins l'une desdites bobines a une section transversale avec une épaisseur mesurée radialement du côté intérieur de la bobine au côté extérieur de la bobine, et une largeur mesurée sensiblement perpendiculaire à la longueur du fil et sensiblement parallèle au côté extérieur de la bobine, dans laquelle ladite épaisseur est variable le long de la bobine et dans laquelle ladite largeur (a) est variable le long de la bobine.

[0018] Par conséquent, la forme des bobines peut varier dans les 3 dimensions ; à la fois la largeur et l'épaisseur des bobines peuvent varier en même temps. Il en résulte une plus grande flexibilité pour concevoir une bobine avec une forme efficace.

[0019] La surface de la section transversale de la bobine peut être sensiblement constante.

[0020] La surface de la section transversale de la bobine peut être sensiblement variable.

[0021] Il peut être démontré, en utilisant des forces de Laplace, que le couple produit par un moteur est maximal lorsque le courant circule dans la direction axiale. Il en va de même pour la force électromotrice induite dans un générateur. En d'autres termes, le fil doit être droit dans la direction axiale.

[0022] Les coins extérieurs de l'enroulement sur les côtés latéraux de l'enroulement sont appelés „terminaisons d'enroulement“. Les terminaisons d'enroulement sont nécessaires pour fermer les circuits électriques, mais ne contribuent pas au potentiel magnétique utile. En effet, elles sont généralement situées là où le champ magnétique au niveau de l'entrefer est le plus faible. De ce fait, la contribution des terminaisons d'enroulement au couple produit (pour un moteur) ou à la force contre-électromotrice (contre EMF, pour un générateur) est faible. De plus, les terminaisons d'enroulement augmentent la résistance de la bobine.

[0023] Afin d'éviter ou de limiter ces problèmes, dans un mode d'exécution, l'enroulement comporte deux faces latérales. Chaque bobine a une forme correspondant sensiblement à la projection d'un polygone, par exemple un octogone, contre un cylindre, dans laquelle ladite forme comprend deux coins extérieurs, comprenant un coin extérieur à chacun des côtés latéraux dudit stator, et deux coins intérieurs entre lesdits côtés latéraux. L'épaisseur de la bobine est plus élevée aux coins extérieurs qu'aux coins intérieurs.

[0024] Cette augmentation de l'épaisseur réduit la résistance de la bobine au niveau des terminaisons de l'enroulement.

[0025] Dans un mode d'exécution, la largeur de la bobine est plus faible aux coins extérieurs qu'aux coins intérieurs. Cela réduit la quantité du champ magnétique produite au niveau des terminaisons de l'enroulement, dont la contribution au couple est de toute façon limitée.

[0026] Dans un mode d'exécution, la forme de chaque bobine correspond sensiblement à la projection d'un octogone contre un cylindre virtuel. Il en résulte que la portion du fil entre les deux côtés latéraux de l'enroulement est droite dans la direction axiale. Cette portion droite représente de préférence au moins 20% de la dimension de l'enroulement entre les deux côtés latéraux, par exemple environ 30%.

[0027] Le fil composant les bobines peut être de section rectangulaire, ce qui permet d'obtenir un meilleur facteur de remplissage qu'un enroulement de section circulaire et une meilleure conductivité thermique.

[0028] Les bobines sont de préférence enchevêtrées et superposées sur deux couches.

[0029] L'enroulement peut être utilisé pour une machine avec une structure sans fente.

[0030] L'enroulement peut être utilisé pour une machine avec une structure à fente.

[0031] Les bobines et/ou fils d'épaisseur variable peuvent être fabriqués par extrusion à vitesse variable ; impression 3D ; fusion sélective au laser (SLM), usinage par décharge électrique à découpage par fil (EDM), etc.

[0032] Les bobines se chevauchent de préférence de manière imbriquée, de sorte à former un cylindre creux

[0033] Dans un mode d'exécution, la largeur du fil de chaque bobine varie sur la longueur dudit fil.

[0034] Dans un mode d'exécution, l'épaisseur du fil de chaque bobine varie sur la longueur dudit fil.

[0035] Dans un mode d'exécution, la forme de la section transversale dudit fil varient sur la longueur dudit fil.

[0036] La machine peut être une machine à courant continu synchrone sans balais et sans fente

[0037] Le fil peut être extrudé ou imprimé en 3D.

Brève description des dessins

[0038] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode d'exécution donné à titre d'exemple et illustré par les figures, dans lesquelles: La figure 1 illustre une coupe transversale d'une machine à courant continu sans balais contenant un enroulement sans fente. La figure 2 illustre un enroulement triphasé à 6 bobines, sans fente, fabriqué avec des bobines de section constante. La figure 3 illustre un enroulement triphasé à 6 bobines, sans fente, fabriqué avec des bobines de largeur non constante et d'épaisseur constante selon une section transversale. Les figures 4A-4B illustrent un enroulement triphasé à 6 bobines, sans fente, fabriqué avec des bobines de largeur et d'épaisseur non constantes selon une section transversale. La figure 5 illustre une portion d'une bobine. La figure 6 illustre une portion d'un fil. Les figures 7A et 7B illustrent une comparaison de deux enroulements concentrés avec une section de bobine constante (7A) et une section de bobine non constante (7B) et avec B<A et E>D

Description détaillée de modes d'exécution possibles de l'invention

[0039] Il y a plusieurs façons de comparer les moteurs et les générateurs. Cependant, l'une des plus populaires utilisées par les concepteurs et fabricants de moteurs est la constante du moteur définie comme suit où Temest le couple électromagnétique produit par le moteur, Pcoilssont les pertes de puissance de la bobine, R est la résistance de phase, I est le courant de phase et KTest la constante de couple. Elle est donnée pour une certaine température et sans saturation dans le circuit magnétique. La constante du moteur est également utilisée pour comparer les générateurs car la force contre-électromotrice EFM est proportionnel à la constante de couple.

[0040] La constante du moteur exprime le rendement du couple, c'est-à-dire qu'elle relie le couple produit par le moteur et les pertes correspondantes dans l'enroulement pour le produire. Ce rapport ne dépend pas du courant et du nombre de spires (pour un facteur de remplissage constant). Il est également indépendant de la configuration de l'enroulement (connecté en triangle ou en étoile). De plus, les connaissances acquises à partir de cette constante unique nous permettent d'optimiser la résistance de l'enroulement et donc la forme de l'enroulement.

[0041] Compte tenu de l'enroulement de la figure 2, la constante du moteur Kmpeut être exprimée en termes de la constante de couple d'une bobine KT<'>et de la résistance R' d'une bobine et vaut

[0042] Cela ne dépend pas de la configuration de l'enroulement (en série ou en parallèle et connecté en triangle ou en étoile).

[0043] Le couple de la bobine produit par l'interaction de la densité de flux magnétique de l'aimant permanent et du courant de la bobine peut être calculé au moyen des forces de Laplace. Seul le courant circulant dans le sens axial et le champ d'induction radial contribuent à un couple de rotation.

[0044] Afin d'avoir une évaluation précise du couple et de considérer l'effet final du rotor pendant le processus d'optimisation, le champ d'induction radial sur les plans des couches supérieure et inférieure est extrait par la force électromotrice FEM. Par conséquent, chaque enroulement de couche est optimisé individuellement pour obtenir de meilleures performances globales.

[0045] En plaçant la bobine sur l'axe interpolaire (axial), on obtient le couple maximum. Ainsi, en supposant que les courants sont sinusoïdaux, la constante de couple KT' pour une bobine peut être évaluée en coordonnées cylindriques par où Bδrest le champ d'induction radiale. De même, la résistance R' d'une bobine est calculée par intégration le long du fil en tenant compte des variations possibles de la section transversale.

[0046] Cela débouche sur: où ρcest la résistivité de la bobine et w et h sont respectivement la largeur et l'épaisseur du fil. La constante de couple KT<'>dépend du champ d'induction à l'entrefer, qui dépend de l'aimant et du circuit magnétique, mais aussi du trajet de la bobine. La résistance de la bobine R' dépend uniquement du matériau, de la longueur et de la section de la bobine. Par conséquent, la constante du moteur est un choix très approprié pour l'optimisation de l'enroulement.

[0047] Au lieu d'optimiser chaque spire de la bobine, seule la spire la plus extérieur est considéré comme une variable. Il en résulte une diminution du nombre de variables d'optimisation, une réduction de la complexité des contraintes entre les fils (par exemple, pas de chevauchement) et un temps de calcul plus court.

[0048] Comme nous l'avons déjà indiqué, un problème avec les enroulements enchevêtrés à 2 couches avec une largeur de fil constante est qu'ils ne peuvent pas toujours remplir tout l'espace disponible dans le sens de la largeur ; il reste un espace entre les coins intérieurs des bobines successives.

[0049] Afin de résoudre ou d'atténuer ce problème, un enroulement est donc généré avec une largeur de fil non constante pour remplir l'espace disponible.

[0050] Le résultat peut être vu sur la figure 3. L'augmentation de la largeur du fil a diminué la résistance de la bobine de 7,6% par rapport à un enroulement généré avec un fil ayant une largeur constante, mais la constante de couple d'une bobine a également légèrement diminué. Ceci s'explique par le fait que les bobines occupent un espace supplémentaire où le champ d'induction radial est plus faible, en particulier aux terminaisons d'enroulement (coins extérieurs). Enfin, la constante du moteur est augmentée de 2,6% par rapport à un moteur similaire optimisé avec un fil de largeur constante.

[0051] Comme nous l'avons déjà mentionné, les terminaisons d'enroulement ne produisent pratiquement aucun couple utile (le champ d'induction radial est très faible à leur emplacement) alors qu'elles augmentent la résistance de la bobine. Ainsi, selon un aspect de l'invention, la largeur des terminaisons d'enroulement est réduite dans la direction axiale.

[0052] Cette réduction d'épaisseur permet de réduire la longueur des terminaisons d'enroulement. Puisque terminaisons d'enroulement sont raccourcies, le gain sur la longueur axiale est rapporté pour étendre la partie centrale de la bobine. On obtient ainsi l'enroulement non trivial en forme d'octogone de la figure 4a, 4B, comprenant une portion axiale droite 45 entre les deux côtés latéraux 43.

[0053] La résistance d'une bobine est augmentée mais, d'autre part, la constante de couple d'une bobine est augmentée de manière encore plus significative. Quant à la constante du moteur, l'augmentation atteint un tiers. Cela montre qu'en raccourcissant les terminaisons d'enroulement, on augmente également le facteur de remplissage à l'emplacement des terminaisons d'enroulement.

[0054] La forme des bobines et/ou la forme du fil peuvent varier dans les 3 dimensions ; à la fois la largeur et l'épaisseur des bobines peuvent varier en même temps.

[0055] L'épaisseur du fil des terminaisons d'enroulement peut être augmentée pour compenser la réduction de sa largeur. Par exemple, l'épaisseur du fil aux coins extérieurs (terminaisons d'enroulement) a été doublée par rapport à l'épaisseur aux coins intérieurs. Par conséquent, la constante de couple reste la même mais la résistance diminue, ce qui augmente encore plus la constante du moteur.

[0056] La figure 5 montre une portion d'une bobine 40, y compris une section transversale 44. La bobine comprend une pluralité de spires du fil 400. La largeur de la bobine est indiquée par la lettre de référence a tandis que l'épaisseur de la bobine est indiquée par la lettre de référence b.

[0057] La surface, et/ou la forme de la section transversale 44 varie entre les coins intérieurs 42 et les coins extérieurs 41 de la bobine. Cette variation peut être obtenue de différentes manières. Dans un exemple, cette variation est obtenue en faisant varier la surface, et/ou la forme de la section transversale 403 du fil 400 (figure 6) entre les coins intérieurs et les coins extérieurs. Dans un autre exemple, cette variation est obtenue par une disposition différente des différentes portions du fil aux coins intérieurs et aux coins extérieurs ; par exemple, la section transversale 44 peut être obtenue avec une matrice de portions de fil ayant un nombre différent de rangées et de colonnes aux coins intérieurs par rapport aux coins extérieurs, le nombre de portions restant le même. Il est également possible de varier à la fois la surface et/ou la forme de la section transversale des différentes portions du fil, ainsi que leur disposition entre les coins extérieurs et intérieurs.

[0058] Les fils à section non constante peuvent être fabriqués par extrusion d'un fil métallique à vitesse variable et/ou par des méthodes de fabrication additive.

[0059] Des enroulements améliorés avec des bobines et/ou des fils de largeur et d'épaisseur variables peuvent également être utilisés dans les parties fendues des machines électriques.

[0060] Les enroulements concentrés sont définis comme des enroulements autour de pôles saillants ou des enroulements dont les côtés de la bobine n'occupent qu'une fente 60 par pôle. Ils peuvent être placés à la fois sur le stator 6 et le rotor. La figure 7 montre la différence entre une section constante et une section non constante d'un enroulement concentré autour d'une dent 61. Dans les deux cas, la section de la bobine 40 est identique et constante (largeur A et épaisseur D) dans les fentes du stator 60. Les terminaisons d'enroulement 41 sont déportés de la surface du stator d'une longueur de C. Un seul côté des terminaisons d'enroulement et seulement la dimension extérieure d'une seule bobine 40 sont représentés.

[0061] Dans la figure 7a, la section des terminaisons d'enroulement de 41 reste inchangée. Mais dans le cas de la figure 7b, la surface de la section transversale, ou leur forme, change aux terminaisons des enroulements 41. La largeur devient B avec B<A et l'épaisseur devient E avec E>D. Par conséquent, soit la longueur axiale du stator peut être augmentée, ce qui permet d'obtenir un meilleur couple ou une force contre-électromotrice constante ; soit le décalage des terminaisons d'enroulement C peut être réduit, réduisant la résistance de la bobine et augmentant la densité de puissance (le volume de la machine diminue). Les considérations précédentes s'appliquent également aux rotors à fente.

[0062] Dans le cas où il n'est pas possible d'augmenter l'épaisseur de la bobine à l'emplacement des terminaisons d'enroulement, on peut également envisager de changer uniquement la largeur de la bobine. D'une part, la résistance de la bobine augmenterait mais, d'autre part, le couple ou la constante de la force contre-électromotrice augmenterait.

[0063] Des enroulements améliorés avec des bobines et/ou des fils de largeur et d'épaisseur variables peuvent également être utilisés dans les moteurs linéaires ou les générateurs.

Claims (10)

1. Machine électrique rotative (1) comprenant un rotor (2) et un stator (4, 6) séparés par un entrefer (3); ledit stator (4, 6) comprenant un enroulement (4) avec une pluralité de bobines (40), chaque bobine comprenant au moins un fil (400) électriquement conducteur, dans laquelle au moins l'une desdites bobines (40) a une section transversale avec une épaisseur (b) mesurée radialement du côté intérieur (401) de la bobine au côté extérieur (402) de la bobine, et une largeur (a) mesurée sensiblement perpendiculaire à la longueur du fil et sensiblement parallèle au côté extérieur (402) de la bobine (40), dans laquelle ladite épaisseur (b) est variable le long de la bobine et dans laquelle ladite largeur (a) est variable le long de la bobine.

2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle la section transversale (403) du fil (400) de chaque bobine (40) varie le long de la longueur dudit fil.

3. Machine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la surface de la section transversale (44) de ladite bobine est sensiblement constante.

4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle ledit enroulement (4) comprend deux cotés latéraux (43), dans laquelle chaque bobine (40) à une forme correspondant sensiblement à la projection d'un polygone contre un cylindre, dans laquelle ladite forme comprend deux coins extérieurs (41), comprenant un coin extérieur à chacun des côtés latéraux (43) dudit stator, et deux coins intérieurs (42) entre lesdits côtés latéraux, et dans laquelle l'épaisseur (b) de ladite bobine (40) est égale ou plus élevée aux coins extérieurs (41) qu'aux coins intérieurs (42).

5. Machine selon la revendication 4, dans laquelle la largeur (a) de ladite bobine aux coins extérieurs (41) est inférieure à la largeur de ladite bobine aux coins intérieurs (42).

6. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle lesdites bobines (40) se chevauchent d'une manière imbriquée, afin de former un cylindre creux.

7. Machine selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle le fil (400) de chaque bobine (40) a une section rectangulaire.

8. Machine selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle la largeur (c) et/ou l'épaisseur et/ou la forme de la section transversale du fil (400) de chaque bobine (40) varie sur la longueur dudit fil.

9. Machine selon la revendication 8, dans laquelle la surface de la section transversale du fil (400) de chaque bobine est sensiblement constante sur la longueur dudit fil.

10. Méthode de fabrication du fil (400) d'une bobine (40) ou de chaque bobine de la machine selon l'une des revendications 1 à 9, par impression 3D.