EP3931941A1 - Stator de machine electrique tournante - Google Patents

Stator de machine electrique tournante

Info

Publication number
EP3931941A1
EP3931941A1 EP20719675.9A EP20719675A EP3931941A1 EP 3931941 A1 EP3931941 A1 EP 3931941A1 EP 20719675 A EP20719675 A EP 20719675A EP 3931941 A1 EP3931941 A1 EP 3931941A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
notches
stator
electrical conductors
notch
teeth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20719675.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Fatma ABID
Moustafa AL EIT
Sara BAZHAR
Lamya BELHAJ
Xavier JANNOT
Jacques Saint-Michel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nidec PSA Emotors SAS
Original Assignee
Nidec PSA Emotors SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nidec PSA Emotors SAS filed Critical Nidec PSA Emotors SAS
Publication of EP3931941A1 publication Critical patent/EP3931941A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16—Stator cores with slots for windings
    • H02K1/165—Shape, form or location of the slots
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/024—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies with slots
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/18—Windings for salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to rotating electrical machines and more particularly to the stators of such machines.
  • the invention relates more particularly to synchronous or asynchronous machines with alternating current. It relates in particular to traction or propulsion machines for electric motor vehicles (Battery Electric Vehicle) and / or hybrids (Hybrid Electric Vehicle - Plug-in Hybrid Electric Vehicle), such as passenger cars, vans, trucks or buses.
  • the invention also applies to rotating electrical machines for industrial and / or energy production applications, in particular naval or wind turbines.
  • the notches are semi-open, and house U-shaped electrical conductors, the electrical conductors being distributed between two sets of independent coils on four layers, two layers per set of coils.
  • the conductors of two different coil sets are not electrically connected together in the stator.
  • the connections between the phases are made outside the stator, in a terminal box.
  • the stator has a number of notches per pole and per fractional phase.
  • the stator has a number of notches per pole and per fractional phase, with notches entirely closed on the side of the air gap, and closed on the side opposite to the air gap by an attached yoke.
  • the stator has a concentrated winding, being wound on a tooth.
  • the notches of the stator are not closed.
  • the stator yoke has fully open or semi-open notches in the direction of the air gap, so as to allow the introduction of the conductors of the windings.
  • the semi-open slots receive electrical conductors of circular cross section arranged in bulk, while the fully open slots accommodate electrical conductors of rectangular cross section, arranged in a row.
  • Stators are also known in which the notches are closed by non-magnetic or semi-magnetic wedges. However, such wedges may come loose and interfere with the operation of the machine.
  • the patent application US 2010/001609 relates to a stator in which the slots are closed, and receive U-shaped electrical conductors of rectangular section, which are each connected to a conductor of the adjacent slot, in order to form a series winding corrugated.
  • the winding is not fractional.
  • Patent application FR 3,019,947 describes a stator comprising a toothed ring comprising teeth interconnected by bridges of material and defining between them recesses for receiving the coils, the notches being open radially outwards. The openings of the notches are closed by a cylinder head attached to the serrated crown.
  • the stator may have one or more of the characteristics mentioned above or below.
  • at least part of the electrical conductors, or even a majority of the electrical conductors may be in the shape of pins, in particular of a U or I, and extend axially in the notches.
  • the stator may have one or more of the characteristics mentioned above or below.
  • at least part of the electrical conductors, or even a majority of the electrical conductors may be in the shape of pins, in particular of a U or I, and extend axially in the notches.
  • Fractional winding A coil is made up of a number of phases m offset in space such that when they are supplied by a multi-phase current system, they produce a rotating field.
  • the electrical conductors can form a single winding.
  • single winding is meant that the electrical conductors are electrically connected together in the stator, and that the connections between the phases are made in the stator, and not outside the stator. stator, for example in a terminal box.
  • the electrical conductors can form a distributed coil.
  • the winding is not concentrated or wound on tooth.
  • the winding is in the fractional invention.
  • the winding can be fractional.
  • q may be strictly greater than 1.5, being in particular different from 1.5, better still greater than or equal to 2.25, being for example notably equal to 5/2 or 7/2. It is thus possible to reduce the torque harmonics.
  • the number of notches in the stator can be between 18 and 96, better still between 30 and 84, being for example 18, 24, 27, 30, 36, 42, 45, 48, 54, 60, 63, 72, 81 , 92, 96, better still being 60 or 63.
  • the number of poles of the stator can be between 2 and 24, or even between 4 and 12, being for example 6 or 8.
  • the combination of number of notches / number of stator poles can be chosen from the combinations of the following list, which is not restrictive: 30/4, 42/4, 45/6, 63/6, 60/8, 84/8.
  • the number of phases is in this case three, but it does not depart from the scope of the present invention if the number of phases is different, being for example two, the machine then comprising a two-phase winding, or being for example 5 , 6 or 9.
  • the coil is polyphase.
  • Torque ripples and magnetic forces which depend on the spectrum of induction in the air gap, are the main sources of electromagnetic noise. This noise is manifested on the one hand by the torque ripples which interact with the transmission system and on the other hand by the magnetic forces which apply to the stator of the machine which can, depending on their amplitudes and their frequencies , excite the eigen modes of the machine, and therefore make it resonate.
  • harmonics of magnetic forces and torque ripple which are at the source of these phenomena are due to spatial harmonics of notches.
  • These harmonics come from the variation of the air gap permeance which depends on the notch opening and the discrete distribution of the magnetomotive force.
  • the permeance spectrum is rich in harmonics, which increases the harmonic rate of the magnetic forces; the stator yoke can then be more the subject of resonance problems since its rigidity is all the less if the notch opening is larger.
  • fractional winding allows to reduce the harmonic content of the magnetomotive force in the air gap, thus reducing the torque ripples and the amplitudes of the radial and tangential magnetic pressures.
  • the electrical conductors can be placed in series in a so-called corrugated winding or in a so-called nested winding.
  • corrugated winding is understood to mean a winding in which the electrical conductors of the same phase and of the same pole are electrically connected to each other so that, for a winding path, the electric current of the phase circulates in the electrical conductors, rotating around the axis of rotation of the machine, always in one direction.
  • the electrical conductors of the same phase and the same pole do not overlap when observed perpendicular to the rotation rate of the machine.
  • nested winding is meant a winding in which the electrical conductors of the same phase of the same pole are electrically connected to one another so that the electric current of the phase flows through the electrical conductors in rotating around Tax of rotation of the machine alternately in one direction then in the other.
  • the electrical conductors of the same phase and the same pole overlap when observed perpendicular to the rate of rotation of the machine.
  • the winding may have a single winding path or several winding paths.
  • an "electrical conductor” flows the current of the same phase by winding.
  • the term “winding path” is understood to mean all of the electrical conductors of the machine which are traversed by the same electric current of the same phase. These electrical conductors can be connected to each other in series or in parallel or in series-parallel. In the case where there is only one channel, the electrical conductors are connected in series. In the case where there are several channels, the electrical conductors of each channel are connected in series, and the channels are connected in parallel.
  • each notch there can be one or more layers.
  • layer denotes the series conductors belonging to the same phase arranged in the same notch.
  • electrical conductors of the same phase In each layer of a notch, there are electrical conductors of the same phase.
  • the electrical conductors of a stator can be distributed in one layer or in several layers, for example two, three or four layers. When the electrical conductors are distributed in a single layer, each notch only accommodates electrical conductors of the same phase.
  • the electrical conductors can be divided into at least two layers, in particular only two layers.
  • one or more notches can house electrical conductors of two different phases. This is always the case for a short pitch winding.
  • the coil may not have more than two layers. In one embodiment, it is notably devoid of four layers.
  • At least a first electrical conductor housed in a first notch can be electrically connected to a second electrical conductor housed in a second notch, at the outlet from said notches.
  • electrically connected is meant any type of electrical connection, in particular by welding, with different possible welding methods, in particular laser, induction, friction, ultrasound, vibrations, or brazing, or by mechanical clamping, in particular by crimping, screwing or riveting for example.
  • the first and second notches are preferably non-consecutive.
  • the first and second electrical conductors can be electrically connected to the output of the first and second notches, that is to say that the electrical connection is formed on the electrical conductors just after their exit from the two notches, at an axial end of the stator mass.
  • the electrical connection can be made in a plane perpendicular to the axis of rotation of the machine.
  • the link plan electric can be separated from the stator mass by less than 60 mm, better still less than 40 mm, for example 27 mm or 38 mm approximately.
  • a majority of the electrical conductors housed in a first notch can each be electrically connected to a respective second electrical conductor housed in a second notch, at the exit from said notches.
  • At least one notch, better still a majority of the notches, or even more than half of the notches, better still more than two-thirds of the notches, or even all the notches, may comprise first electrical conductors each electrically connected to a respective second electrical conductor housed in a second notch, at the exit of said notches.
  • all the electrical conductors having a free end located at the same circumferential position around the axis of rotation of the machine, regardless of their radial position, are electrically connected together.
  • the first and second electrical conductors can each have an oblique portion.
  • the oblique portions may extend in a circumferential direction, around the axis of rotation of the machine.
  • the two oblique portions can be configured to converge towards each other and thus allow the electrical connection to be made.
  • An electrical conductor can have two oblique portions, one at each of its two ends.
  • the two oblique portions of the same electrical conductor can extend in opposite directions. They can be symmetrical to each other.
  • a majority of the electrical conductors can include one or more oblique portions as described above.
  • the electrical conductors can be arranged in the notches in a distributed manner.
  • distributed it should be understood that the outgoing and return electrical conductors are each housed in different and non-consecutive notches. At least one of the electrical conductors can pass successively through two non-consecutive notches.
  • the electrical conductors can be arranged in a row in the notches.
  • row is meant that the electrical conductors are not arranged in the slots in bulk but in an orderly manner. They are stacked in the notches of non-random manner, being for example arranged in one or more rows of aligned electrical conductors, in particular in the radial and / or circumferential direction.
  • the electrical conductors may have a generally rectangular cross section, in particular with rounded edges.
  • the circumferential dimension of an electrical conductor can correspond substantially to the width of a notch.
  • a notch may have only one electrical conductor in its width.
  • the width of the notch is measured in its circumferential dimension around the axis of rotation of the machine.
  • Electrical conductors can be adjacent to each other by their long sides, otherwise called the flat.
  • Optimization of the stack can allow a greater quantity of electrical conductors to be placed in the slots and thus obtain a stator of greater power, at constant volume.
  • Each notch can include two to 36 electrical conductors, in particular two to 24, better still 2 to 12 electrical conductors.
  • Each notch may include two to eight electrical conductors, in particular two to four electrical conductors, for example two or four electrical conductors.
  • each notch has two electrical conductors.
  • each notch has four electrical conductors.
  • Electrical conductors at least, see a majority of electrical conductors, can be in the shape of pins, U or I.
  • the pin can be U-shaped ("U-pin” in English) or straight, being in form of I ("I-pin” in English).
  • the hairpin and flat electrical conductors increase the fill factor of the slot, making the machine more compact. Thanks to a high filling coefficient, the thermal exchanges between the electrical conductors and the stator mass are improved, which makes it possible to reduce the temperature of the electrical conductors inside the slots.
  • the manufacture of the stator can be facilitated by the electrical conductors in the form of pins.
  • the winding with pins can be easily changed by changing only the connections between the pins at the coil heads.
  • the pins do not need to have open notches, we can have closed notches which allow the pins to be held and it is therefore possible to eliminate the step of inserting the stator shims.
  • the electrical conductors could comprise round wire.
  • the stator may include a magnetic hoop as defined below and electrical conductors in the form of a round wire. These can be inserted into the notches on the air gap side, before the hoop is placed.
  • Electrical conductors extend axially into the notches.
  • the electrical conductors can be introduced into the corresponding notches through one or both axial ends of the machine.
  • An I-shaped electrical conductor has two axial ends each placed at one of the axial ends of the stator. It passes through a single notch, and can be welded at each of its axial ends to two other electrical conductors, at the axial ends of the stator.
  • a U-shaped electrical conductor has two axial ends both placed at one of the axial ends of the stator. It passes through two different slots, and can be welded at each of its axial ends to two other electrical conductors, at the same axial side of the stator. The bottom of the U is on the other axial side of the stator.
  • An electrical conductor being in the shape of a U-pin, may have a first and a second leg extending axially in first A and second R notches, respectively. We can also speak of the opening of the electrical conductor.
  • the first A and second R notches are separated by a number Nd of teeth. This is the number of teeth between the forward notch and the return notch of the same electrical conductor.
  • the number Nd of teeth may be strictly greater than 5, being for example greater than or equal to 6. It may for example be 6, 7 and / or 8, or 9, 10 and / or 11.
  • the number Nd of teeth may be the same for all the U-shaped pin-shaped electrical conductors of the stator.
  • stator in particular their insertion.
  • such a configuration makes it possible to improve the smoothing of the field in the air gap, and to reduce the harmonics of the stator.
  • each electrical conductor can comprise one or more strands (“wire” or “strand” in English).
  • strand we mean the most basic unit for electrical conduction.
  • a strand can be of round cross section, we can then speak of "wire", or flat.
  • the flat strands can be shaped into pins, for example a U or an I.
  • Each strand is coated with an insulating enamel.
  • each notch can include several conductors and / or several strands makes it possible to minimize losses by induced currents, or Joule AC losses, which evolve with the square of the supply frequency, which is particularly advantageous when the operating speed is high. It is thus possible to obtain better efficiency at high speed.
  • the presence of the closed notches can make it possible to obtain a reduction in the flow of leaks seen by the conductors, which results in a decrease in eddy current losses in the strands.
  • each electrical conductor may include one or more pins, each forming a strand, as explained above.
  • all strands of the same electrical conductor can be electrically connected to each other at the exit of the notch.
  • the strands electrically connected to each other are placed in short circuit.
  • the number of strands electrically connected together may be greater than or equal to 2, being for example between 2 and 12, being for example 3, 4, 6 or 8 strands.
  • Several strands can form the same electrical conductor.
  • the same electric current of the same phase flows through all strands of the same electrical conductor.
  • All the strands of the same electrical conductor can be electrically connected to each other, especially at the exit of the notch.
  • All the strands of the same electrical conductor can be electrically connected to each other at each of their two axial ends, in particular at the exit from the notch. They can be electrically connected in parallel.
  • each electrical conductor has a single strand. In another embodiment, each electrical conductor has three strands.
  • a notch can therefore accommodate two strands, or in a variant six strands, for example, distributed between the two electrical conductors.
  • a notch has four electrical conductors. Each electrical conductor can have two strands. The notch then accommodates eight strands, distributed between the four electrical conductors.
  • the strands can be positioned in the notch so that their circumferential dimension around the axis of rotation of the machine is greater than their radial dimension. Such a configuration allows a reduction in Loucault current losses in the strands.
  • a strand may have a width of between 1 and 5 mmm, being for example of the order of 2.5 or 3 mm.
  • the width of a strand is defined as its dimension in the circumferential direction around the axis of rotation of the machine.
  • a strand can have a height of between 1 and 4 mmm, for example being of the order of 1.6 or 1.8 mm.
  • the height of a strand is defined as its thickness in the radial dimension.
  • a ratio of the width of a strand to its height can be between 1 and 2.5, better still between 1.2 and 2, or even between 1.4 and 1.8, being for example 1.56 or 1 , 66.
  • a strand may have a height of between 2 and 8 mm, being for example of the order of 4.75 mm.
  • the height of a strand is defined as its thickness in the radial dimension.
  • a ratio of the width of a strand to its height may be less than 1, for example between 0.9 and 0.2, or even between 0.8 and 0.3, being for example from 0.5 to 0.6 about.
  • the electrical conductors can be made of copper or aluminum.
  • the electrical conductors are electrically insulated from the outside by an insulating coating, in particular an enamel.
  • the electrical conductors can be separated from the walls of the notch by an insulator, in particular by at least one insulating sheet. Such a sheet insulator allows better insulation of the electrical conductors with respect to the stator mass.
  • the use of closed notches can make it possible to improve the retention of the insulators around the electrical conductors in the notches.
  • the notches can be at least partially closed.
  • a partially closed notch makes it possible to provide an opening at the level of the air gap, which can be used, for example, for the installation of the electrical conductors for filling the notch.
  • a partially closed notch is in particular formed between two teeth which each have pole shoes at their free end, which close the notch at least in part.
  • the notches can be completely closed.
  • “fully closed notch” is meant notches which are not open radially towards the air gap.
  • the notches can be closed on the side of the air gap by a magnetic firet.
  • the firet can be attached to the teeth on the side of the air gap.
  • the magnetic hoop can preferably have the same magnetic permeability as the stator. It can in particular be made of the same material as the stator mass. It may be generally annular in shape and disposed in the air gap. It forms bridges of material between the teeth, which close the notches on the side of the air gap. These bridges of material are not integral with the teeth defining the notch.
  • This magnetic hoop can in particular be in one piece over the entire circumference of the stator. It can be formed from a stack of rolled sheets.
  • the magnetic hoop may have at least one localized constriction formed by at least one groove.
  • the hoop may in particular include at least one groove per bridge of material closing a notch, said grooves being able to be placed in front of each of the notches.
  • stator does not have an added hoop serving to close the notches.
  • At least one notch, or even each notch can be continuously closed on the side of the air gap by a bridge of material formed in one piece with the teeth defining the notch. All notches can be closed on the side of the air gap by material bridges closing the notches. The bridges of material can be formed in one piece with the teeth defining the notch. The stator mass is then devoid of cutout between the teeth and the bridges of material closing the notches, and the notches are then continuously closed on the side of the air gap by the bridges of material coming in one piece with the teeth defining the notch.
  • the notches can also be closed on the side opposite the air gap by an attached cylinder head or integrally with the teeth. The notches are then not open radially outwards.
  • the stator mass may have no cutout between the teeth and the cylinder head.
  • each of the notches has a continuously closed contour.
  • continuously closed it is meant that the notches have a continuous closed contour when viewed in cross section, taken perpendicular to the axis of rotation of the machine. You can go all the way around the notch without encountering a cutout in the stator mass.
  • closed notches makes it possible to improve the performance of the electric machine in terms of the quality of the magnetic field in the air gap, by minimizing the harmonic content and the losses by eddy currents in the electrical conductors, and the leakage fluxes in the air gap. the notches, as well as the fluctuations of the magnetic field in the air gap and heating of the machine.
  • the closed notches make it possible to have a closed cylindrical air gap, to reduce the leakage flow in the notches, which makes it possible to reduce the AC losses in the stator winding. The battery life is therefore extended thanks to the increased efficiency of the machine due to the reduction in AC losses.
  • the presence of these closed notches makes it possible to improve the mechanical rigidity of the stator, by mechanically strengthening the stator and reducing vibrations.
  • the reduction in vibrations can help make the operation of the machine quieter, which can be particularly advantageous when the stator is intended to be associated with a gearbox system.
  • closing the notch can reduce the parasitic capacitance between the stator windings and the rotor, which reduces leakage currents and can eliminate the need for drain rings or brushes. tree currents.
  • the stator mass can be produced by stacking magnetic sheets, the notches being formed by cutting the sheets.
  • the stator mass can also be produced by cutting from a mass of sintered or agglomerated magnetic powder. The closing of the notches on the side of the air gap is obtained by bridges of material formed in one piece with the rest of the sheets or the block forming the stator mass.
  • the stator according to the invention does not have any attached magnetic wedges for closing the notches. This eliminates the risk of accidental detachment of these wedges.
  • the stator mass may include teeth formed between the notches, which are interconnected on the side of the air gap by material bridges.
  • each notch is closed on the side of the air gap by a material bridge connecting between them two consecutive teeth of the stator mass.
  • the material bridges each connect two teeth adjacent to their base on the air gap side and define the bottom of the notch between these teeth on the air gap side.
  • the material bridges are integral with the adjacent teeth.
  • the two consecutive teeth are connected on the opposite side by a yoke.
  • the cylinder head can be made in one piece with the teeth.
  • the stator can thus be without a yoke attached to a serrated crown.
  • the absence of opening of the notches towards the air gap makes it possible to avoid producing electromagnetic disturbances, in particular an increase in the “magnetic” air gap due to the flux fringes, higher iron losses. at the rotor surface for the same reason, or alternatively pulsating torques, and radial forces, and Joule AC losses.
  • the electromagnetic performance of the machine is improved.
  • the bridges of material can be made so as to be magnetically saturated during machine operation. This limits the flow of flow from one notch to another without preventing the flow of flow from the rotor to the stator.
  • the bridges of material are preferably undeformable. This increases the stiffness of the stator and improves the life of the electrical machine.
  • the smallest width of the bridges of material is for example between 0.2 and 0.5 mm. It can be of the order of 0.35 mm for example.
  • the width of the material bridge can be of the same order of magnitude as the thickness of the sheet.
  • stator mass is in the form of stacked sheet metal, having teeth interconnected at their base on the side of the air gap by bridges of material.
  • the bridges of matter came in one piece with the teeth.
  • the bridges of material can each have at least one localized constriction formed by at least one groove.
  • the section of the material bridge available for the passage of the flow can be locally reduced, for example by providing a groove.
  • the grooves are open towards the notches.
  • the bottom of the notches on the side of the material bridge has at least one bearing surface, better still at least two bearing surfaces, oriented transversely and the bottom of the groove is set back relative to this or these surfaces.
  • the support surface (s) may be oriented obliquely with respect to the radial axis of the corresponding notch or oriented perpendicular to this axis.
  • the groove forms a break in slope from the support surface (s).
  • the electrical conductors, preferably of substantially rectangular section, inserted into the corresponding notch are preferably resting against the bearing surfaces and recessed from the bottom of the groove. Preferably, the electrical conductors are without contact with the groove.
  • the support surface (s) are preferably flat.
  • the bottom of the notch can be flat, except for the groove. This allows good filling of the notches by the electrical conductors in the case of electrical conductors of rectangular cross section, by allowing the coils to rest flat in the bottom of the notches.
  • the groove in the bottom of the notch preferably forms a clearance between the material bridge and the corresponding electrical conductor.
  • the material bridge may include at least two grooves as described above, for example two grooves per notch.
  • the groove or grooves can be centered with respect to the notch or notches, or on the contrary be offset with respect to a plane of symmetry of the notch or notches.
  • the groove or grooves are each of curved profile in section in a plane perpendicular to the axis of the stator, in particular of substantially semi-circular section.
  • the bottom of the groove may be in the form of an arc of a circle, or of any other suitable shape, for example semi-elliptical or wavy.
  • the internal surface of the stator is preferably cylindrical of revolution.
  • At least one notch may be generally rectangular in cross section.
  • At least one notch may include radial edges having a rib, each in particular a rib.
  • the rib can improve the retention of electrical conductors in the notches.
  • the rib can help minimize AC Joule losses.
  • the rib may extend parallel to the axis of rotation of the machine.
  • the rib can be placed in a central part of the radial edges, for example halfway between the bottom of the notch and the bridge of material closing it.
  • at least one notch can comprise radial edges each having several ribs, for example two or three. This can be particularly useful in the case where the notch is intended to receive three, four, six or eight electrical conductors.
  • the notch may have a rib between each of the layers of electrical conductors.
  • the radial edges are rectilinear, being devoid of ribs.
  • At least one notch may have opposite radial edges parallel to each other, better all the notches have radial edges parallel to each other.
  • the width of a notch is preferably substantially constant over its entire height. There is thus a better filling rate of the notches.
  • the radial edges of the notches are not parallel to each other.
  • At least one notch may have a rectilinear bottom, in the form of an arc of a circle or the like.
  • the bottom of the notch is the bottom of the latter located on the side of the cylinder head, opposite the material bridge and the air gap.
  • At least one notch, better all the notches can have a ratio of the length of the notch to its width of between 2 and 6, better between 3 and 4.
  • the width of a notch corresponds to its dimension in the circumferential direction measured around the axis of rotation of the machine, and its length to its dimension in the radial direction.
  • the stator may include a sensor for measuring the temperature of the electrical conductors, the sensor being arranged in the notch, for example a thermocouple.
  • This sensor can be housed at least partly in the groove of the material bridge closing the notch.
  • the sensor is for example housed in a space between the conductor closest to the material bridge and the material bridge.
  • the notches can be configured to allow the passage of a coolant. Some or all of the notches can accommodate conduits for circulating a coolant, or the coolant can flow directly through the notches.
  • the cooling fluid can circulate in the bottom of the notch, and / or towards the material bridge, and / or between the electrical conductors, for example between two layers of electrical conductors.
  • the coolant can be a gas, for example air, or a liquid, for example water or oil.
  • At least one tooth, better still all teeth may be generally trapezoidal in cross section. At least one tooth, better all teeth, may have divergent edges as one moves away from the axis of rotation of the machine.
  • the stator mass can be produced by stacking sheets.
  • the teeth are connected to each other by bridges of material, and on the opposite side by a cylinder head. Closed notches can be produced entirely by cutting from the sheets.
  • Each sheet of the stack of sheets can be made in one piece.
  • Each sheet is, for example, cut from a sheet of magnetic steel or containing magnetic steel, for example steel 0.1 to 1.5 mm thick.
  • the sheets can be coated with an electrically insulating varnish on their opposite faces before they are assembled in the stack. Electrical insulation can still be obtained by heat treatment of the sheets, if necessary.
  • stator mass can be made from compacted or agglomerated magnetic powder.
  • Machine and rotor Another subject of the invention is a rotating electrical machine, such as a synchronous motor or a synchronous generator, comprising a stator as defined above.
  • the machine can be synchronous or asynchronous.
  • the machine can be reluctance. It can constitute a synchronous motor.
  • the maximum speed of rotation of the machine can be high, being for example greater than 10,000 rpm, better still greater than 12,000 rpm, being for example of the order of 14,000 rpm at 15,000 rpm. min, or even 20,000 rpm or 25,000 rpm.
  • the maximum speed of rotation of the machine may be less than 100,000 rev / min, or even 60,000 rev / min, or even less than 40,000 rev / min, better still less than 30,000 rev / min.
  • the rotating electric machine may include a rotor.
  • the rotor can be permanent magnet, with surface magnets or buried.
  • the rotor can be in flux concentration. It may have one or more layers of magnets arranged in an I, U or V. Alternatively, it may be a wound rotor or squirrel cage, or a variable reluctance rotor.
  • the diameter of the rotor may be less than 400 mm, better still less than 300 mm, and greater than 50 mm, better still greater than 70 mm, being for example between 100 and 200 mm.
  • the rotor may have a rotor mass extending along the axis of rotation and disposed around a shaft.
  • the shaft may include torque transmission means for rotating the rotor mass.
  • the rotor may or may not be cantilevered.
  • the machine can be inserted alone in a housing or inserted in a gearbox housing. In this case, it is inserted in a housing which also houses a gearbox.
  • Another subject of the invention is a method of manufacturing a stator of a rotating electrical machine, in particular a stator as defined above, in which electrical conductors are placed in the notches of a stator mass of the stator by inserting them into the corresponding notches through one or both axial ends of the stator.
  • the same U-shaped electrical conductor can be placed in two different non-consecutive notches of the stator mass of the stator.
  • a electrical conductor is U-shaped, it can be soldered to two other electrical conductors on the same side of the machine.
  • I-shaped electrical conductors can be connected together beforehand in two different non-consecutive notches of the stator mass of the stator.
  • an electrical conductor is I-shaped, it can be soldered to two other electrical conductors on two opposite sides of the machine.
  • all electrical conductors having a free end located at the same circumferential position around the axis of rotation of the machine can be electrically connected together, regardless of their radial position.
  • Figure 1 is a perspective view, schematic and partial, of a stator made in accordance with the invention.
  • FIG 2 is a perspective view, schematic and partial, of the stator of Figure 1.
  • FIG 3 Figure 3 a detail view, in perspective, of the stator of Figure 1.
  • Figure 4 shows in cross section, schematically and partially, the stator according to the invention.
  • Figure 5 shows in cross section, schematically and partially, the stator mass of the stator according to the invention.
  • Figure 6 illustrates the variation of the radial air gap field, in Tesla, as a function of the angular position in °.
  • Figure 7 is a perspective view of an alternative embodiment.
  • FIG 8 is a detail view, in perspective, of the stator of Figure 5.
  • Figure 9 shows in cross section, schematically and partially, the stator of Figure 7.
  • Figure 10 shows in cross section, schematically and partially, an alternative embodiment.
  • stator 2 of a rotary electrical machine 1 also comprising a rotor not shown.
  • the stator makes it possible to generate a rotating magnetic field for driving the rotating rotor, in the context of a synchronous motor, and in the case of an alternator, the rotation of the rotor induces an electromotive force in the electrical conductors of the stator.
  • the stator 2 comprises electrical conductors 22, which are arranged in notches 21 formed between teeth 23 of a stator mass 25.
  • the notches 21 are closed.
  • the notches 21 are closed on the side of the air gap by bridges of material 27, each connecting two consecutive teeth of the stator mass 25, and on the opposite side by a yoke 29.
  • the latter and the teeth 23 are in one piece.
  • the cylinder head 29 may be traversed, where appropriate, by longitudinal ribs of semi-circular section 31 intended to house ducts for circulating a cooling liquid.
  • the electrical conductors 22 are mostly pin-shaped, i.e. U or I, and extending axially into the notches.
  • a first electrical conductor housed in a first notch is electrically connected to a second electrical conductor housed in a second notch, at the outlet from said notches.
  • the first and second notches are non-consecutive. In the example shown, they are separated by 7 other notches. Alternatively, the first and second notches are separated by 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10 or 11 other notches, for example.
  • FIG. 2 shows the end surfaces 22a of the first and second electrical conductors intended to receive the electrical connection.
  • the electrical connection is made in a plane perpendicular to the axis of rotation of the machine.
  • the plane of the electrical connection can be separated from the stator mass by less than 40 mm, in particular by approximately 27 mm.
  • the electrical connection is formed on the electrical conductors just after their exit from the two notches, at one axial end of the stator mass.
  • the two conductors each have an oblique portion 22b, which converge towards one another.
  • the electrical conductors are arranged in the notches in a distributed manner, and they form a distributed coil, which in the example described is fractional.
  • the number of notches is 60.
  • the number of stator poles is 8.
  • the number of notches / number of stator poles combination is 60/8.
  • FIG. 4 shows in isolation a one-phase coil in the case of a three-phase fractional winding.
  • a coil is formed by the outgoing electrical conductors of the same phase passing through adjacent slots, and by the return electrical conductors of the same phase passing through adjacent slots.
  • the electrical conductors 22 are arranged in a row in the notches 21, in a row of aligned electrical conductors.
  • the electrical conductors may have a generally rectangular cross section, in particular with rounded corners. They are in the example described superimposed radially in a single row.
  • the circumferential dimension of an electrical conductor corresponds roughly to the width of a notch.
  • the notch has only one electrical conductor in its width. It can include several electrical conductors in its radial dimension. It has two in the example described.
  • the electrical conductors 22 are made of copper or aluminum, or any other conductive material enamelled or coated with any other suitable insulating coating.
  • Curve A illustrates this variation for a stator with closed slots according to the invention, and is presented in comparison with curve B which illustrates this variation for a stator with semi-open slots, with an opening of 2 mm. It can be seen that the radial air gap field obtained with a stator according to the invention (curve A) is less rich in harmonics.
  • a notch has two electrical conductors of different phases, and each electrical conductor is formed from a single strand.
  • each electrical conductor comprises several pins, each forming a strand 32 within a notch.
  • each electrical conductor has three strands 32. All the strands 32 of the same electrical conductor 22 are electrically connected to each other at the outlet of T notch, and to each of their two axial ends 22a.
  • stator of Figures 5 and 6 has 63 notches and 6 poles of the stator.
  • the combination of number of notches / number of stator poles is 63/6.
  • FIG. 9 shows in isolation a one-phase coil in the case of a three-phase fractional winding.
  • a coil is formed by the outgoing electrical conductors of the same phase passing through adjacent slots, and by the return electrical conductors of the same phase passing through adjacent slots.
  • Each electrical conductor 22 is surrounded by an insulating sheet not visible in the figures, making it possible to insulate the electrical conductors of the walls 33 and 36 of the notch and the electrical conductors 22 of different phases between them within a notch.
  • the notches 21 are, in the examples described and as visible in FIG. 5, with radial edges 33 parallel to each other, and are in section in a plane perpendicular to the axis of rotation of the machine of substantially rectangular shape.
  • the bottom 35 of the notches 21 is of substantially complementary shape to that of the electrical conductors 22, with the exception of a groove 40, as can be seen in FIG. 5.
  • the bottom 35 of the notches 21 is connected to the radial edges 33 by rounded edges 38.
  • the groove 40 of each notch 21 is centered on the bottom of the notch 35 and extends along the axis of rotation of the machine. In an alternative embodiment not shown, the groove is not centered, or the bottom 35 has several grooves.
  • the grooves 40 have, in section in a plane perpendicular to the axis of rotation, a rounded shape, in particular substantially semi-circular. They have a depth p of between 0.3 mm and 0.6 mm, for example equal to 0.5 mm.
  • the presence of the grooves 40 leads to a localized narrowing of the bridges of material 27. Such a narrowing allows a magnetic saturation of the sheet for a lower magnetic flux along the bridge 27, which limits the passage of the magnetic flux.
  • the smallest width / of the material bridges 27 is preferably between 0.2 mm and 0.5 mm, for example equal to 0.35 mm.
  • the notches are generally rectangular in cross section. All or part of the notches may have radial edges 33 having a rib 42, as illustrated in Figure 10. Each rib 42 extends parallel to the axis of rotation of the machine. This rib 42 is placed in a central part of the radial edges 33, substantially halfway between the bottom of the notch 36 on the side of the cylinder head 29 and the material bridge 27 closing it.
  • the stator mass 25 is formed from a bundle of magnetic sheets stacked along the axis of rotation, the sheets being for example identical and exactly superimposed. They can be held together by clipping, gluing, rivets, tie rods, welds and / or any other technique.
  • the magnetic sheets are preferably made of magnetic steel.
  • the teeth 23 of the stator mass 25 may have complementary surface reliefs making it possible to clip the various sheets making up the stator mass 25 together.
  • the stator can be obtained by means of a manufacturing process in which the electrical conductors 22 are inserted into the notches 21 by one or both axial ends of the stator, by sliding in the notches 21 along an axis parallel to the stator. longitudinal axis of rotation
  • all the electrical conductors having their free end located at the same circumferential position around the axis of rotation of the machine are electrically connected together, regardless of their radial position.
  • the invention is not limited to the embodiments which have just been described, and the rotor associated with the stator described can be wound, with a squirrel cage or with permanent magnets, or else with variable reluctance.
  • the expression “comprising a” should be understood as being synonymous with “comprising at least one”.

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Abstract

Stator (2) de machine électrique tournante, comportant une masse statorique (25) comportant des dents (23) et des encoches (21) entre les dents (23), chacune des encoches étant, du côté de l'entrefer, entièrement fermée, des conducteurs électriques (22) étant logés dans les encoches, les conducteurs électriques formant un bobinage fractionnaire, pour lequel le rapport q défini par q=Ne/(2pm) s'écrit sous la forme d'une fraction irréductible z/n, z et n étant deux nombres entiers non nuls, n étant différent de 1, où Ne est le nombre d'encoches du stator, m le nombre de phases du bobinage et p le nombre de paires de pôles du stator.

Description

Description
Titre : Stator de machine électrique tournante
La présente invention revendique la priorité de la demande française 1902069 déposée le 28 février 2019 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
La présente invention concerne les machines électriques tournantes et plus particulièrement les stators de telles machines.
Domaine technique
L’invention porte plus particulièrement sur les machines synchrones ou asynchrones, à courant alternatif. Elle concerne notamment les machines de traction ou de propulsion de véhicules automobiles électriques ( Battery Electric Vehicle ) et/ou hybrides (Hybrid Electric Vehicle - Plug-in Hybrid Electric Vehicle), telles que voitures individuelles, camionnettes, camions ou bus. L’invention s’applique également à des machines électriques tournantes pour des applications industrielles et/ou de production d’énergie, notamment navales ou éoliennes.
Technique antérieure
Les machines électriques utilisées dans les applications automobiles ont le plus souvent un nombre d’encoches par pôle et par phase entier, et des encoches au stator ouvertes ou semi-ouvertes.
Dans les demandes de brevet US 2003/0214196 et US 2007/0018525, et dans le brevet US 7 348 705, les encoches sont semi-ouvertes, et logent des conducteurs électriques en U, les conducteurs électriques étant répartis entre deux ensembles de bobines indépendants sur quatre couches, deux couches par ensemble de bobines. Les conducteurs de deux ensembles de bobines différents ne sont pas reliés électriquement ensemble dans le stator. Les connexions entre les phases sont faites à l’extérieur du stator, dans une boite à bornes. Dans la demande US 2007/0018525, le stator a un nombre d’encoches par pôle et par phase fractionnaire.
Dans la demande de brevet CN205583868, le stator a un nombre d’encoche par pôle et par phase fractionnaire, avec des encoches entièrement fermées du côté de l’entrefer, et fermées du côté opposé à l’entrefer par une culasse rapportée. Cependant, le stator est à bobinage concentré, étant bobiné sur dent. Dans la demande de brevet US 2014/319953, les encoches du stator ne sont pas fermées.
Par ailleurs, dans les stators connus, la culasse du stator ménage des encoches totalement ouvertes ou semi-ouvertes en direction de l’entrefer, de manière à permettre l’introduction des conducteurs des bobinages. Généralement, les encoches semi-ouvertes reçoivent des conducteurs électriques de section transversale circulaire disposés en vrac, tandis que les encoches totalement ouvertes logent des conducteurs électriques de section transversale rectangulaire, disposés de manière rangée.
On connaît également des stators dans lesquels les encoches sont fermées par des cales non magnétiques ou semi-magnétiques. Cependant, de telles cales risquent de se détacher et de gêner le fonctionnement de la machine.
La demande de brevet US 2010/001609 a pour objet un stator dans lequel les encoches sont fermées, et reçoivent des conducteurs électriques en U de section rectangulaire, qui sont connectés chacun à un conducteur de l’encoche adjacente, afin de former un bobinage série ondulé. Le bobinage n’est pas fractionnaire.
La demande de brevet FR 3 019 947 décrit un stator comportant une couronne dentelée comportant des dents reliées entre elles par des ponts de matière et définissant entre elles des encoches de réception des bobines, les encoches étant ouvertes radialement vers l’extérieur. Les ouvertures des encoches sont fermées par une culasse rapportée sur la couronne dentelée.
Il existe un besoin pour bénéficier d’un stator de machine électrique tournante d’assemblage aisé permettant un remplissage efficace des encoches, tout en assurant des performances électromagnétiques satisfaisantes. Il existe également un besoin pour améliorer encore les stators de machines électriques et notamment diminuer les ondulations de couple, les vibrations et le bruit électromagnétiques.
Exposé de l’invention
Stator
L’invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, grâce à un stator de machine électrique tournante, comportant une masse statorique comportant des dents et des encoches entre les dents, chacune des encoches étant, du côté de l’entrefer, au moins partiellement fermée, notamment entièrement fermée, des conducteurs électriques étant logés dans les encoches, les conducteurs électriques formant un bobinage, notamment un bobinage unique, fractionnaire, pour lequel le rapport q défini par q=Ne/(2pm) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductible z/n, z et n étant deux nombres entiers non nuis, n étant différent de 1 , où Ne est le nombre d’encoches du stator, m le nombre de phases du bobinage et p le nombre de paires de pôles du stator. Une partie au moins des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingles, notamment de U ou de I.
L’invention a notamment pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un stator de machine électrique tournante, comportant une masse statorique comportant des dents et des encoches entre les dents, chacune des encoches étant, du côté de l’entrefer, entièrement fermée, des conducteurs électriques étant logés dans les encoches, les conducteurs électriques formant un bobinage fractionnaire, pour lequel le rapport q défini par q=Ne/(2pm) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductible z/n, z et n étant deux nombres entiers non nuis, n étant différent de 1, où Ne est le nombre d’encoches du stator, m le nombre de phases du bobinage et p le nombre de paires de pôles du stator. Le stator peut comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques mentionnées ci-avant ou ci-après. En particulier, une partie au moins des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingles, notamment de U ou de I, et s’étendre axialement dans les encoches.
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un stator de machine électrique tournante, comportant une masse statorique comportant des dents et des encoches entre les dents, chacune des encoches étant, du côté de l’entrefer, au moins partiellement fermée, des conducteurs électriques étant logés dans les encoches et étant répartis en au moins deux couches, notamment en deux couches seulement, les conducteurs électriques formant un bobinage unique fractionnaire, pour lequel le rapport q défini par q=Ne/(2pm) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductible z/n, z et étant deux nombres entiers non nuis, n étant différent de 1, où Ne est le nombre d’encoches du stator, m le nombre de phases du bobinage et p le nombre de paires de pôles du stator. Le stator peut comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques mentionnées ci-avant ou ci-après. En particulier, une partie au moins des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingles, notamment de U ou de I, et s’étendre axialement dans les encoches.
Bobinage fractionnaire Un bobinage est constitué d’un nombre de phases m décalées dans l’espace de telle façon que lorsqu’elles sont alimentées par un système de courant multi-phasés, elles produisent un champ tournant.
Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage unique, Par « bobinage unique », on entend que les conducteurs électriques sont reliés électriquement ensemble dans le stator, et que les connexions entre les phases sont faites dans le stator, et non pas à l’extérieur du stator, par exemple dans une boite à bornes.
Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage distribué. Le bobinage n’est pas concentré ou bobiné sur dent.
Le bobinage est dans l’invention fractionnaire. Le bobinage peut être fractionnaire.
Pour un bobinage fractionnaire, le nombre d’encoches par pôle et par phase est fractionnaire, c’est-à-dire que le rapport q défini par q=Nd(2pm) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductible z/n, z et n étant deux nombres entiers non nuis, n étant différent de 1, où Ne est le nombre d’encoches du stator, m le nombre de phases du bobinage et p le nombre de paires de pôles du stator.
Dans un mode de réalisation, q peut être strictement supérieur à 1,5, étant notamment différent de 1,5, mieux supérieur ou égale à 2,25, étant par exemple notamment égal à 5/2 ou 7/2. On peut réduire ainsi les harmoniques de couple.
Le nombre d’encoches du stator peut être compris entre 18 et 96, mieux entre 30 et 84, étant par exemple de 18, 24, 27, 30, 36, 42, 45, 48, 54, 60, 63, 72, 81, 92, 96, mieux étant de 60 ou 63. Le nombre de pôles du stator peut être compris entre 2 et 24, voire entre 4 et 12, étant par exemple de 6 ou de 8.
La combinaison nombre d’encoches/nombre de pôles du stator peut être choisie parmi les combinaisons de la liste suivante, qui n’est pas limitative : 30/4, 42/4, 45/6, 63/6, 60/8, 84/8.
Dans un mode de réalisation, la combinaison nombre d’encoches/nombre de pôles du stator est 60/8. On a dans ce cas <y=60/(2*4*3)=5/2.
Dans un mode de réalisation, la combinaison nombre d’encoches/nombre de pairs de pôles du stator est 63/6 ou On a dans ce cas q= 63/(2*3*3)=7/2. Plus largement, la combinaison entre le nombre d’encoches Ne et le nombre de paires de pôles p du stator peut être l’une de celles cochées dans le tableau 1 suivant, pour un bobinage triphasé.
Un nombre d’encoches par pôle et par phase plus élevé permet de mieux filtrer les harmoniques.
Le nombre de phase est dans ce cas de trois, mais on ne sort pas du cadre de la présente invention si le nombre de phase est différent, étant par exemple de deux, la machine comportant alors un bobinage biphasé, ou étant par exemple de 5, 6 ou 9. De préférence, le bobinage est polyphasé.
On va maintenant expliciter les avantages d’un bobinage fractionnaire, éventuellement associé à des encoches fermées.
Les ondulations de couple et les efforts magnétiques qui dépendent du spectre de l’induction dans l’entrefer, constituent les sources principales du bruit d’origine électromagnétique. Ce bruit se manifeste d’une part par les ondulations de couple qui interagissent avec le système de transmission et d’autre part par les efforts magnétiques qui s’appliquent au stator de la machine qui peuvent, en fonction de leurs amplitudes et de leurs fréquences, exciter les modes propres de la machine, et donc la faire entrer en résonnance.
Les harmoniques de forces magnétiques et d’ondulation de couple qui sont à la source de ces phénomènes sont dus aux harmoniques spatiales d’encoches. Ces harmoniques proviennent de la variation de la perméance d’entrefer qui dépend de l’ouverture d’encoche et de la distribution discrète de la force magnétomotrice. Dans le cas des machines à encoches ouvertes ou semi-ouvertes, le spectre de la perméance est riche en harmonique, ce qui augmente le taux d’harmonique des efforts magnétiques ; la culasse statorique peut alors être davantage le sujet de problèmes de résonance puisque sa rigidité est d’autant plus faible si l’ouverture d’encoche est plus grande.
Dans les machines à pas entier, afin de réduire les harmoniques du champ d’entrefer, on adopte souvent un nombre d’encoches par pôle et par phase relativement élevé, par exemple supérieur à 3, ainsi qu’un raccourcissement du pas d’ouverture des bobines. Afin de réduire les harmoniques d’encoches, qui sont dus à la distribution du bobinage, on peut procéder au vrillage du stator ou du rotor de la machine. Cependant, ce procédé ajoute une étape supplémentaire de fabrication.
On comprend que le bobinage fractionnaire permet de réduire le contenu harmonique de la force magnétomotrice dans l’entrefer, réduisant ainsi les ondulations de couple et les amplitudes des pressions magnétiques radiales et tangentielles.
Par exemple, une comparaison des taux d’harmoniques entre une machine 48 encoches 8 pôles à nombre d’encoches par pôles et par phase entier avec et sans raccourcissement et une machine 60 encoches 8 pôles à nombre d’encoches par pôle et par phase fractionnaire est illustré dans le tableau 2 ci-après, qui montre l’intérêt du pas fractionnaire.
[Tableau 2]
Tableau 2 : Taux d'harmonique en p.u entre un nombre q entier et fractionnaire
Dans le tableau 3 ci-dessous, on montre une comparaison des ondulations du couple en % entre des machines 48 encoches 8 pôles à nombre d’encoches par pôle et par phase entier avec un rotor droit et un rotor vrillé, des machines 72 encoches 6 pôles à nombre d’encoches par pôle et par phase entier avec un rotor droit et un rotor vrillé d’une part, et d’autre part une machine 63 encoches 6 pôles à nombre d’encoches par pôle et par phase fractionnaire avec un rotor droit. On comprend l’intérêt du bobinage fractionnaire sur la réduction du taux d’ondulation du couple sans avoir recours à un vrillage du rotor. [Tableau 3]
Tableau 3 : Ondulation du couple en [%]
La mise en série des conducteurs électriques peut être faite en bobinage dit ondulé ou en bobinage dit imbriqué.
Par « bobinage ondulé », on entend un bobinage dans lequel les conducteurs électriques d’une même phase et d’un même pôle sont reliés électriquement l’un à l’autre de façon que, pour une voie d’enroulement, le courant électrique de la phase circule dans les conducteurs électriques en tournant autour de l’axe de rotation de la machine toujours dans un seul sens. Pour une voie d’enroulement, les conducteurs électriques d’une même phase et d’un même pôle ne se chevauchent pas lorsqu’observés perpendiculairement à Taxe de rotation de la machine.
Par « bobinage imbriqué », on entend un bobinage dans lequel les conducteurs électriques d’une même phase d’un même pôle sont reliés électriquement l’un à l’autre de façon que le courant électrique de la phase circule dans les conducteurs électriques en tournant autour de Taxe de rotation de la machine alternativement dans un sens puis dans l’autre. Pour une voie d’enroulement, les conducteurs électriques d’une même phase et d’un même pôle se chevauchent lorsqu’observés perpendiculairement à Taxe de rotation de la machine.
Le bobinage peut comporter une seule voie d’enroulement ou plusieurs voies d’enroulement. Dans un « conducteur électrique » circule le courant d’une même phase par voie d’enroulement. Par « voie d’enroulement », on entend l’ensemble des conducteurs électriques de la machine qui sont parcourus par un même courant électrique d’une même phase. Ces conducteurs électriques peuvent être connectés entre eux en série ou en parallèle ou en série-parallèle. Dans le cas où on a une seule voie, les conducteurs électriques sont connectés en série. Dans le cas où on a plusieurs voies, les conducteurs électriques de chaque voie sont connectés en série, et les voies sont connectés en parallèle.
Conducteurs électriques
Dans un « conducteur électrique » circule le courant d’une même phase d’une voie d’enroulement.
Dans chaque encoche, il peut y avoir une ou plusieurs couches. Par « couche » (« layer » en anglais), on désigne les conducteurs en série appartenant à une même phase disposés dans une même encoche. Dans chaque couche d’une encoche, il y a les conducteurs électriques d’une même phase. De manière générale, les conducteurs électriques d’un stator peuvent être réparties en une couche ou en plusieurs couches, par exemple deux, trois ou quatre couches. Lorsque les conducteurs électriques sont repartis en une seule couche, chaque encoche ne loge que des conducteurs électriques d’une même phase.
Dans l’invention, les conducteurs électriques peuvent être répartis en au moins deux couches, notamment en deux couches seulement. Dans ce cas, une ou des encoches peuvent loger des conducteurs électriques de deux phases différentes. C’est toujours le cas pour un bobinage à pas raccourci.
Dans un mode de réalisation, le bobinage peut ne pas comporter plus de deux couches. Dans un mode de réalisation, il est notamment dépourvu de quatre couches.
Au moins un premier conducteur électrique logé dans une première encoche peut être relié électriquement à un deuxième conducteur électrique logé dans une deuxième encoche, à la sortie desdites encoches.
Par « reliés électriquement », on entend tout type de liaison électrique, notamment par soudure, avec différentes méthodes de soudures possible, notamment laser, induction, friction, ultrasons, vibrations, ou brasure, ou par serrage mécanique, notamment par sertissage, vissage ou rivetage par exemple.
Les première et deuxième encoches sont de préférence non consécutives.
Les premier et deuxième conducteurs électriques peuvent être reliés électriquement à la sortie des première et deuxième encoches, c’est-à-dire que la liaison électrique est formée sur les conducteurs électriques juste après leur sortie des deux encoches, à une extrémité axiale de la masse statorique. La liaison électrique peut être faite dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de la machine. Le plan de la liaison électrique peut être éloigné de la masse statorique de moins de 60 mm, mieux de moins de 40 mm, par exemple de 27 mm ou de 38 mm environ.
Une majorité des conducteurs électriques logés dans une première encoche peuvent être reliés électriquement chacun à un deuxième conducteur électrique respectif logé dans une deuxième encoche, à la sortie desdites encoches. Au moins une encoche, mieux une majorité des encoches, voire plus de la moitié des encoches, mieux plus des deux-tiers des encoches, voire toutes les encoches, peuvent comporter des premiers conducteurs électriques chacun relié électriquement à un deuxième conducteur électrique respectif logé dans une deuxième encoche, à la sortie desdites encoches.
Dans un mode de réalisation, tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre situées à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale, sont reliés électriquement ensemble.
Les premier et deuxième conducteurs électriques peuvent comporter chacun une portion oblique. Les portions obliques peuvent s’étendre dans une direction circonférentielle, autour de l’axe de rotation de la machine. Les deux portions obliques peuvent être configurées pour converger l’une vers l’autre et permettre ainsi de réaliser la liaison électrique.
Un conducteur électrique peut comporter deux portions obliques, une à chacune de ses deux extrémités. Les deux portions obliques d’un même conducteur électrique peuvent s’étendre dans des directions opposées. Elles peuvent être symétriques l’une par rapport à l’autre.
Une majorité des conducteurs électriques peuvent comporter une ou des portions obliques telles que décrites ci-dessus.
Les conducteurs électriques peuvent être disposés dans les encoches de manière répartie. Par « répartie », il faut comprendre que les conducteurs électriques de départ et de retour sont logés chacun dans des encoches différentes et non consécutives. Au moins l’un des conducteurs électriques peut passer successivement dans deux encoches non consécutives.
Les conducteurs électriques peuvent être disposés de manière rangée dans les encoches. Par « rangée », on entend que les conducteurs électriques ne sont pas disposés dans les encoches en vrac mais de manière ordonnée. Ils sont empilés dans les encoches de manière non aléatoire, étant par exemple disposés selon une ou plusieurs rangées de conducteurs électriques alignés, notamment dans la direction radiale et/ou circonférentielle.
Les conducteurs électriques peuvent être en section transversale de forme générale rectangulaire, notamment avec des arêtes arrondies. La dimension circonférentielle d’un conducteur électrique peut correspondre sensiblement à la largeur d’une encoche. Ainsi, une encoche peut ne comporter dans sa largeur qu’un seul conducteur électrique. La largeur de l’encoche est mesurée dans sa dimension circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine.
Les conducteurs électriques peuvent être adjacents les uns aux autres par leurs grands côtés, autrement appelé le plat.
L’optimisation de l’empilement peut permettre de disposer dans les encoches une plus grande quantité de conducteurs électriques et donc d’obtenir un stator de plus grande puissance, à volume constant.
Chaque encoche peut comporter deux à 36 conducteurs électriques, notamment deux à 24, mieux 2 à 12 conducteurs électriques. Chaque encoche peut comporter deux à huit conducteurs électriques, notamment deux à quatre conducteurs électriques, par exemple deux ou quatre conducteurs électriques. Dans une variante de réalisation chaque encoche comporte deux conducteurs électriques. Dans une autre variante de réalisation, chaque encoche comporte quatre conducteurs électriques.
Epingles
Des conducteurs électriques au moins, voir une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingles, de U ou de I. L’épingle peut être en forme de U (« U-pin » en anglais) ou droite, étant en forme de I (« I-pin » en anglais).
Les conducteurs électriques en épingle et méplat permettent d’augmenter le coefficient de remplissage de l’encoche, rendant la machine plus compacte. Grâce à un coefficient de remplissage élevé, les échanges thermiques entre les conducteurs électriques et la masse statorique sont améliorés, ce qui permet de réduire la température des conducteurs électriques à l’intérieur des encoches.
En outre, la fabrication du stator peut être facilitée grâce aux conducteurs électriques en forme d'épingles. De plus, le bobinage avec des épingles peut être aisément modifiable en changeant uniquement les connexions entre les épingles au niveau des têtes de bobines. Enfin, les épingles ne nécessitant pas d’avoir des encoches ouvertes, on peut avoir des encoches fermées qui permettent de tenir les épingles et on peut donc ainsi supprimer l’étape d’insertion des cales du stator.
Il n’y a pas besoin dans ce cas d’une culasse rapportée, ce qui permet d’améliorer la tenue mécanique du stator et sa conductivité thermique.
En variante, les conducteurs électriques pourraient comporter du fil rond. Dans un mode de réalisation, le stator peut comporter une frette magnétique telle que définie ci- après et des conducteurs électriques en forme de fil rond. Ceux-ci peuvent être insérés dans les encoches du côté de l’entrefer, avant la mise en place de la frette.
Des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, s’étendent axialement dans les encoches. Les conducteurs électriques peuvent être introduits dans les encoches correspondantes par l’une ou les deux extrémités axiales de la machine.
Un conducteur électrique en forme de I a deux extrémités axiales chacune placées à l’une des extrémités axiales du stator. Il passe dans une encoche unique, et peut être soudé à chacune de ses extrémités axiales à deux autres conducteurs électriques, au niveau des extrémités axiales du stator.
Un conducteur électrique en forme de U a deux extrémités axiales toutes deux placées à l’une des extrémités axiales du stator. Il passe dans deux encoches différentes, et peut être soudé à chacune de ses extrémités axiales à deux autres conducteurs électriques, au niveau d’un même côté axial du stator. Le bas du U est disposé de l’autre côté axial du stator.
Un conducteur électrique, étant en forme d'épingle en U, peut comporter une première et une seconde jambe s’étendant axialement respectivement dans des première A et seconde R encoches. On peut également parler d’ouverture du conducteur électrique. Les première A et seconde R encoches sont séparées par un nombre Nd de dents. Il s’agit du nombre de dents entre l’encoche aller et l’encoche retour d’un même conducteur électrique. Le nombre Nd de dents peut être strictement supérieur à 5, étant par exemple supérieur ou égal à 6. Il peut être par exemple de 6, 7 et/ou 8, ou de 9, 10 et/ou 11.
Le nombre Nd de dents peut être le même pour tous les conducteurs électriques en forme d'épingle en U du stator. On peut également parler pour le nombre Nd de dents de pas d’un conducteur électrique. Lorsque ce dernier est le même pour tous les conducteurs électriques du stator qui sont en forme d’épingle en U, on peut faciliter ainsi la fabrication des épingles en U, et on simplifie l’étape de positionnement de celles-ci dans la masse statorique, notamment leur insertion. Avantageusement, une telle configuration permet d’améliorer le lissage du champ dans l’entrefer, et de réduire les harmoniques du stator.
Brins
Dans un mode de réalisation, chaque conducteur électrique peut comporter un ou plusieurs brins (« wire » ou « strand » en anglais). Par « brin », on entend l’unité la plus élémentaire pour la conduction électrique. Un brin peut être de section transversale ronde, on peut alors parler de‘fil’, ou en méplat. Les brins en méplat peuvent être mis en forme en épingles, par exemple en U ou en I. Chaque brin est revêtu d’un émail isolant.
Le fait que chaque encoche puisse comporter plusieurs conducteurs et/ou plusieurs brins permet de minimiser les pertes par courants induits, ou pertes Joule AC, lesquelles évoluent avec le carré de la fréquence d’alimentation, ce qui est particulièrement avantageux lorsque la vitesse de fonctionnement est élevée. On peut ainsi obtenir un meilleur rendement à haute vitesse.
La présence des encoches fermées peut permettre d’obtenir une réduction des flux de fuites vu par les conducteurs, ce qui entraîne une diminution des pertes par courants de Foucault dans les brins.
Dans un mode de réalisation, chaque conducteur électrique peut comporter une ou plusieurs épingles, chacune formant un brin, comme explicité ci-dessus. Dans ce cas, tous les brins d’un même conducteur électrique peuvent être reliés électriquement les uns aux autres à la sortie de l’encoche. Les brins reliés électriquement les uns aux autres sont placés en court-circuit. Le nombre de brins reliés électriquement ensemble peut être supérieur ou égal à 2, étant par exemple compris entre 2 et 12, étant par exemple de 3, 4, 6 ou 8 brins.
Plusieurs brins peuvent former un même conducteur électrique. Un même courant électrique d’une même phase circule dans l’ensemble des brins d’un même conducteur électrique. Tous les brins d’un même conducteur électrique peuvent être reliés électriquement les uns aux autres, notamment à la sortie de l’encoche. Tous les brins d’un même conducteur électrique peuvent être reliés électriquement les uns aux autres à chacune de leurs deux extrémités axiales, notamment à la sortie de l’encoche. Ils peuvent être reliées électriquement en parallèle.
Tous les brins de tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre situées à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale, peuvent être reliés électriquement les uns aux autres. Dans un mode de réalisation, chaque conducteur électrique comporte un seul brin. Dans un autre mode de réalisation, chaque conducteur électrique comporte trois brins.
Dans le cas où une encoche comporte deux conducteurs électriques, une encoche peut donc loger deux brins, ou en variante six brins, par exemple, répartis entre les deux conducteurs électriques.
En variante, une encoche comporte quatre conducteurs électriques. Chaque conducteur électrique peut comporter deux brins. L’encoche loge alors huit brins, répartis entre les quatre conducteurs électriques.
Les brins peuvent être positionnés dans l’encoche de façon que leur dimension circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine soit supérieure à leur dimension radiale. Une telle configuration permet une réduction des pertes par courants de Loucault dans les brins.
Un brin peut avoir une largeur comprise entre 1 et 5 mmm, étant par exemple de l’ordre de 2,5 ou 3 mm. La largeur d’un brin est définie comme sa dimension dans la direction circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine.
Un brin peut avoir une hauteur comprise entre 1 et 4 mmm, étant par exemple de l’ordre de 1,6 ou 1,8 mm. La hauteur d’un brin est définie comme son épaisseur dans la dimension radiale.
Un ratio de la largeur d’un brin sur sa hauteur peut être compris entre 1 et 2,5, mieux entre 1,2 et 2, voire entre 1,4 et 1,8, étant par exemple de 1,56 ou de 1,66.
Dans un autre mode de réalisation, un brin peut avoir une hauteur comprise entre 2 et 8 mmm, étant par exemple de l’ordre de 4,75 mm. La hauteur d’un brin est définie comme son épaisseur dans la dimension radiale. Un ratio de la largeur d’un brin sur sa hauteur peut être inférieur à 1, par exemple entre 0,9 et 0,2, voire entre 0,8 et 0,3, étant par exemple de 0,5 à 0,6 environ.
Les conducteurs électriques peuvent être réalisés en cuivre ou aluminium.
Isolants
Les conducteurs électriques sont isolés électriquement de l’extérieur par un revêtement isolant, notamment un émail. Les conducteurs électriques peuvent être séparés des parois de l’encoche par un isolant, notamment par au moins une feuille d’isolant. Un tel isolant en feuille permet une meilleure isolation des conducteurs électriques par rapport à la masse statorique. L’utilisation d’encoches fermées peut permettre d’améliorer le maintien des isolants autour des conducteurs électriques dans les encoches.
Encoches partiellement fermées ou entièrement fermées
Les encoches peuvent être au moins partiellement fermée. Une encoche partiellement fermée permet de ménager une ouverture au niveau de l’entrefer, qui peut servir par exemple à la mise en place des conducteurs électriques pour le remplissage de l’encoche. Une encoche partiellement fermée est notamment ménagée entre deux dents qui comportent chacune des épanouissements polaires au niveau de leur extrémité libre, lesquels viennent fermer l’encoche au moins en partie.
En variante, les encoches peuvent être entièrement fermée. Par « encoche entièrement fermée », on désigne des encoches qui ne sont pas ouvertes radialement vers l’entrefer.
Les encoches peuvent être fermées du côté de l’entrefer par une firette magnétique. La firette peut être rapportée sur les dents du côté de l’entrefer. La frette magnétique peut avoir de préférence la même perméabilité magnétique que le stator. Elle peut notamment être réalisée dans le même matériau que la masse statorique. Elle peut être de forme générale annulaire et disposée dans l’entrefer. Elle forme des ponts de matière entre les dents, qui ferment les encoches du côté de l’entrefer. Ces ponts de matière ne sont pas d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. Cette frette magnétique peut notamment être en une seule pièce sur toute la circonférence du stator. Elle peut être formée d’un empilement de tôles laminées.
La frette magnétique peut présenter au moins un rétrécissement localisé formé par au moins une rainure. La frette peut notamment comporter au moins une rainure par pont de matière fermant une encoche, lesdites rainures pouvant être disposées devant chacune des encoches.
Lorsque l’on utilise une frette, il est alors possible d’utiliser des conducteurs électriques à fil rond.
En variante, le stator est dépourvu d’une frette rapportée servant à la fermeture des encoches.
Dans un mode de réalisation, au moins une encoche, voire chaque encoche, peut être continûment fermée du côté de l’entrefer par un pont de matière venu d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. Toutes les encoches peuvent être fermées du côté de l’entrefer par des ponts de matière fermant les encoches. Les ponts de matière peuvent être venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. La masse statorique est alors dépourvue de découpe entre les dents et les ponts de matière fermant les encoches, et les encoches sont alors continûment fermées du côté de l’entrefer par les ponts de matière venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche.
En outre, les encoches peuvent également être fermées du côté opposé à l’entrefer par une culasse rapportée ou d’un seul tenant avec les dents. Les encoches ne sont alors pas ouvertes radialement vers l’extérieur. La masse statorique peut être dépourvue de découpe entre les dents et la culasse.
Dans un mode de réalisation, chacune des encoches est de contour continûment fermé. Par « continûment fermé », on entend que les encoches présentent un contour fermé continu lorsqu’elles sont observées en section transversale, prise perpendiculairement à l’axe de rotation de la machine. On peut faire le tour complet de l’encoche sans rencontrer de découpe dans la masse statorique.
La présence des encoches fermées permet d’améliorer les performances de la machine électrique en termes de qualité du champ magnétique dans l’entrefer, en minimisant le contenu harmonique et les pertes par courants de Foucault dans les conducteurs électriques, et les flux de fuite dans les encoches, ainsi que les fluctuations du champ magnétique dans l’entrefer et réchauffement de la machine. Les encoches fermées permettent d’avoir un entrefer cylindrique fermé, de réduire les flux de fuite dans les encoches, ce qui permet de diminuer les pertes AC dans le bobinage statorique. L’autonomie de la batterie en est donc rallongée grâce au rendement de la machine augmenté en raison de la diminution des pertes AC.
En outre, la présence de ces encoches fermées permet d’améliorer la rigidité mécanique du stator, en renforçant mécaniquement le stator et en réduisant les vibrations. On peut notamment obtenir un éloignement des fréquences de résonnance du mode de déformation correspondant à 2p, p étant le nombre de paires de pôles du stator. La réduction des vibrations peut contribuer à rendre le fonctionnement de la machine plus silencieux, ce qui peut être particulièrement avantageux lorsque le stator est destiné à être associé à un système de boite de vitesse. Par ailleurs, le fait de fermer l’encoche peut permettre de réduire la capacité parasite entre les bobinages du stator et le rotor, ce qui réduit les courants de fuite et peut permettre d’éviter d’avoir à utiliser des bagues ou balais de drainage des courants d’arbre.
La masse statorique peut être réalisée par empilement de tôles magnétiques, les encoches étant venues par découpage des tôles. La masse statorique peut également être réalisée par taillage dans une masse de poudre magnétique frittée ou agglomérée. La fermeture des encoches du côté de l’entrefer est obtenue par des ponts de matière venus d’un seul tenant avec le reste des tôles ou du bloc formant la masse statorique.
Le stator selon l’invention est dépourvu de cales magnétiques rapportées de fermeture des encoches. On élimine ainsi le risque de détachement accidentel de ces cales.
Ponts de matière
La masse statorique peut comporter des dents ménagées entre les encoches, qui sont reliées entre elles du côté de l’entrefer par des ponts de matière. Ainsi, chaque encoche est fermée du côté de l’entrefer par un pont de matière reliant entre elles deux dents consécutives de la masse statorique. Les ponts de matière relient chacun deux dents adjacentes à leur base du côté de l'entrefer et définissent le fond de l’encoche entre ces dents du côté de l’entrefer.
Les ponts de matière sont d’un seul tenant avec les dents adjacentes.
Les deux dents consécutives sont reliées du côté opposé par une culasse. La culasse peut être réalisée d’un seul tenant avec les dents. Le stator peut ainsi être dépourvu de culasse rapportée sur une couronne dentelée.
Comme mentionné ci-dessus, l’absence d’ouverture des encoches vers l’entrefer permet d’éviter de produire des perturbations électromagnétiques, notamment une augmentation de l’entrefer « magnétique » en raison des franges de flux, des pertes fer plus élevées à la surface du rotor pour la même raison, ou encore des couples pulsatoires, et des forces radiales, et les pertes Joule AC. Les performances électromagnétiques de la machine en sont améliorées.
Les ponts de matière peuvent être réalisés de façon à être saturés magnétiquement durant le fonctionnement de la machine. On limite ainsi le passage du flux d’une encoche à l’autre sans pour autant empêcher le passage du flux du rotor vers le stator.
Les ponts de matière sont de préférence indéformables. Ceci accroît la rigidité du stator et améliore la durée de vie de la machine électrique. La plus petite largeur des ponts de matière est par exemple comprise entre 0,2 et 0,5 mm. Elle peut être de l’ordre de 0,35 mm par exemple.
La largeur du pont de matière peut être du même ordre de grandeur que l’épaisseur de la tôle.
Par exemple, la masse statorique se présente sous forme de tôle empilées, présentant des dents reliées entre elles à leur base du côté de l'entrefer par des ponts de matière.
Les ponts de matière sont venus d’un seul tenant avec les dents.
Rainures
Les ponts de matière peuvent présenter chacun au moins un rétrécissement localisé formé par au moins une rainure. Pour obtenir la saturation, on peut diminuer localement la section du pont de matière disponible pour le passage du flux, par exemple en prévoyant une rainure.
De préférence, les rainures sont ouvertes vers les encoches.
Le fond des encoches du côté du pont de matière présente au moins une surface d’appui, mieux au moins deux surfaces d’appui, orientée transversalement et le fond de la rainure est en retrait par rapport à cette ou ces surfaces. La ou les surfaces d’appui peuvent être orientées obliquement par rapport à l’axe radial de l’encoche correspondante ou orientées perpendiculairement à cet axe. La rainure forme une rupture de pente par rapport à la ou aux surfaces d’appui. Les conducteurs électriques, de préférence de section sensiblement rectangulaire, insérés dans l’encoche correspondante sont, de préférence, en appui contre les surfaces d’appui et en retrait par rapport au fond de la rainure. De préférence, les conducteurs électriques sont sans contact avec la rainure. La ou les surfaces d’appui sont préférentiellement planes. Le fond de l’encoche peut être plat, à l’exception de la rainure. Ceci permet un bon remplissage des encoches par les conducteurs électriques dans le cas de conducteurs électriques de section transversale rectangulaire, en permettant aux bobines de prendre appui à plat dans le fond des encoches.
La rainure dans le fond de l’encoche forme, de préférence, un jeu entre le pont de matière et le conducteur électrique correspondant.
Le pont de matière peut comporter au moins deux rainures telles que décrites précédemment, par exemple deux rainures par encoche. La ou les rainures peuvent être centrées par rapport à la ou aux encoches, ou au contraire être décalées par rapport à un plan de symétrie de la ou des encoches.
De préférence, la ou les rainures sont chacune de profil courbe en section dans un plan perpendiculaire à l’axe du stator, notamment de section sensiblement semi- circulaire. Le fond de la rainure peut être en forme d’arc de cercle, ou de toute autre forme appropriée, par exemple semi-elliptique ou ondulée.
La surface interne du stator est, de préférence, cylindrique de révolution.
Encoches
Au moins une encoche, mieux toutes les encoches, peuvent être en section transversale de forme générale rectangulaire.
Au moins une encoche, mieux toutes les encoches, peuvent comporter des bords radiaux ayant une nervure, notamment chacun une nervure. La nervure peut permettre d’améliorer le maintien des conducteurs électriques dans les encoches. En outre, la nervure peut permettre de minimiser les pertes Joule AC.
La nervure peut s’étendre parallèlement à l’axe de rotation de la machine.
La nervure peut être placé dans une partie centrale des bords radiaux, par exemple à mi-chemin entre le fond de l’encoche et le pont de matière la fermant. En variante, au moins une encoche, mieux toutes les encoches, peuvent comporter des bords radiaux ayant chacun plusieurs nervures, par exemple deux ou trois. Cela peut notamment être utile dans le cas où l’encoche est destinée à recevoir trois, quatre, six ou huit conducteurs électriques. L’encoche peut comporter une nervure entre chacune des couches de conducteurs électriques.
Dans une variante de réalisation les bords radiaux sont rectilignes, étant dépourvus de nervure.
Au moins une encoche peut être à bords radiaux opposés parallèles entre eux, mieux toutes les encoches sont à bords radiaux parallèles entre eux. La largeur d’une encoche est, de préférence, sensiblement constante sur toute sa hauteur. On a ainsi un meilleur taux de remplissage des encoches.
En variante, les bords radiaux des encoches ne sont pas parallèles entre eux.
Au moins une encoche, mieux toutes les encoches, peuvent avoir un fond rectiligne, en forme d’arc de cercle ou autre. Le fond de l’encoche est le fond de celle-ci situé du côté de la culasse, opposé au pont de matière et à l’entrefer. Au moins une encoche, mieux toutes les encoches, peuvent avoir un ratio de la longueur de l’encoche par rapport à sa largeur compris entre 2 et 6, mieux entre 3 et 4. La largeur d’une encoche correspond à sa dimension dans la direction circonférentielle mesurée autour de l’axe de rotation de la machine, et sa longueur à sa dimension dans la direction radiale.
Le stator peut comporter un capteur pour mesure la température des conducteurs électriques, le capteur étant disposé dans l’encoche, par exemple un thermocouple. Ce capteur peut être logé au moins en partie dans la rainure du pont de matière fermant l’encoche. Le capteur est par exemple logé dans un espace entre le conducteur le plus proche du pont de matière et le pont de matière.
Les encoches peuvent être configurées pour permettre le passage d’un fluide de refroidissement. Certaines ou toutes les encoches peuvent loger des conduits de circulation d’un fluide de refroidissement, ou le fluide de refroidissement peut circuler directement dans les encoches. Le fluide de refroidissement peut circuler dans le fond de l’encoche, et/ou vers le pont de matière, et/ou entre les conducteurs électriques, par exemple entre deux couches de conducteurs électriques. Le fluide de refroidissement peut être un gaz, par exemple de l’air, ou un liquide, par exemple de l’eau ou de l’huile.
Au moins une dent, mieux toutes les dents, peuvent être en section transversale de forme générale trapézoïdale. Au moins une dent, mieux toutes les dents, peuvent avoir des bords divergents lorsque l’on s’éloigne de l’axe de rotation de la machine.
La masse statorique peut être réalisée par empilement de tôles. Les dents sont reliées entre elles par des ponts de matière, et du côté opposé par une culasse. Les encoches fermées peuvent être réalisées entièrement par découpage dans les tôles. Chaque tôle de l’empilement de tôles peut être monobloc.
Chaque tôle est par exemple découpée dans une feuille d’acier magnétique ou contenant de l’acier magnétique, par exemple de l’acier de 0,1 à 1,5 mm d’épaisseur. Les tôles peuvent être revêtues d’un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein de l’empilement. L’isolation électrique peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles, le cas échéant.
En variante, la masse statorique peut être fabriquée à partir d’une poudre magnétique compactée ou agglomérée.
Machine et rotor L’invention a encore pour objet une machine électrique tournante, tel qu’un moteur synchrone ou une génératrice synchrone, comportant un stator tel que défini précédemment. La machine peut être synchrone ou asynchrone. La machine peut être à réluctance. Elle peut constituer un moteur synchrone.
La vitesse maximale de rotation de la machine peut être élevée, étant par exemple supérieure à 10 000 tr/min, mieux supérieure à 12 000 tr/min, étant par exemple de l’ordre de 14 000 tr/min à 15 000 tr/min, voire même de 20 000 tr/min ou de 25 000 tr/min. La vitesse maximale de rotation de la machine peut être inférieure à 100 000 tr/min, voire à 60 000 tr/min, voire encore inférieure à 40 000 tr/min, mieux inférieure à 30 000 tr/min.
La machine électrique tournante peut comporter un rotor. Le rotor peut être à aimants permanents, avec des aimants surfaciques ou enterrés. Le rotor peut être à concentration de flux. Il peut comporter une ou plusieurs couches d’aimants disposées en I, en U ou en V. En variante, il peut s’agir d’un rotor bobiné ou à cage d’écureuil, ou d’un rotor à réluctance variable.
Le diamètre du rotor peut être inférieur à 400 mm, mieux inférieur à 300 mm, et supérieur à 50 mm, mieux supérieur à 70 mm, étant par exemple compris entre 100 et 200 mm.
Le rotor peut comporter une masse rotorique s’étendant selon l’axe de rotation et disposée autour d’un arbre. L’arbre peut comporter des moyens de transmission de couple pour l’entraînement en rotation de la masse rotorique.
Le rotor peut être monté en porte à faux ou non.
La machine peut être insérée seule dans un carter ou insérée dans un carter de boite de vitesse. Dans ce cas, elle est insérée dans un carter qui loge également une boite de vitesse.
Procédé de fabrication
L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un stator de machine électrique tournante, notamment d’un stator tel que défini plus haut, dans lequel on dispose des conducteurs électriques dans les encoches d’une masse statorique du stator en les introduisant dans les encoches correspondantes par l’une ou les deux extrémités axiales du stator.
On peut disposer un même conducteur électrique en forme de U dans deux encoches différentes non consécutives de la masse statorique du stator. Dans le cas où un conducteur électrique est en forme de U, il peut être soudé à deux autres conducteurs électriques d’un même côté de la machine.
On peut relier entre eux deux conducteurs électriques en forme de I préalablement introduits dans deux encoches différentes non consécutives de la masse statorique du stator. Dans le cas où un conducteur électrique est en forme de I, il peut être soudé à deux autres conducteurs électriques des deux côtés opposés de la machine.
Dans l’invention, on peut relier électriquement ensemble tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre situées à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de réalisation non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
[Fig 1] La figure 1 est une vue en perspective, schématique et partielle, d’un stator réalisé conformément à l’invention.
[Fig 2] La figure 2 est une vue en perspective, schématique et partielle, du stator de la figure 1.
[Fig 3] La figure 3 une vue de détail, en perspective, du stator de la figure 1.
[Fig 4] La figure 4 représente en coupe transversale, de manière schématique et partielle, le stator selon l’invention.
[Fig 5] La figure 5 représente en coupe transversale, de manière schématique et partielle, la masse statorique du stator selon l’invention.
[Fig 6] La figure 6 illustre la variation du champ radial d’entrefer, en Tesla, en fonction de la position angulaire en °.
[Fig 7] La figure 7 est une vue en perspective d’une variante de réalisation.
[Fig 8] La figure 8 est une vue de détail, en perspective, du stator de la figure 5.
[Fig 9] La figure 9 représente en coupe transversale, de manière schématique et partielle, le stator de la figure 7.
[Fig 10] La figure 10 représente en coupe transversale, de manière schématique et partielle, une variante de réalisation.
Description détaillée On a illustré aux figures 1 à 5 un stator 2 d’une machine électrique tournante 1 comportant également un rotor non représenté. Le stator permet de générer un champ magnétique tournant d’entraînement du rotor en rotation, dans le cadre d’un moteur synchrone, et dans le cas d’un alternateur, la rotation du rotor induit une force électromotrice dans les conducteurs électriques du stator.
Les exemples illustrés ci-dessous sont schématiques et les dimensions relatives des différents éléments constitutifs n’ont pas été nécessairement respectées.
Le stator 2 comporte des conducteurs électriques 22, lesquels sont disposés dans des encoches 21 ménagées entre des dents 23 d’une masse statorique 25. Les encoches 21 sont fermées.
Les encoches 21 sont fermées du côté de l’entrefer par des ponts de matière 27, reliant chacun deux dents consécutives de la masse statorique 25, et du côté opposé par une culasse 29. Cette dernière et les dents 23 sont d’un seul tenant. La culasse 29 peut être parcourue le cas échéant par des nervures longitudinales de section semi-circulaires 31 destinées à loger des conduits de circulation d’un liquide de refroidissement.
Les conducteurs électriques 22 sont pour la plupart d’entre eux en forme d'épingles, à savoir de U ou de I, et s’étendant axialement dans les encoches. Un premier conducteur électrique logé dans une première encoche est relié électriquement à un deuxième conducteur électrique logé dans une deuxième encoche, à la sortie desdites encoches.
Les première et deuxième encoches sont non consécutives. Dans l’exemple illustré, elles sont séparées par 7 autres encoches. En variante, les première et deuxième encoche sont séparées par 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10 ou 11 autres encoches, par exemple.
On voit en particulier sur la figure 2 les surfaces d’extrémité 22a des premier et deuxième conducteurs électriques destinées à recevoir la liaison électrique. La liaison électrique est faite dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de la machine. Le plan de la liaison électrique peut être éloigné de la masse statorique de moins de 40 mm, notamment de 27 mm environ.
La liaison électrique est formée sur les conducteurs électriques juste après leur sortie des deux encoches, à une extrémité axiale de la masse statorique. Les deux conducteurs comportent chacun une portion oblique 22b, qui convergent l’une vers l’autre. Les conducteurs électriques sont disposés dans les encoches de manière répartie, et ils forment un bobinage distribué, qui est dans l’exemple décrit fractionnaire. Dans cet exemple, le nombre d’encoches est de 60. Le nombre de pôles du stator est de 8. Ainsi, la combinaison nombre d’encoches/nombre de pôles du stator est de 60/8.
Les conducteurs électriques forment un bobinage fractionnaire, pour lequel le rapport q défini par q=Ne/(2pm) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductible z/n, z et n étant deux nombres entiers non nuis, n étant différent de 1, où Ne est le nombre d’encoches du stator, m le nombre de phases du bobinage et p le nombre de paires de pôles du stator. On voit notamment sur la figure 4 isolément une bobine d'une phase dans le cas d'un bobinage fractionnaire triphasé. On a alors q=60/(3x8)=5/2 pour cette machine à 60 encoches et 8 pôles. Une bobine est formée par les conducteurs électriques aller d’une même phase passant dans des encoches adjacentes, et par les conducteurs électriques retours d’une même phase passant dans des encoches adjacentes.
Les conducteurs électriques 22 sont disposés de manière rangée dans les encoches 21, selon une rangée de conducteurs électriques alignés.
Les conducteurs électriques peuvent être en section transversale de forme générale rectangulaire, notamment avec des coins arrondis. Ils sont dans l’exemple décrit superposés radialement en une seule rangée. La dimension circonférentielle d’un conducteur électrique correspond sensiblement à la largeur d’une encoche. Ainsi, l’encoche ne comporte dans sa largeur qu’un seul conducteur électrique. Elle peut comporter plusieurs conducteurs électriques dans sa dimension radiale. Elle en comporte deux dans l’exemple décrit.
Les conducteurs électriques 22 sont en cuivre ou aluminium, ou tout autre matériau conducteur émaillé ou revêtu de tout autre revêtement isolant adapté.
On a illustré à la figure 6 la variation du champ radial d’entrefer dû à la réaction d’induit seule, en Tesla, en fonction de la position angulaire en °. La courbe A illustre cette variation pour un stator à encoches fermées conformément à l’invention, et est présentée en comparaison avec la courbe B qui illustre cette variation pour un stator à encoches semi- ouvertes, avec une ouverture de 2 mm. On voit que le champ radial d’entrefer obtenu avec un stator conforme à l’invention (courbe A) est moins riche en harmonique.
Dans l’exemple qui vient d’être décrit, une encoche comporte deux conducteurs électriques de phases différentes, et chaque conducteur électrique est formé d’un seul brin. Dans la variante de réalisation des figures 7 à 9, chaque conducteur électrique comporte plusieurs épingles, chacune formant un brin 32 au sein d’une encoche. Ainsi, chaque conducteur électrique comporte trois brins 32. Tous les brins 32 d’un même conducteur électrique 22 sont reliés électriquement les uns aux autres à la sortie de T encoche, et à chacune de leurs deux extrémités axiales 22a.
Par ailleurs, le stator des figures 5 et 6 comporte 63 encoches et 6 pôles du stator. Ainsi, la combinaison nombre d’encoches/nombre de pôles du stator est de 63/6.
Ainsi, les conducteurs électriques forment un bobinage fractionnaire, pour lequel le rapport q défini par q=Ne/(2pm) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductible z/n, z et n étant deux nombres entiers non nuis, n étant différent de 1, où Ne est le nombre d’encoches du stator, m le nombre de phases du bobinage et p le nombre de paires de pôles du stator. On voit notamment sur la figure 9 isolément une bobine d'une phase dans le cas d'un bobinage fractionnaire triphasé. On a alors q=63/(3x6)=7/2 pour cette machine à 63 encoches et 6 pôles. Une bobine est formée par les conducteurs électriques aller d’une même phase passant dans des encoches adjacentes, et par les conducteurs électriques retours d’une même phase passant dans des encoches adjacentes.
Chaque conducteur électrique 22 est entouré d’une feuille d’isolant non visible sur les figures, permettant d’isoler les conducteurs électriques des parois 33 et 36 de l’encoche et les conducteurs électriques 22 de phases différentes entre eux au sein d’une encoche.
Les encoches 21 sont, dans les exemples décrits et comme visible sur la figure 5, à bords radiaux 33 parallèles entre eux, et sont en section dans un plan perpendiculaire à Taxe de rotation de la machine de forme sensiblement rectangulaire.
Le fond 35 des encoches 21 est de forme sensiblement complémentaire de celle des conducteurs électriques 22, à l’exception d’une rainure 40, comme on peut le voir sur la figure 5.
Le fond 35 des encoches 21 est relié aux bords radiaux 33 par des arrondis 38. La rainure 40 de chaque encoche 21 est centrée sur le fond de l’encoche 35 et s’étend le long de Taxe de rotation de la machine. Dans une variante de réalisation non illustrée, la rainure n’est pas centrée, ou le fond 35 comporte plusieurs rainures. Les rainures 40 présentent, en section dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation, une forme arrondie, notamment sensiblement semi-circulaire. Elles présentent une profondeur p comprise entre 0,3 mm et 0,6 mm, par exemple égale à 0,5 mm.
La présence des rainures 40 conduit à un rétrécissement localisé des ponts de matière 27. Un tel rétrécissement permet une saturation magnétique de la tôle pour un moindre flux magnétique le long du pont 27, ce qui limite le passage du flux magnétique.
La plus petite largeur / des ponts de matière 27 est de préférence comprise entre 0,2 mm et 0,5 mm, par exemple égale à 0,35 mm.
Les encoches sont en section transversale de forme générale rectangulaire. Tout ou partie des encoches peut comporter des bords radiaux 33 ayant une nervure 42, comme illustré à la figure 10. Chaque nervure 42 s’étend parallèlement à l’axe de rotation de la machine. Cette nervure 42 est placée dans une partie centrale des bords radiaux 33, sensiblement à mi-chemin entre le fond de l’encoche 36 du côté de la culasse 29 et le pont de matière 27 la fermant.
La masse statorique 25 est formée d’un paquet de tôles magnétiques empilées selon l’axe de rotation, les tôles étant par exemple identiques et superposées exactement. Elles peuvent être maintenues entre elles par clipsage, par collage, par des rivets, par des tirants, des soudures et/ou toute autre technique. Les tôles magnétiques sont de préférence en acier magnétique. Les dents 23 de la masse statorique 25 peuvent présenter des reliefs complémentaires en surface permettant de clipser les différentes tôles composant la masse statorique 25 entre elles.
Le stator peut être obtenu au moyen d’un procédé de fabrication dans lequel on insère les conducteurs électriques 22 dans les encoches 21 par l’une ou les deux extrémités axiales du stator, par coulissement dans les encoches 21 selon un axe parallèle à l’axe de rotation longitudinal
Dans l’invention, on relie électriquement ensemble tous les conducteurs électriques ayant leur extrémité libre située à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits, et le rotor associé au stator décrit peut être bobiné, à cage d’écureuil ou à aimants permanents, ou encore à réluctance variable. L’expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comprenant au moins un ».

Claims

Revendications
1. Stator (2) de machine électrique tournante (1), comportant une masse statorique (25) comportant des dents (23) et des encoches (21) entre les dents (23), chacune des encoches étant, du côté de l’entrefer, entièrement fermée, des conducteurs électriques (22) étant logés dans les encoches, les conducteurs électriques formant un bobinage fractionnaire, pour lequel le rapport q défini par q=Ne/(2pm) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductible z/n, z et n étant deux nombres entiers non nuis, n étant différent de 1, où Ne est le nombre d’encoches du stator, m le nombre de phases du bobinage et p le nombre de paires de pôles du stator,
une partie au moins des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, étant en forme d'épingles, notamment de U ou de I.
2. Stator selon la revendication précédente, les conducteurs électriques formant un bobinage distribué.
3. Stator selon l’une des revendications précédentes, une majorité des conducteurs électriques étant en forme d'épingle, notamment de U ou de I, s’étendant axialement dans les encoches.
4. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, les encoches étant fermées du côté de l’entrefer par une frette magnétique.
5. Stator selon la revendication précédente, la frette magnétique présentant au moins un rétrécissement localisé formé par au moins une rainure (40).
6. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins une encoche étant continûment fermée du côté de l’entrefer par un pont de matière (27) venu d’un seul tenant avec les dents (23) définissant l’encoche.
7. Stator selon la revendication précédente, les ponts de matière (27) présentant chacun au moins un rétrécissement localisé formé par au moins une rainure (40).
8. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, les encoches étant fermées du côté opposé à l’entrefer par une culasse (29) rapportée ou d’un seul tenant avec les dents.
9. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, les conducteurs électriques (22) étant en section transversale de forme générale rectangulaire.
10. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, chaque encoche (21) comportant deux à huit conducteurs électriques (22), notamment deux à six conducteurs électriques, chaque conducteur électrique pouvant comporter un ou plusieurs brins.
11. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, un conducteur électrique, étant en forme d'épingle en U, comportant une première et une seconde jambe s’étendant axialement respectivement dans des première A et seconde R encoches, les première A et seconde R encoches étant séparées par un nombre Nd de dents, le nombre Nd de dents étant strictement supérieur à 5, étant notamment supérieur ou égal à 6.
12. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une encoche (21), mieux toutes les encoches, comporte des bords radiaux ayant une nervure, notamment chacun une nervure.
13. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une encoche (21), mieux toutes les encoches, a un fond rectiligne ou en forme d’arc de cercle.
14. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les encoches sont configurées pour permettre le passage d’un fluide de refroidissement.
15. Stator (2) de machine électrique tournante (1), comportant une masse statorique (25) comportant des dents (23) et des encoches (21) entre les dents (23), chacune des encoches étant, du côté de l’entrefer, au moins partiellement fermée, des conducteurs électriques (22) étant logés dans les encoches et étant répartis en au moins deux couches, notamment en deux couches seulement, les conducteurs électriques formant un bobinage unique fractionnaire, pour lequel le rapport q défini par q=Ne/(2pm) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductible z/n, z et n étant deux nombres entiers non nuis, n étant différent de 1, où Ne est le nombre d’encoches du stator, m le nombre de phases du bobinage et p le nombre de paires de pôles du stator,
une partie au moins des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, étant en forme d'épingles, notamment de U ou de I.
16. Machine électrique tournante (1) comportant un stator (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un rotor (1).
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