EP4338260A1 - Winding based on a typology of a magnet-based synchronous rotating electric machine for self-propelled mobile device - Google Patents

Winding based on a typology of a magnet-based synchronous rotating electric machine for self-propelled mobile device

Info

Publication number
EP4338260A1
EP4338260A1 EP22727921.3A EP22727921A EP4338260A1 EP 4338260 A1 EP4338260 A1 EP 4338260A1 EP 22727921 A EP22727921 A EP 22727921A EP 4338260 A1 EP4338260 A1 EP 4338260A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine
phase
turns
winding
conductors
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
EP22727921.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Paul Armiroli
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.)
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur 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 Valeo Equipements Electriques Moteur SAS filed Critical Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Publication of EP4338260A1 publication Critical patent/EP4338260A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics
    • 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 technical field of the invention is that of rotating electrical machines such as an alternator-starter or a reversible machine or an electric motor for a self-propelled mobile device.
  • self-propelled mobile device we mean a vehicle for transporting goods or people, which move autonomously or an object which moves autonomously, such as a drone.
  • the invention relates more particularly to the optimization of the winding according to a type of rotating electrical machine with synchronous magnet to be supplied by an on-board network having a nominal voltage of between 48 volts and 600 volts.
  • a rotating electrical machine comprises a shaft integral with a rotor and a stator, for example arranged so as to surround the rotor.
  • the rotor and the stator form an electric motor and cooperate through a magnetic field.
  • the rotor is equipped with permanent magnets and the stator with an electric winding.
  • the stator is usually the armature (seat of the power transformation).
  • the stator consists of a three-phase winding generally coupled in star or delta, composed of several electrical phases. The windings are inserted into notches within the steel sheet yoke.
  • the inductor is usually the rotor, which includes a winding or permanent magnets to create the magnetic field. Electric machines with magnet rotors are used here because these rotors have fewer losses, do not need windings or brushes, can be lighter and allow more flux to the rotor with a gain in size. .
  • the market for new self-propelled mobile devices for example in the field of rolling vehicles, is very fluctuating and imposes different characteristics which make it more complex to define the standards in order to reduce the manufacturing cost.
  • the different characteristics imposed can be the size, diameter/length, the mechanical power at different speeds (different torque ranges and rotational speeds) according to two operating modes as well as the nominal continuous voltage or current of the power supply of the electric machine imposed on it.
  • the nominal supply voltage of the self-propelled mobile device can be between 48 volts and very high voltages such as 350 volts.
  • the electrical machine therefore further comprises an inverter/rectifier to transform the direct current into alternating current of a multi-phase system. Current can be cut out for power control of the machine's electric motor.
  • the electric winding is supplied with electric current via the inverter/rectifier, so as to generate a rotating magnetic field at the level of the electric winding, in order to drive the rotor rotating synchronously with this rotating field when the rotor is equipped with magnets or coils creating the excitation flux or asynchronously if the rotor is formed of squirrel cages.
  • the rotor In the second mode of operation called generator mode, the rotor is driven in rotation via the drive means (thermal engine or/and wheel, propeller) of the self-propelled mobile device (for example in the event of braking recuperative) and the rotation of the rotor equipped with magnets or excitation coils generates a rotating magnetic field at the level of the electric winding of the stator which is transformed into direct current by the inverter/rectifier which comes to recharge the battery of the vehicle or to supply electric loads [0012] Depending on the use of the electric machine, it can be sized in motor mode, to start a heat engine and/or to provide a "boost", that is to say help the heat engine to acceleration or climbing a slope of the vehicle and/or to move the vehicle forward in 100% electric mode. [0013] In the case of a start (thermal engine or directly from the vehicle in 100% electric mode), the machine must be able to provide greater torque than in the event of a boost or an increase in speed in 100% mode. electric.
  • a winding comprises a group of phases, each phase comprises at least one coil having turns inserted in the notches of the stator.
  • a phase can have several coils connected in parallel or in series.
  • Each phase group forms a multi-phase, often three-phase system.
  • Electric machines are designed according to their type of delta or star coupling. Indeed, the winding will be designed according to the output voltage of the inverter/rectifier of the machine which will be applied differently between one end of a phase and a neutral point or between the two ends of a phase.
  • star coupling involves connecting one end of a phase coil to one end of the inverter/rectifier then the other end of all the phase coils to a neutral point connecting the phases between they.
  • the voltage across a phase is then reduced (divided by root of three times the voltage between two phases or voltage applied to the inverter/rectifier).
  • the winding is designed so that all the coils of one phase are connected at its two ends to the inverter/rectifier and on the other hand at one end of a coil of another phase.
  • the phases are then connected in series forming a triangle. This implies that each phase receives the voltage applied by the inverter/rectifier.
  • a winding in delta coupling will be different from a winding in star connection.
  • the invention offers a solution to the problems mentioned above, by allowing standardization of synchronous electrical machines by adapting the number of turns per phase.
  • the invention aims to adapt the number of turns of a phase, in order to optimize the electrical machine by responding to a compromise between the limitation of the torque drop at high speed and at low speed.
  • One aspect of the invention relates to a permanent magnet synchronous rotating electrical machine for a self-propelled mobile device comprising a magnet rotor having a number P of pairs of poles, a stator comprising slots and a winding comprising at least three phases, each phase comprises several turns, a turn is formed of a succession of electrical conductors housed in different notches and electrically connected to each other, each notch housing several electrical conductors, an inverter/rectifier adapted in motor mode to transform a voltage of continuous nominal input comprised between a voltage of 48 Volts and a voltage of 600 Volts in alternating supply voltages of a multi-phase system for each phase of the winding and adapted in alternator mode to provide a continuous output voltage comprised between a voltage of 48Volts and a voltage of 600 Volts.
  • the winding is of the type in which the number of turns N in the stator per phase is equal to the number of conductors in a slot, multiplied by the number P of pairs of poles multiplied by the number of slots by pole and per phase, the whole divided by the number of electrical paths in parallel of the conductors for a phase in a slot or/and divided by the square root of three if the winding is connected in a triangle, characterized in that the number of turns N per phase in the stator is between 9 and 20.
  • the electrical machine having a sizing imposed by the self-propelled mobile device as well as a maximum inverter/rectifier current imposed for cost and sizing reasons, the choice of a number of turns N per phase between 9 and 20 allows to optimize the machine to meet a compromise between the limitation of the torque drop at high speed and at low speed of a synchronous machine to be supplied between a nominal voltage between 48 volts and a very high voltage. This optimization also makes it possible to obtain maximum power from the electric machine. Indeed, the number of turns N per phase is directly linked to the numbers of phases, poles and conductors in a slot. The number of turns per phase is also a function of the coupling, of the nominal voltage of the inverter/rectifier.
  • the synchronous electric machine has for example a power drop when the machine operates at high speeds, less than for an asynchronous machine. This makes it possible, for example, to ensure speed synchronization for the hybridization of a gearbox. Maintaining power at all speeds makes it possible to go from low speed to high speed in a short time.
  • a low speed range corresponds to a speed between 0 and 4000 nominal rpm and a high speed corresponds to a speed greater than 4000 rpm and in particular between 4000 rpm and 20000 rpm.
  • the number of turns per phase is related to the short-circuit current which is related to the mechanical power of the machine.
  • the short-circuit current is the maximum current acceptable by the machine in an area of iso mechanical power. This current is stable for a number of revolutions of the rotor, for example 1000 rpm for a synchronous machine of 15 kW, 48 volts. If the number N of turns per phase is greater than 20, the mechanical power will therefore be insufficient at high speed and in particular for a 48 volt machine (nominal DC voltage at the terminals of the inverter/rectifier). If the number N is greater than 16 the mechanical power will be insufficient at high speed.
  • the electromotive force EMF of the machine is therefore proportional to the number of turns per phase of the machine.
  • This range of number of turns between 9 and 20 per phase therefore makes it possible to have a balanced synchronous machine: optimum torque and mechanical power for a given size and a minimum inverter/rectifier current.
  • the number of electrical paths in parallel is in particular the number of groups of turns connected in parallel to each other. Each group can comprise a single turn or several turns connected in series.
  • the electrical machine according to one aspect of the invention may have one or more additional characteristics among the following, considered individually or according to all technically possible combinations.
  • the electrical conductors housed in a notch are branches of a pin, the pins being electrically connected by their free ends in pairs to form the winding. This makes it possible to increase the copper content in a notch and/or reduce the difficulty of winding compared to wired winding using a needle device guiding the winding of the same electric wire around each tooth. radial to form successive turns. Such a winding is said to be concentric winding or with stator turns distributed continuously in the slots.
  • each notch houses between 2 and 25 electrical conductors.
  • each notch accommodates between 2 and 4 electrical conductors.
  • the use of 2 or 4 conductors per slot limits joule losses at high speeds.
  • the same notch can accommodate electrical conductors belonging to the same phase or to several phases.
  • the number of turns N in the stator per phase is between 9 and 18, and in particular between 9 and 16, and the inverter/rectifier has a nominal voltage of 48 volts.
  • the number of turns per phase is between 11 and 12, the number of phases is 6, the number P of pairs of poles is between 5 and 6 and the section of the conductors is sized in particular so that the resistance between two phase outputs is less than 13 milli ohms.
  • the total section of the conductors in a slot is between 18.2 mm 2 and 27.5 mm 2 .
  • the dimensions of a conductor are included between 1.9 mm and 3.5 mm in length and between 1.9 mm and 5.3 mm in width.
  • the conductors are made of copper and are pins.
  • a nominal power of the machine is between 15 kW and 25 kW.
  • the number of turns per phase is between 13 and 18, the number of phases is 3 or 6, the number of pairs of poles is between 5 and 6 and the section of the conductors is in particular sized so that the resistance between two phase outputs is less than 13 milli ohms.
  • the total section of the conductors in a slot is between 19.8 mm 2 and 24.3 mm 2 .
  • the dimension of a conductor is between 0.85 mm and 0.97 mm in diameter.
  • the conductors are made of copper and are wound wire. Indeed, it has been noticed that for a wire winding of a 48 volt machine, the number of turns per phase is greater than in hairpin to optimize it because the copper rate in a notch is lower than that of the pins.
  • the number of turns per phase is between 16 and 18, the number of phases is 3 and the number P of pole pairs is between 5 and 6.
  • the number of turns per phase is between 16 and 20 and the inverter/rectifier has a nominal DC voltage of between 300 and 400 volts.
  • the winding is star-coupled.
  • the winding is delta-coupled.
  • each phase comprises several electrical coils each comprising at least one turn, the coils being able to be connected in series or in parallel with each other.
  • the rotor comprises a rotor body and a plurality of permanent magnets housed in said body.
  • the inverter/rectifier has a continuous nominal voltage of 48 volts and the electrical machine has a performance ratio equal to the peak torque in Nm multiplied by the peak mechanical power in Watt divided by an equal value at the peak current in Amperes multiplied by the number of turns per phase N multiplied by the external diameter of the machine in millimeters multiplied by the length of the machine in millimeters and in that the performance ratio is greater than 0.02. It will be understood that the higher the ratio, the more the machine is optimized.
  • the mechanical power is between 8 kW and 50 kW and the inverter/rectifier is suitable for a continuous nominal input voltage of 48 volts.
  • the mechanical power is between 51 kW and 150 kW and the inverter/rectifier is suitable for a continuous nominal input voltage greater than 300 volts.
  • FIG.1 shows an example table of an optimized electrical machine. The figure is presented for information only and in no way limiting the invention.
  • the invention relates to a synchronous rotating electrical machine with permanent magnets for a self-propelled mobile device.
  • Figure 1 shows a table of characteristics of different machines.
  • the electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each comprise a magnet rotor forming an inductor, the number of magnets of which forms a number P of pairs of poles. Machines 1, 3 and 4 each have 12 poles, while machine 2 has 10 poles and machines 5 and 6 each have 8 poles.
  • the electric machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each comprise a stator forming an armature.
  • the stator comprises a yoke forming a part of revolution around an axis passing through the center of the stator.
  • the yoke has radial teeth, extending radially towards the center of the stator and around which the electrical winding is made. More particularly, the radial teeth delimit between them notches in which pass conductive elements participating in forming the winding of the stator.
  • the stator of electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 include a number of notches S between 36 and 72 notches, in this case the machines 1 and 3 each have seventy-two notches, machines 2 and 5 have sixty notches, machine 4 has thirty-six notches and machine 6 has forty-eight notches.
  • the stators of electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each comprise a winding comprising at least three PH phases.
  • Machines 4, 5 and 6 each have three phases, machines 1, 2, 3 have six.
  • a conductor W in a slot can be formed by a branch of a pin, says Upin, or a portion of a wire.
  • machines 1, 2, 5 and 6 each include a winding formed by Upin pins and machines 3 and 4 include a winding formed by wires.
  • the pins are electrically connected by their free ends two by two to form the turns of a phase. This makes it possible to increase the copper content in a notch and/or reduce the difficulty of winding compared to a wired winding to form successive turns.
  • the conductors of the pins or the wired conductors connected together form a coil or coils. Each coil can include several turns, in other words electrical path around the axis of rotation, which can be called turns.
  • the coils of electric machines 2 and 6 each comprise four copper conductors per slot, electric machines 1 and 5 comprise two copper conductors per slot and machines 3 and 4 respectively comprise 4 and 5 stator turns with 6 or 5 wires in parallel. Either for machine 3, 24 turns per notch and for machine 4, 25 turns per notch.
  • the number of conductors per slot is referenced E in table 1.
  • phase windings of machines 5 and 6 are designed to form a star coupling C while the phase windings of machines 2, 3 and 4 are designed to form a delta coupling.
  • the electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each comprise an inverter/rectifier suitable in motor mode for converting a nominal DC voltage as input into supply voltages of a multi-phase system for each phase. of the stator winding.
  • the inverter/rectifier of each electric machine 1, 2, 3, 4 is suitable for transforming a nominal voltage of 48 Volts into an alternating voltage of a multi-phase system, in this case for machines 1, 2 , 3 into six voltages, each for one phase of a three-phase system while the inverter/rectifier of machine 4 transforms the 48 volts into 3 alternating voltages for the eight phases.
  • the inverter/rectifier of each electrical machine 5 and 6 is adapted to transform a nominal voltage of 350 volts and 300 volts respectively into a voltage of a multi-phase system, in this case three voltages of a system three-phase for each of the phases.
  • the inverter/rectifier can angularly cut each of the phase voltages to adapt the mechanical power according to a command received from a control unit.
  • the stator supplied by the inverter/rectifier producing a current from a multi-phase voltage system produces a rotating field in the air gap.
  • This magnetic field rotates at the speed of f/P revolutions per second with f supply frequency of the stator windings, and P the number of pairs of poles.
  • the rotor composed of p permanent magnets will then align with the rotating field.
  • the rotor thus rotates at the same speed as the rotating field.
  • the short-circuit current is a function of 1/N or is inversely proportional to the number N of turns.
  • the electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each have a winding comprising a number of turns N in the stator per phase which is equal to the number E of conductors in a slot, multiplied by the number P of pairs of poles multiplied by the number A of notches per pole and per phase, all divided by the number B of electrical paths in parallel of the conductors in a notch or/and divided by the square root of three if the winding has a C coupling in a triangle.
  • the number N is an integer if the winding is star-connected.
  • the number A is equal to the number S divided by the number PH divided by the number P.
  • electrical machines having an inverter/rectifier suitable for a nominal input voltage of 48 volts include a number of turns N between 9 and 18.
  • electrical machines having an inverter/rectifier suitable for a nominal input voltage between 300 and 350 volts include a number of turns N between 16 and 20.
  • the winding of each machine therefore has several turns in series per phase, in order to increase the electromotive force generated.
  • the total electromotive force produced is then equal to the sum of the electromotive forces developed in each of the turns of the coil.
  • the machines shown in this table are electric machines which have been optimized for starting torque and mechanical power at high speed. As can be seen, for these machines, the number of turns N per phase in the stator per phase is between 9 and 20. Beyond of this ratio either the electrical machine has an insufficient starting torque for a number N of turns per phase less than 9 or a mechanical power at high speed that is too low for a number N of turns per phase greater than 20.
  • the air gap is more or less identical for each machine, it follows that the machines whose inverter/rectifier is adapted to a nominal voltage of 48 volts have a performance ratio Ra making it possible to obtain a maximum torque and power for a small footprint and reduced current in the inverter.
  • the ratio Ra is equal to the peak torque T multiplied by the peak mechanical power Pui, all divided by a value equal to the peak current Imax multiplied by the number of turns N per phase multiplied by the external diameter D of the machine multiplied by the length L of the machine.
  • Machines 1, 2, 3, 4 have a performance ratio greater than 0.02.
  • the width of the conductor may be taken in a substantially radial direction, the length then being taken in a substantially ortho-radial direction, or alternatively the length of the conductor may be taken in a direction substantially radial, the width then being taken in a substantially ortho-radial direction.
  • the machine 1 may have conductors of rectangular section, each having a dimension De of 5 mm in length and 2 mm in width.
  • the machine 1 can have a section Se of conductor in a notch of 20mm 2 (5 * 2 * 2 conductors per notch).
  • the machine 2 may have conductors of rectangular section, each having a dimension De of 3.15 mm in length and 2 mm in width.
  • Machine 2 may have a section Se of conductor in a notch of 25.2 mm 2 (3.15 * 2 * 4 conductors per notch).
  • the machine 3 may have conductors of round section, each having a dimension De of 0.92 mm in diameter. Machine 3 can present a conductor section Se in a slot of 22.08 mm 2 (0.92 * 24 conductors per slot).
  • the machine 4 may have conductors of round section, each having a dimension De of 1.28 mm in diameter.
  • the machine 4 can have a conductor section Se in a 32 mm 2 notch (1.28 * 25 conductors per notch).
  • the machine 5 may have conductors of rectangular section, each having a dimension De of 3.55 mm in length and 2.5 mm in width.
  • Machine 5 may have a section Se of conductor in a notch of 17.75 mm 2 (3.55 * 2.5 * 2 conductors per notch).
  • the machine 6 may have conductors of rectangular section, each having a dimension De of 5 mm in length and 3.55 mm in width.
  • the machine 6 may have a section Se of conductor in a notch of 71 mm 2 (3.55 * 5 * 4 conductors per notch).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

One aspect of the invention relates to a permanent-magnet-based synchronous rotating electric machine (1, 2, 3, 4, 5, 6) for a self-propelled mobile device comprising a stator comprising slots and a winding comprising at least three phases, wherein the winding is of the type such that the number of turns N in the stator per phase is equal to the number of conductors in a slot, multiplied by the number P of pole pairs multiplied by the number of slots per pole and per phase, all divided by the number of parallel electrical paths of the conductors in a slot and/or divided by the square root of three if the winding is delta-connected, characterized in that the number of turns N per phase in the stator is between 9 and 20.

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
Titre de l'invention : Bobinage en fonction d’une typologie d’une machine électrique tournante synchrone à aimant pour dispositif mobile à autopropulsion Title of the invention: Winding according to a typology of a synchronous rotating electrical machine with magnet for a self-propelled mobile device
[0001] DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION [0001] TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
[0002] Le domaine technique de l’invention est celui des machines électriques tournantes telles qu’un alterno-démarreur ou une machine réversible ou un moteur électrique pour un dispositif mobile à autopropulsion. The technical field of the invention is that of rotating electrical machines such as an alternator-starter or a reversible machine or an electric motor for a self-propelled mobile device.
[0003] Dans la suite, par dispositif mobile à autopropulsion, on entend un véhicule pour transporter des marchandises ou des personnes, qui se déplacent de façon autonome ou un objet qui se déplace de façon autonome tel qu’un drone. [0004] L’invention porte plus particulièrement sur l’optimisation du bobinage en fonction d’une typologie de machine électrique tournante à aimant synchrone pour être alimentée par un réseau de bord ayant une tension nominale comprise entre 48 Volts et 600 volts. [0003] In the following, by self-propelled mobile device, we mean a vehicle for transporting goods or people, which move autonomously or an object which moves autonomously, such as a drone. The invention relates more particularly to the optimization of the winding according to a type of rotating electrical machine with synchronous magnet to be supplied by an on-board network having a nominal voltage of between 48 volts and 600 volts.
[0005] ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION [0006] Une machine électrique tournante comprend un arbre solidaire d’un rotor et un stator par exemple agencé de manière à entourer le rotor. Le rotor et le stator forment un moteur électrique et coopèrent par l’intermédiaire d’un champ magnétique. Pour cela, le rotor est muni d’aimants permanents et le stator d’un bobinage électrique. [0005] TECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION [0006] A rotating electrical machine comprises a shaft integral with a rotor and a stator, for example arranged so as to surround the rotor. The rotor and the stator form an electric motor and cooperate through a magnetic field. For this, the rotor is equipped with permanent magnets and the stator with an electric winding.
[0007] Dans une machine électrique, le stator est habituellement l'induit (siège de la transformation de puissance). Le stator est constitué d'un bobinage triphasé généralement couplé en étoile ou en triangle, composé de plusieurs phases électriques. Les bobinages sont insérés dans des encoches au sein de la culasse en tôles d’acier. De la même manière, l'inducteur est généralement le rotor, lequel comprend un bobinage ou des aimants permanents pour créer le champ magnétique. On utilise ici des machines électriques ayant des rotors à aimants car ces rotors présentent moins de pertes, n’ont pas besoin de bobinage ni de balais, peuvent être plus léger et permettent d’avoir plus de flux au rotor avec un gain d’encombrement. [0008] Le marché des nouveaux dispositifs mobiles à autopropulsion, par exemple dans le domaine de véhicule roulant est très fluctuant et impose différentes caractéristiques complexifiant la définition des standards pour diminuer le coût de fabrication. [0007] In an electric machine, the stator is usually the armature (seat of the power transformation). The stator consists of a three-phase winding generally coupled in star or delta, composed of several electrical phases. The windings are inserted into notches within the steel sheet yoke. Similarly, the inductor is usually the rotor, which includes a winding or permanent magnets to create the magnetic field. Electric machines with magnet rotors are used here because these rotors have fewer losses, do not need windings or brushes, can be lighter and allow more flux to the rotor with a gain in size. . [0008] The market for new self-propelled mobile devices, for example in the field of rolling vehicles, is very fluctuating and imposes different characteristics which make it more complex to define the standards in order to reduce the manufacturing cost.
[0009] Les différentes caractéristiques imposées peuvent être la taille, diamètre/ longueur, la puissance mécanique à différent régime (différentes plages de couples et vitesses de rotation) selon deux modes de fonctionnement ainsi que la tension ou courant nominal continu de l’alimentation de la machine électrique qui lui est imposée. La tension d’alimentation nominale du dispositif mobile à autopropulsion peut être une tension comprise entre 48 volts et des très hautes tensions telles que 350Volts. La machine électrique comprend donc en outre un onduleur/redresseur pour transformer le courant continu en courant alternatif d’un système multi-phasés. Le courant peut être découpé pour la commande de puissance du moteur électrique de la machine. [0009] The different characteristics imposed can be the size, diameter/length, the mechanical power at different speeds (different torque ranges and rotational speeds) according to two operating modes as well as the nominal continuous voltage or current of the power supply of the electric machine imposed on it. The nominal supply voltage of the self-propelled mobile device can be between 48 volts and very high voltages such as 350 volts. The electrical machine therefore further comprises an inverter/rectifier to transform the direct current into alternating current of a multi-phase system. Current can be cut out for power control of the machine's electric motor.
[0010] Dans le premier mode de fonctionnement dit mode moteur, le bobinage électrique est alimenté en courant électrique par l’intermédiaire de l’onduleur/redresseur, de manière à générer un champ magnétique tournant au niveau du bobinage électrique, afin d’entraîner le rotor en rotation de façon synchrone avec ce champ tournant quand le rotor est équipé d’aimants ou de bobines créant le flux d’excitation ou de façon asynchrone si le rotor est formé de cages d’écureuil. In the first mode of operation called motor mode, the electric winding is supplied with electric current via the inverter/rectifier, so as to generate a rotating magnetic field at the level of the electric winding, in order to drive the rotor rotating synchronously with this rotating field when the rotor is equipped with magnets or coils creating the excitation flux or asynchronously if the rotor is formed of squirrel cages.
[0011] Dans le second mode de fonctionnement dit mode générateur, le rotor est entraîné en rotation par l’intermédiaire des moyens d'entraînement (moteur thermique ou/et roue, hélice) du dispositif mobile à autopropulsion (par exemple en cas de freinage récupératif) et la rotation du rotor équipé d’aimants ou de bobines d'excitation génère un champ magnétique tournant au niveau du bobinage électrique du stator qui est transformé en courant continu par l’onduleur/redresseur qui vient recharger la batterie du véhicule ou alimenter des charges électriques [0012] Selon l’utilisation de la machine électrique, elle peut être dimensionnée en mode moteur, pour démarrer un moteur thermique et/ou pour fournir un « boost » c’est-à-dire une aide au moteur thermique pour une accélération ou une montée d’une pente du véhicule et/ou encore pour avancer le véhicule en mode 100% électrique. [0013] Dans le cas d’un démarrage (moteur thermique ou directement du véhicule en mode 100% électrique), la machine doit pouvoir fournir un couple plus important qu’en cas de boost ou d’augmentation de la vitesse en mode 100% électrique. In the second mode of operation called generator mode, the rotor is driven in rotation via the drive means (thermal engine or/and wheel, propeller) of the self-propelled mobile device (for example in the event of braking recuperative) and the rotation of the rotor equipped with magnets or excitation coils generates a rotating magnetic field at the level of the electric winding of the stator which is transformed into direct current by the inverter/rectifier which comes to recharge the battery of the vehicle or to supply electric loads [0012] Depending on the use of the electric machine, it can be sized in motor mode, to start a heat engine and/or to provide a "boost", that is to say help the heat engine to acceleration or climbing a slope of the vehicle and/or to move the vehicle forward in 100% electric mode. [0013] In the case of a start (thermal engine or directly from the vehicle in 100% electric mode), the machine must be able to provide greater torque than in the event of a boost or an increase in speed in 100% mode. electric.
[0014] Un bobinage comprend un groupe de phases, chaque phase comprend au moins une bobine ayant des spires insérées dans les encoches du stator. Une phase peut avoir plusieurs bobines connectées en parallèle ou en série. Chaque groupe de phase forme un système multi phasé, souvent triphasé. Les machines électriques sont conçues selon leur type de couplage triangle ou étoile. En effet, le bobinage sera conçu selon la tension de sortie de l’onduleur/redresseur de la machine qui sera appliquée différemment entre une extrémité d’une phase et un point neutre ou entre les deux extrémités d’une phase. En effet, un couplage étoile implique de relier une extrémité d’une bobine d’une phase à une extrémité de l’onduleur/ redresseur puis l’autre extrémité de l’ensemble des bobines de la phase a un point neutre reliant les phases entre elles. La tension aux bornes d’une phase est alors réduite (divisée par racine de trois fois la tension entre deux phases ou tension appliquée sur l’onduleur/redresseur). En couplage triangle, le bobinage est conçu pour que l’ensemble des bobines d’une phase soient reliées à ses deux extrémités à l’onduleur/redresseur et d’autre part à une extrémité d’une bobine d’une autre phase. Les phases étant alors connectées en série formant un triangle. Cela implique que chaque phase reçoit la tension appliquée par l’onduleur/redresseur. Selon la tension de l’onduleur/redresseur et la résistance des bobines constituant une phase qui est fonction du nombre de spires et de la section du conducteur des bobines choisies en fonction du volume du stator, un bobinage en couplage triangle sera différent d’un bobinage en couplage étoile. A winding comprises a group of phases, each phase comprises at least one coil having turns inserted in the notches of the stator. A phase can have several coils connected in parallel or in series. Each phase group forms a multi-phase, often three-phase system. Electric machines are designed according to their type of delta or star coupling. Indeed, the winding will be designed according to the output voltage of the inverter/rectifier of the machine which will be applied differently between one end of a phase and a neutral point or between the two ends of a phase. In fact, star coupling involves connecting one end of a phase coil to one end of the inverter/rectifier then the other end of all the phase coils to a neutral point connecting the phases between they. The voltage across a phase is then reduced (divided by root of three times the voltage between two phases or voltage applied to the inverter/rectifier). In delta connection, the winding is designed so that all the coils of one phase are connected at its two ends to the inverter/rectifier and on the other hand at one end of a coil of another phase. The phases are then connected in series forming a triangle. This implies that each phase receives the voltage applied by the inverter/rectifier. Depending on the voltage of the inverter/rectifier and the resistance of the coils constituting a phase which is a function of the number of turns and the section of the conductor of the coils chosen according to the volume of the stator, a winding in delta coupling will be different from a winding in star connection.
[0015] Il est connu des machines électriques tel que celle dans la demande de brevet FR1762641 A ayant 6 phases formant deux systèmes triphasés, couplées en étoile. La machine comprend 16 pôles, soit 8 paires de pôles, un nombre d’encoches égal à 96 soit 1 encoche par pôle et par phase et 4 épingles par encoche, soit 32 spires par phase = 4 * 8 * 1 permettant d'obtenir un couple important au démarrage, mais ce couple chute lorsque la vitesse de la machine électrique augmente. [0016] Il s’ensuit d’un besoin d’optimisation d’une standardisation d’une machine électrique pour répondre aux demandes de machines électriques très fluctuantes dans le domaine des dispositifs mobiles à autopropulsion. It is known electrical machines such as that in patent application FR1762641 A having 6 phases forming two three-phase systems, star-coupled. The machine comprises 16 poles, i.e. 8 pairs of poles, a number of notches equal to 96, i.e. 1 notch per pole and per phase and 4 pins per notch, i.e. 32 turns per phase = 4 * 8 * 1 making it possible to obtain a high torque at start-up, but this torque drops when the speed of the electric machine increases. [0016] It follows from a need to optimize a standardization of an electric machine to meet the demands of very fluctuating electric machines in the field of self-propelled mobile devices.
[0017] RESUME DE L’INVENTION [0017] SUMMARY OF THE INVENTION
[0018] L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant d’avoir une standardisation des machines électrique synchrone en adaptant le nombre de spires par phase. L'invention vise à adapter le nombre de spires d'une phase, afin d’optimiser la machine électrique en répondant à un compromis entre la limitation de la chute de couple à haute vitesse et à basse vitesse. The invention offers a solution to the problems mentioned above, by allowing standardization of synchronous electrical machines by adapting the number of turns per phase. The invention aims to adapt the number of turns of a phase, in order to optimize the electrical machine by responding to a compromise between the limitation of the torque drop at high speed and at low speed.
[0019] Un aspect de l’invention concerne une machine électrique tournante synchrone à aimants permanents pour un dispositif mobile à autopropulsion comprenant un rotor à aimant présentant un nombre P de paires de pôles, un stator comprenant des encoches et un bobinage comprenant au moins trois phases, chaque phase comporte plusieurs spires, une spire est formée d’une succession de conducteurs électriques logés dans différentes encoches et reliés électriquement entre eux, chaque encoche logeant plusieurs conducteurs électriques, un onduleur/redresseur adapté en mode moteur à transformer une tension d’entrée nominale continue comprise entre une tension de 48Volts et une tension de 600 Volts en des tensions alternatives d’alimentation d’un système multi phasés pour chaque phase du bobinage et adapté en mode alternateur à fournir une tension de sortie continue comprise entre une tension de 48Volts et une tension de 600 Volts. Selon l’invention, le bobinage est du type à ce que le nombre de spires N dans le stator par phase est égal au nombre de conducteurs dans une encoche, multiplié par le nombre P de paires de pôles multiplié par le nombre d’encoche par pôle et par phase, le tout divisé par le nombre de chemins électriques en parallèle des conducteurs pour une phase dans une encoche ou/et divisé par racine carré de trois si le bobinage est couplé en triangle, caractérisé en ce que le nombre de spires N par phase dans le stator est compris entre 9 et 20. One aspect of the invention relates to a permanent magnet synchronous rotating electrical machine for a self-propelled mobile device comprising a magnet rotor having a number P of pairs of poles, a stator comprising slots and a winding comprising at least three phases, each phase comprises several turns, a turn is formed of a succession of electrical conductors housed in different notches and electrically connected to each other, each notch housing several electrical conductors, an inverter/rectifier adapted in motor mode to transform a voltage of continuous nominal input comprised between a voltage of 48 Volts and a voltage of 600 Volts in alternating supply voltages of a multi-phase system for each phase of the winding and adapted in alternator mode to provide a continuous output voltage comprised between a voltage of 48Volts and a voltage of 600 Volts. According to the invention, the winding is of the type in which the number of turns N in the stator per phase is equal to the number of conductors in a slot, multiplied by the number P of pairs of poles multiplied by the number of slots by pole and per phase, the whole divided by the number of electrical paths in parallel of the conductors for a phase in a slot or/and divided by the square root of three if the winding is connected in a triangle, characterized in that the number of turns N per phase in the stator is between 9 and 20.
[0020] Grâce à l’invention, la machine électrique ayant un dimensionnement imposé par le dispositif mobile à autopropulsion ainsi qu’un courant onduleur/redresseur maximum imposé pour des raisons de coûts et de dimensionnement, le choix d’un nombre de spires N par phase entre 9 et 20 permet d’optimiser la machine pour répondre à un compromis entre la limitation de la chute de couple à haute vitesse et à basse vitesse d’une machine synchrone pour être alimentée entre une tension nominale entre 48 volts et une très haute tension. Cette optimisation permet également d’obtenir une puissance maximale de la machine électrique. En effet, le nombre de spires N par phase, est directement lié aux nombres de phases, de pôles et de conducteurs dans une encoche. Le nombre de spires par phase est aussi fonction du couplage, de la tension nominale de l’onduleur/redresseur. Ainsi, en déterminant ce nombre de spires N par phase dans cette plage, on obtient au moins un indice d’une machine électrique optimisée pour un dispositif mobile à autopropulsion, c’est-à-dire demandant un couple de démarrage et une puissance mécanique (en mode moteur) suffisante à haute vitesse pour un volume de machine électrique. Thanks to the invention, the electrical machine having a sizing imposed by the self-propelled mobile device as well as a maximum inverter/rectifier current imposed for cost and sizing reasons, the choice of a number of turns N per phase between 9 and 20 allows to optimize the machine to meet a compromise between the limitation of the torque drop at high speed and at low speed of a synchronous machine to be supplied between a nominal voltage between 48 volts and a very high voltage. This optimization also makes it possible to obtain maximum power from the electric machine. Indeed, the number of turns N per phase is directly linked to the numbers of phases, poles and conductors in a slot. The number of turns per phase is also a function of the coupling, of the nominal voltage of the inverter/rectifier. Thus, by determining this number of turns N per phase in this range, we obtain at least one index of an electrical machine optimized for a self-propelled mobile device, that is to say requiring a starting torque and a mechanical power (in motor mode) sufficient at high speed for a volume of electric machine.
[0021] La machine électrique synchrone présente par exemple une chute de puissance lorsque la machine fonctionne à hautes vitesses moins importante que pour une machine asynchrone. Cela permet d’assurer par exemple une synchronisation de vitesse pour l’hybridation d’une boite de vitesse. Le fait de maintenir une puissance quel que soit la vitesse permet de passer d’une vitesse faible à une vitesse élevée en un temps réduit. Une plage de faible vitesse correspond à une vitesse comprise entre 0 et 4000 rpm en nominal et une haute vitesse correspond à une vitesse supérieure à 4000 rpm et notamment comprise entre 4000 rpm et 20000 rpm. [0021] The synchronous electric machine has for example a power drop when the machine operates at high speeds, less than for an asynchronous machine. This makes it possible, for example, to ensure speed synchronization for the hybridization of a gearbox. Maintaining power at all speeds makes it possible to go from low speed to high speed in a short time. A low speed range corresponds to a speed between 0 and 4000 nominal rpm and a high speed corresponds to a speed greater than 4000 rpm and in particular between 4000 rpm and 20000 rpm.
[0022] Le nombre de spires par phase est en relation avec le courant de court- circuit lequel est en relation avec la puissance mécanique de la machine. En effet, le courant de court-circuit Icc est égal au flux induit sur l’inductance cyclique synchrone directe : Icc = Phi / L. [0022] The number of turns per phase is related to the short-circuit current which is related to the mechanical power of the machine. Indeed, the short-circuit current Isc is equal to the flux induced on the direct synchronous cyclic inductance: Isc = Phi / L.
[0023] L’inductance L est fonction du nombre de spires phase : L = N * (dPhi / dl), ce qui montre que Icc est donc fonction de 1/N (dont L est l’inductance cyclique synchrone directe, Phi est le flux induit). The inductance L is a function of the number of phase turns: L = N * (dPhi / dl), which shows that Isc is therefore a function of 1/N (of which L is the direct synchronous cyclic inductance, Phi is induced flux).
[0024] Le courant de court-circuit est le courant maximum acceptable par la machine dans une zone d’iso puissance mécanique. Ce courant est stable des un nombre de tour du rotor, par exemple 1000 rpm pour une machine synchrone de 15kw, 48 volts. [0025] Si le nombre N de spires par phase est supérieur à 20, la puissance mécanique sera donc insuffisante à haute vitesse et notamment pour une machine de 48 Volts (tension nominale continue aux bornes de l’onduleur/redresseur). Si le nombre N est supérieur à 16 la puissance mécanique sera insuffisante à haute vitesse. The short-circuit current is the maximum current acceptable by the machine in an area of iso mechanical power. This current is stable for a number of revolutions of the rotor, for example 1000 rpm for a synchronous machine of 15 kW, 48 volts. If the number N of turns per phase is greater than 20, the mechanical power will therefore be insufficient at high speed and in particular for a 48 volt machine (nominal DC voltage at the terminals of the inverter/rectifier). If the number N is greater than 16 the mechanical power will be insufficient at high speed.
[0026] On sait en outre en fonctionnement à vide, par exemple en mode alternateur, que le champ produit par un aimant qui se déplace devant un conducteur engendre dans ce conducteur, une force électromotrice dont la valeur est proportionnelle au champ et à la vitesse de rotation de l’aimant, et dont le sens est donné par la règle du tire-bouchon. Ainsi, plus il y a de spires par phase (nombre N), plus la force électromotrice engendrée est augmentée. En effet, la force électromotrice FEM totale produite est alors égale à la somme des forces électromotrices développées dans chacune des spires de la bobine d’une phase. [0027] Plus le nombre de spires par phase est faible, plus il faut en mode moteur compenser la faible valeur du flux ou de la force électromotrice FEM par une augmentation du courant dans l’onduleur/redresseur ou par un flux dans le rotor (augmentation de la taille ou longueur du rotor) pour avoir le couple pic demandé à basses vitesses. It is also known in no-load operation, for example in alternator mode, that the field produced by a magnet which moves in front of a conductor generates in this conductor an electromotive force whose value is proportional to the field and to the speed rotation of the magnet, and whose direction is given by the corkscrew rule. Thus, the more turns there are per phase (number N), the more the generated electromotive force is increased. Indeed, the total EMF electromotive force produced is then equal to the sum of the electromotive forces developed in each of the turns of the coil of a phase. The lower the number of turns per phase, the more it is necessary in motor mode to compensate for the low value of the flux or the electromotive force EMF by increasing the current in the inverter/rectifier or by a flux in the rotor ( increasing the size or length of the rotor) to have the peak torque required at low speeds.
[0028] Ainsi pour des tailles imposées de machine et un courant maximum de l’onduleur/redresseur imposé, pour les raisons expliquées précédemment, la force électromotrice FEM de la machine est donc proportionnelle au nombre de spires par phase de la machine. Thus for imposed machine sizes and a maximum current of the imposed inverter/rectifier, for the reasons explained above, the electromotive force EMF of the machine is therefore proportional to the number of turns per phase of the machine.
[0029] Si le Nombre N de spires par phase est inférieur à 9, cela entraînera un couple trop faible à faible vitesse pour un courant max fournit par un onduleur/redresseur ou alors il sera nécessaire que l’onduleur/redresseur et les sections de bobine puissent permettre la circulation d’un plus gros courant entraînant d’autres problématiques notamment thermiques ou encore d’augmenter le flux du rotor ce qui demande d’augmenter la taille de rotor ou de changer le type d’aimant. [0029] If the number N of turns per phase is less than 9, this will result in too low a torque at low speed for a maximum current supplied by an inverter/rectifier or it will be necessary for the inverter/rectifier and the coil can allow the flow of a larger current causing other problems including thermal or increase the flux of the rotor which requires increasing the size of the rotor or changing the type of magnet.
[0030] Cette plage de nombre de spires entre 9 et 20 par phase permet donc d'avoir une machine synchrone équilibrée : optimum en couple et puissance mécanique pour un encombrement donné et un courant onduleur/redresseur minimum. [0031] On comprendra que le nombre de chemins électriques en parallèle est notamment le nombre de groupe de spires connecté en parallèle les uns aux autres. Chaque groupe peut comprendre une unique spire ou plusieurs spires connectées en série. This range of number of turns between 9 and 20 per phase therefore makes it possible to have a balanced synchronous machine: optimum torque and mechanical power for a given size and a minimum inverter/rectifier current. It will be understood that the number of electrical paths in parallel is in particular the number of groups of turns connected in parallel to each other. Each group can comprise a single turn or several turns connected in series.
[0032] Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, la machine électrique selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. [0032] In addition to the characteristics which have just been mentioned in the previous paragraph, the electrical machine according to one aspect of the invention may have one or more additional characteristics among the following, considered individually or according to all technically possible combinations.
[0033] Selon un mode de réalisation, les conducteurs électriques logés dans une encoche sont des branches d’une épingle, les épingles étant raccordées électriquement par leurs extrémités libres deux à deux pour former le bobinage. Cela permet d’augmenter le taux de cuivre dans une encoche et/ou diminuer la difficulté de bobinage par rapport à un bobinage filaire à l’aide d’un dispositif à aiguille guidant l’enroulement d’un même fil électrique autour de chaque dent radiale pour former des spires successives. Un tel bobinage est dit bobinage concentrique ou avec des spires stator réparties dans les encoches en continu. According to one embodiment, the electrical conductors housed in a notch are branches of a pin, the pins being electrically connected by their free ends in pairs to form the winding. This makes it possible to increase the copper content in a notch and/or reduce the difficulty of winding compared to wired winding using a needle device guiding the winding of the same electric wire around each tooth. radial to form successive turns. Such a winding is said to be concentric winding or with stator turns distributed continuously in the slots.
[0034] Selon un mode de réalisation, chaque encoche loge entre 2 et 25 conducteurs électriques. Par exemple, chaque encoche loge entre 2 et 4 conducteurs électriques. L’utilisation de 2 ou 4 conducteurs par encoche permet de limiter les pertes joules à hautes vitesses. According to one embodiment, each notch houses between 2 and 25 electrical conductors. For example, each notch accommodates between 2 and 4 electrical conductors. The use of 2 or 4 conductors per slot limits joule losses at high speeds.
[0035] Selon un mode de réalisation, une même encoche peut loger des conducteurs électriques appartenant à une même phase ou à plusieurs phases. [0036] Selon un mode de réalisation, le nombre de spires N dans le stator par phase est compris entre 9 et 18, et notamment entre 9 et 16, et l’onduleur/redresseur présente une tension nominale de 48 volts. According to one embodiment, the same notch can accommodate electrical conductors belonging to the same phase or to several phases. According to one embodiment, the number of turns N in the stator per phase is between 9 and 18, and in particular between 9 and 16, and the inverter/rectifier has a nominal voltage of 48 volts.
[0037] Selon un exemple de ce mode de réalisation, le nombre de spires par phase est compris entre 11 et 12, le nombre de phase est de 6, le nombre P de paires de pôles est compris entre 5 et 6 et la section des conducteurs est notamment dimensionnée pour que la résistance entre deux sorties de phases soit inférieure à 13 milli ohms. Selon une mise en oeuvre de cet exemple, la section totale des conducteurs dans une encoche est comprise entre 18,2 mm2 et 27,5 mm2. Selon une mise en oeuvre de cet exemple, les dimensions d’un conducteur sont comprises entre 1 ,9 mm et 3,5 mm de longueur et entre 1 ,9 mm et 5,3 mm de largeur. Selon une mise en oeuvre de cet exemple, les conducteurs sont en cuivre et sont des épingles. Selon une mise en oeuvre de cet exemple, une puissance nominale de la machine est comprise entre 15 kW et 25 kW. According to an example of this embodiment, the number of turns per phase is between 11 and 12, the number of phases is 6, the number P of pairs of poles is between 5 and 6 and the section of the conductors is sized in particular so that the resistance between two phase outputs is less than 13 milli ohms. According to one implementation of this example, the total section of the conductors in a slot is between 18.2 mm 2 and 27.5 mm 2 . According to an implementation of this example, the dimensions of a conductor are included between 1.9 mm and 3.5 mm in length and between 1.9 mm and 5.3 mm in width. According to an implementation of this example, the conductors are made of copper and are pins. According to an implementation of this example, a nominal power of the machine is between 15 kW and 25 kW.
[0038] Selon un autre exemple de ce mode de réalisation, le nombre de spires par phase est compris entre 13 et 18, le nombre de phase est de 3 ou 6, le nombre de paires de pôles est compris entre 5 et 6 et la section des conducteurs est notamment dimensionnée pour que la résistance entre deux sorties de phases soit inférieure à 13 milli ohms. Selon une mise en oeuvre de cet exemple, la section totale des conducteurs dans une encoche est comprise entre 19,8 mm2 et 24,3 mm2. Selon une mise en oeuvre de cet exemple, la dimension d’un conducteur est comprise entre 0,85 mm et 0,97 mm de diamètre. Selon une mise en oeuvre de cet exemple, les conducteurs sont en cuivre et sont du fil bobiné. En effet, il a été remarqué que pour un bobinage en fil d’une machine de 48 volts, le nombre de spires par phase est plus grand qu’en épingle pour l’optimiser car le taux de cuivre dans une encoche est plus bas que celui des épingles. According to another example of this embodiment, the number of turns per phase is between 13 and 18, the number of phases is 3 or 6, the number of pairs of poles is between 5 and 6 and the section of the conductors is in particular sized so that the resistance between two phase outputs is less than 13 milli ohms. According to an implementation of this example, the total section of the conductors in a slot is between 19.8 mm 2 and 24.3 mm 2 . According to an implementation of this example, the dimension of a conductor is between 0.85 mm and 0.97 mm in diameter. According to an implementation of this example, the conductors are made of copper and are wound wire. Indeed, it has been noticed that for a wire winding of a 48 volt machine, the number of turns per phase is greater than in hairpin to optimize it because the copper rate in a notch is lower than that of the pins.
[0039] Selon un autre exemple de ce mode de réalisation, le nombre de spires par phase est compris entre 16 et 18, le nombre de phases est de 3 et le nombre P de paires de pôles est compris entre 5 et 6. According to another example of this embodiment, the number of turns per phase is between 16 and 18, the number of phases is 3 and the number P of pole pairs is between 5 and 6.
[0040] Selon un mode de réalisation, le nombre de spires par phase est entre 16 et 20 et l’onduleur/redresseur présente une tension nominale continue comprise entre 300 et 400 volts. According to one embodiment, the number of turns per phase is between 16 and 20 and the inverter/rectifier has a nominal DC voltage of between 300 and 400 volts.
[0041] Selon un mode de réalisation, le bobinage est couplé en étoile. According to one embodiment, the winding is star-coupled.
[0042] Selon un mode de réalisation, le bobinage est couplé en triangle. [0042] According to one embodiment, the winding is delta-coupled.
[0043] Selon une réalisation, chaque phase comporte plusieurs bobines électriques comprenant chacune au moins une spire, les bobines pouvant être connectées en série ou en parallèle entre elles. According to one embodiment, each phase comprises several electrical coils each comprising at least one turn, the coils being able to be connected in series or in parallel with each other.
[0044] Selon une réalisation, le rotor comporte un corps de rotor et une pluralité d’aimants permanents logés dans ledit corps. According to one embodiment, the rotor comprises a rotor body and a plurality of permanent magnets housed in said body.
[0045] Selon un mode de réalisation, l’onduleur/redresseur présente une tension nominale continu de 48 volts et la machine électrique présente un ratio de performance égal au couple pic en Nm multiplié par la puissance mécanique pic en Watt divisé par une valeur égale au courant pic en Ampère multiplié par le nombre de spires par phase N multiplié par le diamètre externe de la machine en millimètre multiplié par la longueur de la machine en millimètre et en ce que le ratio de performance est supérieur à 0.02. On comprendra que plus le ratio est élevé et plus la machine est optimisée. According to one embodiment, the inverter/rectifier has a continuous nominal voltage of 48 volts and the electrical machine has a performance ratio equal to the peak torque in Nm multiplied by the peak mechanical power in Watt divided by an equal value at the peak current in Amperes multiplied by the number of turns per phase N multiplied by the external diameter of the machine in millimeters multiplied by the length of the machine in millimeters and in that the performance ratio is greater than 0.02. It will be understood that the higher the ratio, the more the machine is optimized.
[0046] Selon un mode de réalisation, la puissance mécanique est comprise entre 8 kW et 50KW et l’onduleur/redresseur est adapté pour une tension d’entrée nominale continue de 48 Volts. According to one embodiment, the mechanical power is between 8 kW and 50 kW and the inverter/rectifier is suitable for a continuous nominal input voltage of 48 volts.
[0047] Selon un mode de réalisation, la puissance mécanique est comprise entre 51 kW et 150KW et l’onduleur/redresseur est adapté pour une tension d’entrée nominale continue supérieure à 300 Volts. According to one embodiment, the mechanical power is between 51 kW and 150 kW and the inverter/rectifier is suitable for a continuous nominal input voltage greater than 300 volts.
[0048] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. The invention and its various applications will be better understood on reading the following description and on examining the accompanying figures.
[0049] BREVE DESCRIPTION D’UNE FIGURE [0049] BRIEF DESCRIPTION OF A FIGURE
[0050] [fig.1 ] montre un tableau d’exemple de machine électrique optimisée. La figure est présentée à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. [0050] [fig.1] shows an example table of an optimized electrical machine. The figure is presented for information only and in no way limiting the invention.
[0051] DESCRIPTION DETAILLEE [0051] DETAILED DESCRIPTION
[0052] L’invention concerne une machine électrique tournante synchrone à aimants permanents pour un dispositif mobile à autopropulsion. La figure 1 représente un tableau de caractéristiques de différentes machines. The invention relates to a synchronous rotating electrical machine with permanent magnets for a self-propelled mobile device. Figure 1 shows a table of characteristics of different machines.
[0053] Les machines électriques 1 , 2, 3, 4, 5, 6 comprennent chacune un rotor à aimant formant un inducteur, dont le nombre d’aimants forme un nombre P de paires de pôles. Les machines 1 , 3 et 4 comprennent chacune 12 pôles, tandis que la machine 2 comporte 10 pôles et les machines 5 et 6 comportent chacune 8 pôles. [0054] Les machines électriques 1 , 2, 3, 4, 5, 6 comprennent chacun un stator formant un induit. Le stator comprend une culasse formant une pièce de révolution autour d’un axe passant par le centre du stator. La culasse comporte des dents radiales, s’étendant radialement vers le centre du stator et autour desquelles est réalisé le bobinage électrique. Plus particulièrement, les dents radiales délimitent entre elles des encoches dans lesquelles passent des éléments conducteurs participant à former le bobinage du stator. The electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each comprise a magnet rotor forming an inductor, the number of magnets of which forms a number P of pairs of poles. Machines 1, 3 and 4 each have 12 poles, while machine 2 has 10 poles and machines 5 and 6 each have 8 poles. The electric machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each comprise a stator forming an armature. The stator comprises a yoke forming a part of revolution around an axis passing through the center of the stator. The yoke has radial teeth, extending radially towards the center of the stator and around which the electrical winding is made. More particularly, the radial teeth delimit between them notches in which pass conductive elements participating in forming the winding of the stator.
[0055] Le stator des machines électriques 1 , 2, 3, 4, 5, 6 comprennent un nombre d’encoches S compris entre 36 et 72 encoches, en l’occurrence les machines 1 et 3 comprennent chacune soixante-douze encoches, les machines 2 et 5 comprennent soixante encoches, la machine 4 comprend trente-six encoches et la machine 6 comprend quarante-huit encoches. [0055] The stator of electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 include a number of notches S between 36 and 72 notches, in this case the machines 1 and 3 each have seventy-two notches, machines 2 and 5 have sixty notches, machine 4 has thirty-six notches and machine 6 has forty-eight notches.
[0056] Les stators des machines électriques 1 , 2, 3, 4, 5, 6 comprennent chacun un bobinage comprenant au moins trois phases PH. Les machines 4, 5 et 6 comportent chacune trois phases, les machines 1 , 2, 3 en comportent six. The stators of electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each comprise a winding comprising at least three PH phases. Machines 4, 5 and 6 each have three phases, machines 1, 2, 3 have six.
[0057] Un conducteur W dans une encoche peut être formé par une branche d’une épingle, dit Upin, ou une portion d’un fil. [0057] A conductor W in a slot can be formed by a branch of a pin, says Upin, or a portion of a wire.
[0058] En l’occurrence les machines 1 , 2, 5 et 6 comprennent chacune un bobinage formé par des épingles Upin et les machines 3 et 4 comprennent un bobinage formé par des fils. Les épingles sont raccordées électriquement par leurs extrémités libres deux à deux pour former les spires d’une phase. Cela permet d’augmenter le taux de cuivre dans une encoche et/ou diminuer la difficulté de bobinage par rapport à un bobinage filaire pour former des spires successives. [0059] Les conducteurs des épingles ou les conducteurs filaires relié s ensembles, forment une bobine ou des bobines. Chaque bobine peut comprendre plusieurs tours, autrement dit chemin électrique autour de l’axe de rotation, pouvant être appelés des spires. In this case, machines 1, 2, 5 and 6 each include a winding formed by Upin pins and machines 3 and 4 include a winding formed by wires. The pins are electrically connected by their free ends two by two to form the turns of a phase. This makes it possible to increase the copper content in a notch and/or reduce the difficulty of winding compared to a wired winding to form successive turns. [0059] The conductors of the pins or the wired conductors connected together form a coil or coils. Each coil can include several turns, in other words electrical path around the axis of rotation, which can be called turns.
[0060] Les bobines des machines électriques 2 et 6 comprennent chacune quatre conducteurs en cuivre par encoche, les machines électriques 1 et 5 comprennent deux conducteurs en cuivre par encoche et les machines 3 et 4 comprennent respectivement 4 et 5 tours de stator avec 6 ou 5 fils en parallèle. Soit pour la machine 3, 24 spires par encoches et pour la machine 4, 25 spires par encoches. Le nombre de conducteurs par encoche est référencé E dans le tableau 1. The coils of electric machines 2 and 6 each comprise four copper conductors per slot, electric machines 1 and 5 comprise two copper conductors per slot and machines 3 and 4 respectively comprise 4 and 5 stator turns with 6 or 5 wires in parallel. Either for machine 3, 24 turns per notch and for machine 4, 25 turns per notch. The number of conductors per slot is referenced E in table 1.
[0061] Les bobinages des phases des machines 5 et 6 sont conçus pour former un couplage C en étoile tandis que les bobinages des phases des machines 2, 3 et 4 sont conçus pour former un couplage en triangle. The phase windings of machines 5 and 6 are designed to form a star coupling C while the phase windings of machines 2, 3 and 4 are designed to form a delta coupling.
[0062] Les machines électriques 1 , 2, 3, 4, 5, 6 comprennent chacune un onduleur/redresseur adapté en mode moteur à transformer en entrée une tension nominale continue en des tensions d’alimentation d’un système multi phasés pour chaque phase du bobinage du stator. [0063] L’onduleur/redresseur de chaque machine électrique 1 , 2, 3, 4 est adapté à transformer une tension nominale de 48Volts en une tension alternative d’un système multi-phasés, en l’occurrence pour les machines 1 , 2, 3 en six tensions, chacune pour une phase d’un système triphasé tandis que l’onduleur/redresseur de la machine 4 transforme les 48 volts en 3 tensions alternatives pour les huit phases. [0064] L’onduleur/redresseur de chaque machine électrique 5 et 6 est adapté à transformer une tension nominale de respectivement 350 volts et 300 volts en une tension d’un système multi-phasé, en l’occurrence trois tensions d’un système triphasé pour chacune des phases. [0062] The electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each comprise an inverter/rectifier suitable in motor mode for converting a nominal DC voltage as input into supply voltages of a multi-phase system for each phase. of the stator winding. [0063] The inverter/rectifier of each electric machine 1, 2, 3, 4 is suitable for transforming a nominal voltage of 48 Volts into an alternating voltage of a multi-phase system, in this case for machines 1, 2 , 3 into six voltages, each for one phase of a three-phase system while the inverter/rectifier of machine 4 transforms the 48 volts into 3 alternating voltages for the eight phases. The inverter/rectifier of each electrical machine 5 and 6 is adapted to transform a nominal voltage of 350 volts and 300 volts respectively into a voltage of a multi-phase system, in this case three voltages of a system three-phase for each of the phases.
[0065] Bien entendu, l’onduleur/redresseur peut découper angulairement chacune des tensions de phase pour adapter la puissance mécanique selon une commande reçue d’une unité de commande. Of course, the inverter/rectifier can angularly cut each of the phase voltages to adapt the mechanical power according to a command received from a control unit.
[0066] Le stator alimenté par l’onduleur/redresseur produisant un courant d’un système de tensions multi-phasés produit un champ tournant dans l'entrefer. Ce champ magnétique tourne à la vitesse de f/P tours par secondes avec f fréquence d'alimentation des bobinages statoriques, et P le nombre de paires de pôles. The stator supplied by the inverter/rectifier producing a current from a multi-phase voltage system produces a rotating field in the air gap. This magnetic field rotates at the speed of f/P revolutions per second with f supply frequency of the stator windings, and P the number of pairs of poles.
[0067] Le rotor composé de p aimants permanents va alors s'aligner avec le champ tournant. Le rotor tourne ainsi à la même vitesse que le champ tournant. [0068] Comme expliqué précédemment le courant de court-circuit est fonction de 1/N soit est inversement proportionnel au nombres N de spires. The rotor composed of p permanent magnets will then align with the rotating field. The rotor thus rotates at the same speed as the rotating field. As explained previously, the short-circuit current is a function of 1/N or is inversely proportional to the number N of turns.
[0069] Les machines électriques 1 , 2, 3, 4, 5, 6 ont chacune un bobinage comprenant un nombre de spires N dans le stator par phase qui est égal au nombre E de conducteurs dans une encoche, multiplié par le nombre P de paires de pôles multiplié par le nombre A d’encoche par pôle et par phase, le tout divisé par le nombre B de chemins électriques en parallèle des conducteurs dans une encoche ou/et divisé par racine carré de trois si le bobinage présente un couplage C en triangle. Le nombre N est un nombre entier si le bobinage est couplé en étoile. Le nombre A est égal au nombre S divisé par le nombre PH divisé par le nombre P. [0070] En l’occurrence, le nombre de spires N de la machine électrique 1 est donc un nombre entier et est égal à deux conducteurs multipliés par six paires de pôles multipliés par une seule encoche par phase et par pôle (A=72/(6*12) = 1 ) soit N = 2*6*1 =12. [0071] En l’occurrence, le nombre de spires N de la machine électrique 2 est égal à 11 .5 : 4 conducteurs multipliés par P = cinq (paires de pôles) multipliés par une seule encoche par phase et par pôle (A=60/(6*10) = 1 ) le tout divisé par racine de 3 car le bobinage est en triangle : soit N = 4*5*1 /racinecarré(3)= 11 ,5. The electrical machines 1, 2, 3, 4, 5, 6 each have a winding comprising a number of turns N in the stator per phase which is equal to the number E of conductors in a slot, multiplied by the number P of pairs of poles multiplied by the number A of notches per pole and per phase, all divided by the number B of electrical paths in parallel of the conductors in a notch or/and divided by the square root of three if the winding has a C coupling in a triangle. The number N is an integer if the winding is star-connected. The number A is equal to the number S divided by the number PH divided by the number P. In this case, the number of turns N of the electric machine 1 is therefore an integer and is equal to two conductors multiplied by six pairs of poles multiplied by a single notch per phase and per pole (A=72/(6 * 12) = 1) i.e. N = 2 * 6 * 1 =12. In this case, the number of turns N of the electrical machine 2 is equal to 11.5: 4 conductors multiplied by P=five (pairs of poles) multiplied by a single notch per phase and per pole (A= 60/(6 * 10) = 1) all divided by root of 3 because the winding is in a triangle: that is N = 4 * 5 * 1 / square root (3)= 11.5.
[0072] En l’occurrence, le nombre de spires N de la machine électrique 3 est égal à 13.8 : 4 conducteurs multipliés par P =six (paires de pôles) multipliés par une seule encoche par phase et par pôle (A=72/(6*12) = 1 ) le tout divisé par racine de 3 car le bobinage est en triangle : soit N = 4*6*1 /racinecarré(3)= 13,8. In this case, the number of turns N of the electrical machine 3 is equal to 13.8: 4 conductors multiplied by P=six (pairs of poles) multiplied by a single notch per phase and per pole (A=72/ (6 * 12) = 1) all divided by root of 3 because the winding is in a triangle: that is N = 4 * 6 * 1 / square root (3) = 13.8.
[0073] En l’occurrence, le nombre de spires N de la machine électrique 4 est égal à 17,3 : E = 5 conducteurs multipliés par P = 6 (paires de pôles) multipliés par A = 1 et le tout divisé par racine de trois car le bobinage est en couplage triangle. Soit N= 5*6*1 /racinecarré(3)= 17,3. In this case, the number of turns N of the electric machine 4 is equal to 17.3: E=5 conductors multiplied by P=6 (pairs of poles) multiplied by A=1 and all divided by root of three because the winding is in delta connection. Let N= 5 * 6 * 1 / squareroot(3)= 17.3.
[0074] Ainsi on peut voir que les machines électriques ayant un onduleur/redresseur adapté pour une tension nominale d’entrée de 48 volts comprend un nombre de spires N compris entre 9 et 18. Thus we can see that electrical machines having an inverter/rectifier suitable for a nominal input voltage of 48 volts include a number of turns N between 9 and 18.
[0075] En l’occurrence, le nombre entier de spires N de la machine électrique 5 est égal à 20 : E = 2 conducteurs multipliés par P = 4 multipliés par A = 2.5 encoches par phase et par pôle (60/(3*8)= 2.5) : soit N = 2*4*2.5= 20. In this case, the whole number of turns N of the electrical machine 5 is equal to 20: E = 2 conductors multiplied by P = 4 multiplied by A = 2.5 notches per phase and per pole (60/(3 * 8)= 2.5): i.e. N = 2 * 4 * 2.5= 20.
[0076] En l’occurrence, le nombre entier de spires N de la machine électrique 6 est égal à 16 : E = 4 conducteurs multipliés par P = quatre multipliés par A = 2 encoches par phase et par pôle (48/(3*8)= 2), le tout est divisé par B = 2 car 2 conducteurs sont montées en parallèles: soit N = 4*4*2/2= 16. In this case, the whole number of turns N of the electrical machine 6 is equal to 16: E = 4 conductors multiplied by P = four multiplied by A = 2 notches per phase and per pole (48/(3 * 8)= 2), the whole is divided by B = 2 because 2 conductors are mounted in parallel: i.e. N = 4 * 4 * 2/2= 16.
[0077] Ainsi, on peut voir que les machines électriques ayant un onduleur/redresseur adapté pour une tension nominale d’entrée entre 300 et 350 volts comprend un nombre de spires N compris entre 16 et 20. Thus, it can be seen that electrical machines having an inverter/rectifier suitable for a nominal input voltage between 300 and 350 volts include a number of turns N between 16 and 20.
[0078] Le bobinage de chaque machine a donc plusieurs spires en série par phase, afin d’augmenter la force électromotrice engendrée. La force électromotrice totale produite est alors égale à la somme des forces électromotrices développées dans chacune des spires de la bobine. The winding of each machine therefore has several turns in series per phase, in order to increase the electromotive force generated. The total electromotive force produced is then equal to the sum of the electromotive forces developed in each of the turns of the coil.
[0079] Les machines représentées dans ce tableau sont des machines électriques qui ont été optimisées pour le couple de démarrage et la puissance mécanique à haute vitesse. Comme cela est visible, pour ces machines, le nombre de spires N par phase dans le stator par phase est compris entre 9 et 20. Au-delà de ce ratio soit la machine électrique comprend un couple de démarrage insuffisant pour un nombre N de spires par phase inférieur à 9 soit une puissance mécanique à haute vitesse trop faible pour un nombre N de spires par phase supérieur à 20. [0080] Enfin, on peut aussi voir qu’on peut diviser en deux groupes, un groupe de machines ayant une puissance mécanique comprise entre 15kW et 50KW (les machines 1 à 4), ont chacune un onduleur/redresseur adapté pour une tension d’entrée nominale continue de 48 Volts et un nombre de spires par phase N compris entre 9 et 18 et un deuxième groupe de machine (les machines 5 et 6) ayant une puissance mécanique comprise entre 51 kW et 150KW ont un onduleur/redresseur adapté pour une tension d’entrée nominale continue supérieure à 300 Volts et un nombre de spires par phase N compris entre 16 et 20. The machines shown in this table are electric machines which have been optimized for starting torque and mechanical power at high speed. As can be seen, for these machines, the number of turns N per phase in the stator per phase is between 9 and 20. Beyond of this ratio either the electrical machine has an insufficient starting torque for a number N of turns per phase less than 9 or a mechanical power at high speed that is too low for a number N of turns per phase greater than 20. [0080] Finally, we can also see that we can divide into two groups, a group of machines having a mechanical power between 15kW and 50KW (machines 1 to 4), each have an inverter/rectifier suitable for a continuous nominal input voltage of 48 Volts and a number of turns per phase N between 9 and 18 and a second group of machines (machines 5 and 6) having a mechanical power between 51 kW and 150KW have an inverter/rectifier suitable for an input voltage continuous rating greater than 300 Volts and a number of turns per phase N between 16 and 20.
[0081 ] Sachant que l’entrefer est plus ou moins identique pour chaque machine, Il s’ensuit que les machines dont l’onduleur/redresseur est adapté à une tension nominale de 48 volts ont un ratio Ra de performance permettant d’obtenir un couple et une puissance maximale pour un encombrement réduit et un courant réduit dans l’onduleur. Le ratio Ra est égal au couple pic T multiplié par la puissance mécanique pic Pui, le tout divisé par une valeur égale au courant pic Imax multiplié par le nombre de spires N par phase multiplié par le diamètre externe D de la machine multiplié par la longueur L de la machine. Les machines 1 , 2, 3, 4 ont un ratio de performance supérieur à 0.02. [0081] Knowing that the air gap is more or less identical for each machine, it follows that the machines whose inverter/rectifier is adapted to a nominal voltage of 48 volts have a performance ratio Ra making it possible to obtain a maximum torque and power for a small footprint and reduced current in the inverter. The ratio Ra is equal to the peak torque T multiplied by the peak mechanical power Pui, all divided by a value equal to the peak current Imax multiplied by the number of turns N per phase multiplied by the external diameter D of the machine multiplied by the length L of the machine. Machines 1, 2, 3, 4 have a performance ratio greater than 0.02.
[0082] En l’occurrence, la machine 1 a un couple pic T de 55Nm multiplié par la puissance mécanique pic Pui 15000 watts divisé par une valeur (230*12* 153*67=28292760 ampères millimètre au carré) égale au courant pic Imax 230Ampères multiplié par le nombre de spires par phase, N= 12, multiplié par le diamètre externe (D=153 millimètres) de la machine, multiplié par la longueur de la machine (L=67 millimètres), soit ici le ratio Ra est égal à (55*15000)/ (230*12* 153*67) = 825000/28292760 = 0.029159. In this case, the machine 1 has a peak torque T of 55 Nm multiplied by the peak mechanical power Pui 15000 watts divided by a value (230 * 12 * 153 * 67 = 28292760 amperes millimeter squared) equal to the peak current Imax 230 Amperes multiplied by the number of turns per phase, N= 12, multiplied by the external diameter (D=153 millimeters) of the machine, multiplied by the length of the machine (L=67 millimeters), i.e. here the ratio Ra is equal to (55 * 15000)/ (230 * 12 * 153 * 67) = 825000/28292760 = 0.029159.
[0083] La machine 2 a un couple pic T de 115 Nm multiplié par la puissance mécanique pic Pui 23000 watts, divisé par une valeur (310*11 .5* 161 *66=37881690 ampères millimètre au carré) égale au courant pic Imax 310 Ampères multiplié par le nombre de spires par phase, N= 11.5, multiplié par le diamètre externe (D=161 millimètres) de la machine, multiplié par la longueur de la machine (L=66 millimètres), soit ici le ratio Ra est égal à = 0.069982265. [0084] La machine 3 a un couple pic T de 13.8Nm multiplié par la puissance mécanique pic Pui 13000 watts divisé par une valeur (230*13.8*144*47) égale au courant pic Imax 230Ampères multiplié par le nombre de spires par phase, N= 13.8, multiplié par le diamètre externe (D=144 millimètres) de la machine, multiplié par la longueur de la machine (L=47 millimètres), soit ici le ratio Ra est égal à = 0.03631 . [0085] La machine 4 a un couple pic T de 35 Nm multiplié par la puissance mécanique pic Pui 8000 watts divisé par une valeur (230*17,3*144*68,2) égale au courant pic Imax 230 Ampères multiplié par le nombre de spires par phase, N= 17,3, multiplié par le diamètre externe (D=144 millimètres) de la machine, multiplié par la longueur de la machine (L=68,2 mm), soit ici le ratio Ra est égal à = 0,00719. [0086] Il va ci-dessous être donné un exemple de dimension De des conducteurs pour chaque machine ainsi qu’un exemple de section Se totale de conducteur dans chaque encoche pour chaque machine (Se=dimension des conducteurs De * nombre de conducteur dans une encoche). Il est entendu que ces dimensions et sections sont données à titre d’exemple et qu’une plage de plus ou moins 5% de variation peut être appliquée à ces dimensions sans sortir du cadre de l’invention. Pour chaque machine dont le conducteur présente une section rectangulaire, la largeur du conducteur peut être prise dans une direction sensiblement radiale, la longueur étant alors prise dans une direction sensiblement ortho-radiale, ou alternativement la longueur du conducteur peut être prise dans une direction sensiblement radiale, la largeur étant alors prise dans une direction sensiblement ortho-radiale. The machine 2 has a peak torque T of 115 Nm multiplied by the peak mechanical power Pui 23000 watts, divided by a value (310 * 11.5 * 161 * 66=37881690 amperes millimeter squared) equal to the peak current Imax 310 Amps multiplied by the number of turns per phase, N= 11.5, multiplied by the external diameter (D=161 millimeters) of the machine, multiplied by the length of the machine (L=66 millimeters), i.e. here the ratio Ra is equal to = 0.069982265. The machine 3 has a peak torque T of 13.8Nm multiplied by the peak mechanical power Pui 13000 watts divided by a value (230 * 13.8 * 144 * 47) equal to the peak current Imax 230Amps multiplied by the number of turns per phase , N= 13.8, multiplied by the external diameter (D=144 millimetres) of the machine, multiplied by the length of the machine (L=47 millimetres), i.e. here the ratio Ra is equal to = 0.03631 . The machine 4 has a peak torque T of 35 Nm multiplied by the peak mechanical power Pui 8000 watts divided by a value (230 * 17.3 * 144 * 68.2) equal to the peak current Imax 230 Amps multiplied by the number of turns per phase, N= 17.3, multiplied by the external diameter (D=144 millimeters) of the machine, multiplied by the length of the machine (L=68.2 mm), i.e. here the ratio Ra is equal at = 0.00719. An example of the dimension De of the conductors for each machine will be given below, as well as an example of the total section Se of the conductor in each slot for each machine (Se=dimension of the conductors De * number of conductors in a notch). It is understood that these dimensions and sections are given by way of example and that a range of plus or minus 5% variation can be applied to these dimensions without departing from the scope of the invention. For each machine whose conductor has a rectangular section, the width of the conductor may be taken in a substantially radial direction, the length then being taken in a substantially ortho-radial direction, or alternatively the length of the conductor may be taken in a direction substantially radial, the width then being taken in a substantially ortho-radial direction.
[0087] La machine 1 peut présenter des conducteurs de section rectangulaire, chacun présentant une dimension De de 5mm de longueur et 2mm de largeur. La machine 1 peut présenter une section Se de conducteur dans une encoche de 20mm2 (5*2*2 conducteurs par encoche). The machine 1 may have conductors of rectangular section, each having a dimension De of 5 mm in length and 2 mm in width. The machine 1 can have a section Se of conductor in a notch of 20mm 2 (5 * 2 * 2 conductors per notch).
[0088] La machine 2 peut présenter des conducteurs de section rectangulaire, chacun présentant une dimension De de 3,15mm de longueur et 2mm de largeur. La machine 2 peut présenter une section Se de conducteur dans une encoche de 25,2mm2 (3,15*2*4 conducteurs par encoche). The machine 2 may have conductors of rectangular section, each having a dimension De of 3.15 mm in length and 2 mm in width. Machine 2 may have a section Se of conductor in a notch of 25.2 mm 2 (3.15 * 2 * 4 conductors per notch).
[0089] La machine 3 peut présenter des conducteurs de section ronde, chacun présentant une dimension De de 0,92mm de diamètre. La machine 3 peut présenter une section Se de conducteur dans une encoche de 22,08mm2 (0,92*24 conducteurs par encoche). The machine 3 may have conductors of round section, each having a dimension De of 0.92 mm in diameter. Machine 3 can present a conductor section Se in a slot of 22.08 mm 2 (0.92 * 24 conductors per slot).
[0090] La machine 4 peut présenter des conducteurs de section ronde, chacun présentant une dimension De de 1 ,28mm de diamètre. La machine 4 peut présenter une section Se de conducteur dans une encoche de 32mm2 (1 ,28*25 conducteurs par encoche). The machine 4 may have conductors of round section, each having a dimension De of 1.28 mm in diameter. The machine 4 can have a conductor section Se in a 32 mm 2 notch (1.28 * 25 conductors per notch).
[0091] La machine 5 peut présenter des conducteurs de section rectangulaire, chacun présentant une dimension De de 3,55mm de longueur et 2,5mm de largeur. La machine 5 peut présenter une section Se de conducteur dans une encoche de 17,75mm2 (3,55*2,5*2 conducteurs par encoche). The machine 5 may have conductors of rectangular section, each having a dimension De of 3.55 mm in length and 2.5 mm in width. Machine 5 may have a section Se of conductor in a notch of 17.75 mm 2 (3.55 * 2.5 * 2 conductors per notch).
[0092] La machine 6 peut présenter des conducteurs de section rectangulaire, chacun présentant une dimension De de 5mm de longueur et 3,55mm de largeur. La machine 6 peut présenter une section Se de conducteur dans une encoche de 71 mm2 (3,55*5*4 conducteurs par encoche). The machine 6 may have conductors of rectangular section, each having a dimension De of 5 mm in length and 3.55 mm in width. The machine 6 may have a section Se of conductor in a notch of 71 mm 2 (3.55 * 5 * 4 conductors per notch).

Claims

REVENDICATIONS Machine électrique (1 , 2, 3, 4, 5, 6) tournante synchrone à aimants permanents pour un dispositif mobile à autopropulsion comprenant : CLAIMS Electrical machine (1, 2, 3, 4, 5, 6) rotating synchronous permanent magnets for a self-propelled mobile device comprising:
- un rotor à aimant et présentant un nombre P de paires de pôles, - a magnet rotor and having a number P of pairs of poles,
- un stator comprenant des encoches et un bobinage comprenant au moins trois phases, chaque phase comporte plusieurs spires, une spire est formée d’une succession de conducteurs électriques logés dans différentes encoches et reliés électriquement entre eux, chaque encoche logeant plusieurs conducteurs électriques, - a stator comprising notches and a winding comprising at least three phases, each phase comprising several turns, a turn is formed of a succession of electrical conductors housed in different notches and electrically connected to each other, each notch housing several electrical conductors,
- un onduleur/redresseur adapté en mode moteur à transformer une tension d’entrée nominale continue comprise entre une tension de 48Volts et une tension de 600 Volts en des tensions alternatives d’alimentation d’un système multi phasés pour chaque phase du bobinage et adapté en mode alternateur à fournir une tension de sortie continue comprise entre une tension de 48Volts et une tension de 600Volts, dans laquelle le bobinage est du type à ce que le nombre de spires N dans le stator par phase est égal au nombre E de conducteurs dans une encoche, multiplié par le nombre P de paires de pôles multiplié par le nombre A d’encoche par pôle et par phase le tout divisé par le nombre B de chemins électriques en parallèles des conducteurs dans une encoche ou/et divisé par racine carré de trois si le bobinage est couplé en triangle, caractérisé en ce que le nombre de spires N par phase dans le stator est compris entre 9 et 20. Machine électrique (1 , 2, 5, 6) selon la revendication 1 , dans laquelle les conducteurs électriques logés dans une encoche sont des branches d’une épingle, les épingles étant raccordées électriquement par leurs extrémités libres deux à deux pour former le bobinage. Machine électrique (1 , 2, 3, 4) selon la revendication 1 dans laquelle le nombre de spires N dans le stator par phase est compris entre 9 et 18, et notamment entre 9 et 16, et l’onduleur/redresseur présente une tension nominale de 48volts. Machine électrique (1 , 2) selon la revendication précédente dans laquelle le nombre de spires par phase est compris entre 11 et 12, le nombre de phase est de 6, le nombre P de pairs de pôles est compris entre 5 et 6 et la section des conducteurs est notamment dimensionnée pour que la résistance entre deux sorties de phases soit inférieure à 13 milli ohms. Machine électrique (3) selon la revendication 3 dans laquelle le nombre de spires par phase est compris entre 13 et 16, le nombre de phase est de 6, le nombre P de paires de pôles est compris entre 5 et 6 et la section des conducteurs est notamment dimensionnée pour que la résistance entre deux sorties de phases soit inférieure à 13 milli ohms. Machine électrique (4) selon la revendication 3, dans laquelle le nombre de spires par phase est compris entre 16 et 18, le nombre de phases est de 3 et le nombre P de paires de pôles est compris entre 5 et 6. Machine électrique (5, 6) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le nombre de spires par phase est entre 16 et 20 et l’onduleur/redresseur présente une tension nominale continue comprise entre 300 et 400 volts. Machine électrique (1 , 2, 3, 4) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’onduleur/redresseur présente une tension nominale de 48 volts et dans laquelle la machine électrique présente un ratio de performance égal au couple pic en Nm multiplié par la puissance mécanique pic en Watt, le tout divisé par une valeur égale au courant pic en Ampère multiplié par le nombre de spires par phase N multiplié par le diamètre externe de la machine en millimètre multiplié par la longueur de la machine en millimètre et en ce que le ratio de performance est supérieur à 0.02. Machine électrique (1 , 2, 3, 4) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la puissance mécanique est comprise entre 8 kW et 50KW et l’onduleur/redresseur est adapté pour une tension d’entrée nominale continue de 48 Volts. Machine électrique (5, 6) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la puissance mécanique est comprise entre 51 kW et 150KW et l’onduleur/redresseur est adapté pour une tension d’entrée nominale continue supérieure à 300 Volts. - an inverter/rectifier adapted in motor mode to transform a continuous nominal input voltage between a voltage of 48 Volts and a voltage of 600 Volts into alternating supply voltages of a multi-phase system for each phase of the winding and adapted in alternator mode to supply a continuous output voltage comprised between a voltage of 48 Volts and a voltage of 600 Volts, in which the winding is of the type such that the number of turns N in the stator per phase is equal to the number E of conductors in a notch, multiplied by the number P of pairs of poles multiplied by the number A of notches per pole and per phase the whole divided by the number B of electrical paths in parallel of the conductors in a notch or/and divided by the square root of three if the winding is delta-connected, characterized in that the number of turns N per phase in the stator is between 9 and 20. Electrical machine (1, 2, 5, 6) according to claim 1, in which the electrical conductors housed in a notch are branches of a hairpin, the hairpins being electrically connected by their free ends in pairs to form the winding. Electrical machine (1, 2, 3, 4) according to Claim 1, in which the number of turns N in the stator per phase is between 9 and 18, and in particular between 9 and 16, and the inverter/rectifier has a voltage nominal 48 volts. Electrical machine (1, 2) according to the preceding claim, in which the number of turns per phase is between 11 and 12, the number of phases is 6, the number P of pairs of poles is between 5 and 6 and the section of the conductors is in particular sized so that the resistance between two phase outputs is less than 13 milli ohms. Electrical machine (3) according to Claim 3, in which the number of turns per phase is between 13 and 16, the number of phases is 6, the number P of pairs of poles is between 5 and 6 and the section of the conductors is sized in particular so that the resistance between two phase outputs is less than 13 milli ohms. Electric machine (4) according to claim 3, in which the number of turns per phase is between 16 and 18, the number of phases is 3 and the number P of pairs of poles is between 5 and 6. Electric machine ( 5, 6) according to claim 1 or 2, wherein the number of turns per phase is between 16 and 20 and the inverter/rectifier has a nominal DC voltage of between 300 and 400 volts. Electric machine (1, 2, 3, 4) according to one of the preceding claims, in which the inverter/rectifier has a nominal voltage of 48 volts and in which the electric machine has a performance ratio equal to the peak torque in Nm multiplied by the peak mechanical power in Watt, all divided by a value equal to the peak current in Ampere multiplied by the number of turns per phase N multiplied by the external diameter of the machine in millimeters multiplied by the length of the machine in millimeters and in that the performance ratio is greater than 0.02. Electrical machine (1, 2, 3, 4) according to one of the preceding claims, in which the mechanical power is between 8 kW and 50 kW and the inverter/rectifier is suitable for a continuous nominal input voltage of 48 Volts . Electrical machine (5, 6) according to one of the preceding claims, in which the mechanical power is between 51 kW and 150 kW and the inverter/rectifier is suitable for a continuous nominal input voltage greater than 300 Volts.
EP22727921.3A 2021-05-10 2022-05-06 Winding based on a typology of a magnet-based synchronous rotating electric machine for self-propelled mobile device Pending EP4338260A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2104915A FR3122788A1 (en) 2021-05-10 2021-05-10 Winding according to a typology of a synchronous rotating electrical machine with magnet for a self-propelled mobile device
PCT/EP2022/062309 WO2022238256A1 (en) 2021-05-10 2022-05-06 Winding based on a typology of a magnet-based synchronous rotating electric machine for self-propelled mobile device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4338260A1 true EP4338260A1 (en) 2024-03-20

Family

ID=76807777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22727921.3A Pending EP4338260A1 (en) 2021-05-10 2022-05-06 Winding based on a typology of a magnet-based synchronous rotating electric machine for self-propelled mobile device

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4338260A1 (en)
CN (1) CN117413450A (en)
BR (1) BR112023022723A2 (en)
FR (1) FR3122788A1 (en)
WO (1) WO2022238256A1 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014223202A1 (en) * 2014-11-13 2016-05-19 Volkswagen Aktiengesellschaft Wave winding, stator and electric machine
CN105186817A (en) * 2015-08-18 2015-12-23 重庆大学 Winding design aimed at winding switching device of permanent magnet synchronous motor
US10998788B2 (en) * 2019-01-25 2021-05-04 Borgwarner, Inc. Electric machine with distributed winding having double cross end loops
CN112332565A (en) * 2020-11-10 2021-02-05 天津市松正电动汽车技术股份有限公司 Motor stator and motor

Also Published As

Publication number Publication date
BR112023022723A2 (en) 2024-01-02
WO2022238256A1 (en) 2022-11-17
FR3122788A1 (en) 2022-11-11
CN117413450A (en) 2024-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1726079B1 (en) Method of inserting an undulating winding into a stator of a polyphase rotating electrical machine, and associated stator
FR2868620A1 (en) POLYPHASE INDUCTOR FOR ROTATING ELECTRIC MACHINE, IN PARTICULAR AN ALTERNATOR FOR A MOTOR VEHICLE, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
FR2889000A1 (en) TANDEM TYPE ROTARY ELECTRIC MACHINE FOR VEHICLE
EP3602755A1 (en) Rotating electrical machine with optimised arrangement
FR2842363A1 (en) ELECTRIC ROTATING MACHINE OF STATOR COIL TYPE WITH SEQUENTIAL SEGMENT JUNCTIONS
WO2003088471A2 (en) Arrangement for operating a multi-phased and reversible rotating electrical machine associated with a heat engine of a motor vehicle
FR2814296A1 (en) Electrical machine for vehicles, comprises rotor and stator wound with two groups of separately supplied and electronically controlled coils, each group being sufficient to operate the machine
WO2001013500A1 (en) Continuously variable electromagnetic transmission
WO2005029679A1 (en) Polyphase electric turning machine such as an alternator or an alterno-starter, particularly for a motor vehicle
FR2910736A1 (en) Stator for e.g. alternator, of motor vehicle, has body including two complementary annular parts that have axial lengths respectively, and tooth alternatively integrated to one of annular parts of body
CA2873933C (en) Electrical powering system comprising an asynchronous machine and propulsion engine provided with such an electrical powering system
WO2021105593A1 (en) Rotary electric machine stator with asymmetric winding
EP4338260A1 (en) Winding based on a typology of a magnet-based synchronous rotating electric machine for self-propelled mobile device
CH715403A2 (en) Winding for electric machines.
WO2011018716A2 (en) Rotating electric machine comprising an exciter
WO2008043926A1 (en) Toothed rotor equipped with ferromagnetic interpolar elements of optimized width and rotary machine equipped with such a rotor
EP0990298A1 (en) Two-slot plane coiling method for rotating electric machine
EP3763018B1 (en) Rotating electrical machine with fractional winding
FR3075504A1 (en) STATOR FOR ROTATING ELECTRIC MACHINE
FR3056833B1 (en) ROTATING ELECTRIC MACHINE EQUIPPED WITH TWO COILS
EP1170850A1 (en) Transversal flux Vernier-effect variable reluctance dynamoelectric machine designed to receive multiple rotor exciting devices
FR3099007A1 (en) Wound stator for a rotating electric machine
EP4005066A1 (en) Rotary electric machine stator with simplified winding
FR2847739A1 (en) Rotating electric machine e.g. alternator or alternator-starter, stator winding process for vehicle, involves starting winding from conducting portions and six drivers/conductors placed in radially interned notches of stator
FR2905205A1 (en) Tubular electrical machine e.g. synchronous motor, for e.g. roller blind, has stator with one part having windings allowing to differently magnetize claws in direction of rotor rotation, where windings are included in revolution cylinder

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20231107

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR