FR2786041A1 - Stator inducteur pour machine electrique tournante, notamment pour moteur electrique - Google Patents

Abstract

Le stator (6) prend la forme d'une bague généralement cylindrique propre à envelopper latéralement ledit rotor (1) avec jeu, ladite bague comprenant deux pièces (71 , 72 ) métalliques en forme de tuile disposées symétriquement par rapport à l'axe (X) de la bague, lesdites pièces (71 , 72 ) étant au moins partiellement enrobées dans un matériau comportant des particules magnétiques orientées et complétant le remplissage de ladite bague.

Description

La présente invention est relative à un stator inducteur pour machine tournante, plus particulièrement pour moteur électrique, et à un procédé de fabrication de ce stator.

On a représenté à la figure 1 du dessin annexé une coupe transversale d'un moteur électrique d'un type bien connu, à alimentation en courant continu par exemple, comprenant un stator 1 et un rotor 2 monté à rotation dans le stator, entre deux paliers (non visibles sur la coupe de la figure 1) solidaires du stator 1.

Celui-ci est constitué d'une carcasse métallique 31, 32, généralement cylindrique, sur la paroi intérieure de laquelle sont fixés au moins deux aimants permanents 41, 42, par des agrafes et/ou par collage. Chaque aimant prend la forme d'une tuile ou coque incurvée comme la paroi de carcasse sur laquelle il est fixé, et les deux aimants sont placés symétriquement en regard l'un de l'autre, à l'intérieur de la carcasse 31, 32, dans l'espace annulaire séparant celle-ci de la surface extérieure du rotor 2. De tels moteurs électriques sont largement utilisés dans des appareils fabriqués en grande série tels que les ventilateurs, pompes, lève-vitres, etc... qui équipent les véhicules automobiles.

L'amélioration de la qualité de ces moteurs électriques, de la productivité de leurs lignes de fabrication et l'abaissement de leur prix de revient de fabrication se heurtent actuellement à un certain nombre de problèmes difficilement résolus concernant d'une part les procédés de fabrication et de montage des éléments dans la carcasse et, d'autre part la conception d'ensemble actuelle du stator.

En effet, les aimants (par exemple du type "ferrites") sont actuellement fabriqués par moulage et frittage, soit par des procédés physico-chimiques lourds et de mise en oeuvre délicate. Les aimants ainsi obtenus doivent en outre faire l'objet d'opérations de rectifications mécaniques pour minimiser l'entrefer séparant les aimants 41, 42 de la carcasse 31, 32 sur laquelle ils sont fixés. Ces opérations, réalisées à la meule de forme, s'avèrent très délicates en raison de la fragilité des aimants obtenus par frittage. Il en résulte des pertes de fabrication qui grèvent le prix de revient de l'opération. En outre, la rectification ne permet pas de supprimer complètement l'entrefer en question dont la forte réluctance agit défavorablement sur le flux magnétique qui le traverse pour se fermer en passant dans la carcasse 31, 32. La rectification ne permet pas non plus de supprimer 1'entrefer F qui sépare la surface des aimants 41, 42 du rotor 2, entrefer qui grève également le flux magnétique créé par les aimants. La rectification implique en outre une tolérance sur les cotes des pièces usinées qui provoque une dispersion du positionnement angulaire des aimants, et, par contrecoup, une dispersion supplémentaire des performances du moteur par rapport aux performances nominales.

Quand la carcasse du stator et/ou les paliers du support du rotor sont réalisés par des opérations d'emboutissage et/ou de découpe, on doit en outre donner à l'entrefer F une largeur suffisante, avec les conséquences négatives que cela implique sur la réluctance du circuit magnétique, pour tenir compte de dispersions éventuelles de la position du rotor entre les aimants.

La fragilité des aimants évoquée plus haut implique aussi des casses, ébréchures, etc... lors de leur mise en place et fixation sur la carcasse, voire la formation de copeaux ou de particules métalliques polluantes, formés par le frottement des aimants sur la carcasse lors de cette mise en place. Une casse des aimants alors que le moteur est mis en service peut en outre provoquer le blocage du rotor, voire un début d'incendie.

Enfin, en ce qui concerne les procédés actuels de fabrication du stator, les variations de qualité de l'assemblage des pièces qui le constituent provoquent des variations dans les fréquences propres de la carcasse du moteur complet, ces variations pouvant faire perdre leur efficacité aux organes anti-vibrations interposés entre le moteur et l'appareil animé par ce moteur.

Comme on l'a indiqué plus haut, l'optimisation de la fabrication et de l'assemblage des stators se heurte aussi à des difficultés tenant à la conception d'ensemble actuelle de ces stators.

Celle-ci fait intervenir, à la fois pour supporter les aimants et assurer le bouclage du flux magnétique de ces aimants, une carcasse d'épaisseur sensiblement constante sur toute sa périphérie, comme c'est le cas de celle représentée à la figure 1, constituée de deux bagues d'acier 31, 32, concentriques et accolées.

Or, le bouclage du flux magnétique n'exige pas une telle constance de l'épaisseur de la carcasse, ce bouclage n'intervenant que sur certaines parties de cette carcasse seulement. Dans sa conception actuelle, la carcasse est donc exagérément épaisse là où elle ne conduit pas le flux magnétique.

C'est le cas en particulier de la carcasse 31, 32 représentée à la figure 1, réalisée par assemblage de deux bagues accolées faisant apparaître à leur interface un jeu générateur d'une réluctance supplémentaire dans le circuit magnétique et de mouvements ou vibrations pouvant dégrader la"signature"vibro-acoustique du moteur ou autres machines tournantes incorporant un tel stator.

Enfin, du fait des discontinuités magnétiques qui résultent de leur forme propre, les aimants sont à l'origine de variations du couple délivré par le moteur, dues à un"couple réluctant"qui dégradent aussi cette signature vibro-acoustique. Pour atténuer ce phénomène, on"détalonne"les aimants 41/42 à leurs extrémités angulairement opposées comme représenté à la figure 1 où il apparaît que ces extrémités sont d'épaisseur progressivement réduite pour atténuer ainsi les discontinuités précitées, ceci au détriment du flux délivré par ces aimants, le jeu stator/rotor passant alors de la valeur F à la valeur G sensiblement supérieure.

La présente invention a donc pour but de réaliser un stator inducteur pour machine tournante telle qu'un moteur électrique, qui ne présente pas les inconvénients évoqués ci-dessus des stators inducteurs de la technique antérieure.

Plus précisément, la présente invention a pour but de réaliser un stator inducteur de conception révolutionnaire propre à réduire la quantité de métal présent dans ledit stator, à supprimer les jeux d'entrefer observés dans les stators actuels entre les aimants et la carcasse qui les supporte, ceci de manière à réduire les pertes magnétiques par la suppression de celles dues à ce jeu, à éliminer les mouvements ou vibrations des aimants et accroître la précision des pièces constituant le stator ainsi que la précision de 1'entrefer stator/rotor, ceci au bénéfice des performances de la machine tournante et de son prix de revient de fabrication.

La présente invention a aussi pour but de fournir un procédé de fabrication d'un tel stator.

On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un stator inducteur pour machine électrique tournante, notamment pour moteur électrique, comprenant en outre un rotor monté à rotation dans le stator, coaxialement à celui-ci, ledit stator étant remarquable en ce qu'il prend la forme d'une bague généralement cylindrique propre à envelopper latéralement ledit rotor avec jeu, ladite bague comprenant au moins deux pièces métalliques en forme de tuile, disposées symétriquement par rapport à l'axe de la bague, lesdites pièces étant au moins partiellement enrobées dans un matériau comportant des particules magnétiques orientées complétant le remplissage de ladite bague.

Comme on le verra plus loin, le stator suivant la présente invention permet de supprimer des jeux générateurs de vibrations et de pertes magnétiques, et donc d'améliorer les performances du moteur tout en abaissant son prix de revient de fabrication.

Suivant d'autre caractéristiques du stator suivant l'invention, les particules magnétiques formant partie du matériau précité sont noyées dans une matière plastique faisant fonction de liant. Les pièces métalliques en forme de tuiles sont constituées de poudre de fer ou d'acier, moulée, éventuellement frittée. Elles peuvent aussi tre formées par cambrage de tôle.

Selon le procédé de fabrication du stator suivant l'invention, a) on fixe au moins deux pièces métalliques en forme de tuile dans des positions prédéterminées, à l'intérieur d'un moule conformé comme la bague à réaliser, b) on établit dans le moule un champ magnétique d'orientation prédéterminée, c) on coule ledit matériau comportant des particules magnétiques dans le moule de manière à enrober au moins partiellement lesdites pièces et d) on retire le stator formé dans le moule après orientation desdites particules et durcissement dudit matériau.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel :
-la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un moteur électrique de la technique antérieure, décrit en préambule de la présente description,
-la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un moteur électrique comprenant un premier mode de réalisation du stator inducteur suivant la présente invention, et
-les figures 3 à 6 sont des vues en coupe transversale de moteurs électriques comprenant d'autres modes de réalisation du stator inducteur suivant l'invention, faisant apparaître diverses caractéristiques optionnelles de ce stator.

On se réfère à la figure 1 du dessin annexé où le moteur électrique représenté comprend généralement, comme celui de la figure 1, un rotor 1, monté à rotation dans un stator 6 suivant l'invention. A la figure 2 et aux suivantes, des références numériques identiques repèrent des éléments ou organes identiques ou analogues.

Le stator 6 représenté prend la forme d'une bague généralement cylindrique comprenant, dans le mode de réalisation représenté, une paire de pièces métalliques 71/72 en forme de tuile ou coque, de courbure suivant celle de la bague et disposées symétriquement dans celleci par rapport à l'axe X de la bague, avec leurs faces extérieures confondues avec celles de la bague.

Les pièces 71, 72 sont maintenues dans la position représentée par un matériau remplissant le volume 8 de la bague qui n'est pas occupé par ces pièces, qui sont alors au moins partiellement enrobées par ce matériau.

Suivant l'invention, le matériau remplissant le volume 8 est, à titre d'exemple illustratif et non limitatif seulement, une matière plastique moulable chargée de particules magnétiques orientées, la matière plastique faisant ainsi fonction de liant. A l'interface entre cette matière et les pièces métalliques, la matière plastique s'accroche dans les pores de ces pièces, en assurant ainsi la solidité de leur assemblage.

Toujours à titre d'exemple illustratif et non limitatif, ladite matière plastique peut tre constituée par un polyamide tel que PA6, PA66, un polyester tel que PBT (polytéréphtalate de butylène), etc....

Pour constituer le matériau remplissant le volume 8, on mélange à une telle matière plastique à l'état fondu, une poudre de particules magnétiques aimantables constituée de ferrites, ou un mélange incorporant des terres rares, tel qu'un mélange de samarium et de cobalt, un mélange de néodyme, fer et bore, par exemple. Le matériau est ensuite formé en granulés pour tre utilisé enfin dans des machines de moulage par injection.

D'autres matériaux connus pour tre propres à constituer des aimants permanents pourraient tre utilisés.

Pour réaliser le stator représenté à la figure 2 suivant le procédé selon l'invention, on place dans un moule conformé comme le stator 6, deux pièces métalliques 71, que l'on fixe dans les positions représentées à la figure 2. Après avoir fermé le moule, on injecte dans celui-ci un mélange fluide de matière plastique et de poudre aimantable tel que décrit ci-dessus. Des moyens de génération d'un fort champ magnétique (non représentés) sont disposés autour du moule de manière à établir dans le moule un champ magnétique d'orientation prédéterminée.

Ces moyens de génération sont excités pendant que le mélange introduit dans le moule est encore fluide, de manière que les particules magnétiques s'orientent alors dans le sens du champ établi. Après refroidissement et durcissement de la matière plastique, les particules magnétiques sont figées dans la direction qui permet de disposer les pôles nord N et sud S du stator inducteur comme représenté à la figure 2 où ces pôles sont disposés symétriquement par rapport à l'axe X, dans le plan de symétrie P du stator. On a également représenté à la figure 2, en trait interrompu, l'allure générale des lignes de champs du circuit magnétique d'un moteur complet, équipé du stator suivant l'invention.

Les pièces métalliques 71, 72 peuvent elles-mmes tre fabriquées par moulage et compression d'une poudre de fer ou d'acier, et éventuellement frittage. Elles peuvent aussi tre formées par cambrage de tôle, comme représenté à la figure 3 où la tôle utilisée présente une épaisseur uniforme. Les bords (711, 72) et (7"1, 7"2) distants annulairement de chaque pièce 71, 72 respectivement du mode de réalisation de cette figure 3, peuvent alors tre cambrés plus fortement vers l'intérieur du stator pour faciliter l'accrochage du matériau d'enrobage qui remplit le volume 8. D'autres moyens d'accrochage peuvent tre prévus tels que les cambrures moulées 711, 7'2, 7"1, 7"2 des pièces métalliques du stator de la figure 2, ou des trous 9 percés dans les pièces métalliques pour qu'ils se remplissent du matériau moulé dans le volume 8 (voir les figures 2 et 3).

On remarquera que les stators ainsi obtenus, représentés aux figures 2 et 3, prennent une forme monobloc cylindrique de révolution. Il est clair que la technique de moulage utilisée permettrait d'obtenir aisément d'autres formes.

On remarquera que les pièces métalliques 71, 72 du mode de réalisation représenté à la figure 2 sont plus épaisses dans le plan C des lignes de commutation de polarité de la matière aimantée, ce qui est favorable à la canalisation du flux dans la zone de commutation du champ. En outre, le stator étant d'épaisseur constante, il en résulte une moindre épaisseur de la matière aimantée à ce niveau, et donc une économie de cette matière.

Dans le mme ordre d'idées, il apparaît qu'au niveau des pôles nord N et sud S, la bague constituant le stator est vide de la matière des pièces métalliques 71,7z.

Quand celles-ci sont fabriquées par compression de poudre métallique, il en résulte une économie de cette poudre.

L'économie de matière est aussi obtenue avec les tôles cambrées du mode de réalisation de la figure 3.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la réalisation d'un stator bi-polaire comme le sont ceux des figures 2 et 3. Bien au contraire, elle permet de réaliser des stators multipolaires, simplement en insérant dans le moule un nombre correspondant de paires de pièces métalliques avant la coulée de la matière plastique fluide chargées de particules magnétiques. A titre d'exemple illustratif et non limitatif, on a ainsi représenté à la figure 4 un stator quadripolaire comportant deux paires de pièces métalliques (71/72) et (73,74) disposées symétriquement autour de l'axe X dudit stator 6. On a également représenté sur cette figure les lignes de force du champ magnétique dans un moteur comprenant un tel stator.

On connaît des moteurs électriques dont les encoches du rotor sont inclinées sur l'axe de celui-ci, ceci pour diminuer le couple réluctant (ou couple d'encochage) évoqué plus haut, permettant ainsi à ces encoches de passer plus progressivement la ligne neutre, ou zone de commutation, ce qui permet de diminuer le bruit généré par ce passage. L'encochage"oblique"du rotor complique évidemment les opérations de bobinage de ce rotor.

La présente invention permet de supprimer cet inconvénient. En effet, pendant l'opération de moulage, il est possible d'orienter les particules magnétiques dans une direction D inclinée sur celle de l'axe X du rotor, comme illustré à la figure 5, par une simple rotation convenable des moyens générateurs de champ magnétique. On obtient ainsi le mme franchissement progressif des zones de commutation qu'avec un rotor à encoches inclinées, ce qui permet de supprimer cette dernière inclinaison et les inconvénients qui en résultent lors du bobinage du rotor.

La technique de moulage utilisée dans la présente invention permet aussi de donner aisément au stator la forme illustrée à la figure 6 où il apparaît que le section de la paroi interne 10 de la bague prend la forme d'une ellipse qui amincit l'enrobage de matériau aimanté au niveau des zones de commutation, voisines du plan C.

Ainsi, on adoucit encore ladite commutation.

Il apparaît maintenant que l'invention permet bien d'atteindre les buts fixés, à savoir réduire les quantités de métal nécessaires à la canalisation du flux magnétique, tout en supprimant, grâce à l'enrobage des pièces métalliques par un matériau plastique, les jeux autrement observés entre aimants et carcasse, ou dans les carcasses à double épaisseur de tôle. On obtient ainsi une réduction des pertes magnétiques et une suppression des micromouvements ou vibrations dus à ces jeux. Il en résulte un stator inducteur de précision dimensionnelle accrue, permettant, de manière favorable, de diminuer l'entrefer entre le stator et le rotor.

Claims (11)

1. 1. Stator inducteur pour machine électrique tournante, notamment pour moteur électrique, comprenant en outre un rotor (1) monté à rotation dans le stator (6), coaxialement à celui-ci, caractérisé en ce que ledit stator (6) prend la forme d'une bague généralement cylindrique propre à envelopper latéralement ledit rotor (1) avec jeu, ladite bague comprenant au moins deux pièces métalliques (71,72) en forme de tuile disposées symétriquement par rapport à l'axe (X) de la bague, lesdites pièces (71/72) étant au moins partiellement enrobées dans un matériau comportant des particules magnétiques orientées complétant le remplissage de ladite bague.

   REVENDICATIONS
2. 2. Stator conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites particules sont noyées dans une matière plastique faisant fonction de liant.
3. 3. Stator conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière plastique est choisie parmi un polyamide et un polyester.
4. 4. stator conforme à l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que lesdites particules magnétiques sont constituées en un matériau du groupe formé par : les ferrites, un mélange de samarium et de cobalt, un mélange de néodyme, fer et bore.
5. 5. Stator conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites pièces métalliques (71, 72) en forme de tuile sont constituées de poudre de fer ou d'acier, moulée, éventuellement frittée.
6. 6. Stator conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites pièces métalliques (71, 72) sont formées par cambrage de tôle.
7. 7. Stator conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites pièces métalliques comportent des moyens d'accrochage (7'i ; 7"i) de la matière d'enrobage chargée de particules magnétiques.
8. 8. Stator conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les lignes neutres du matériau chargé de particules magnétiques orientées sont inclinées sur l'axe (X) du stator.
9. 9. Stator conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enrobage de matériau aimanté est aminci aux zones de transition entre pôles.
10. 10. Procédé de fabrication de stator conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que a) on fixe au moins deux pièces métalliques (71, 72) en forme de tuile dans des positions prédéterminées, à l'intérieur d'un moule conformé comme la bague à réaliser, b) on établit dans le moule un champ magnétique d'orientation prédéterminée, c) on coule ledit matériau comportant des particules magnétiques dans le moule de manière à enrober au moins partiellement lesdites pièces et d) on retire le stator (6) formé dans le moule après orientation desdites particules et durcissement dudit matériau.
11. 11. Moteur électrique comportant un rotor et un stator conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.