FR2811155A1 - Asynchronous electric machine with four or more poles for use as alternator-starter in motor vehicles, uses stator tooth pitch of one and chooses stator and rotor parameter values to reduce harmonics - Google Patents
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Abstract
Description
- 1 - La présente invention concerne une machine asynchrone, et plus- 1 - The present invention relates to an asynchronous machine, and more
particulièrement une machine asynchrone ayant un nombre de pôles supérieur ou égal à quatre. Les machines asynchrones sont très largement répandues et présentent notamment pour avantage de ne pas utiliser d'aimants permanents et de pouvoir par particularly an asynchronous machine having a number of poles greater than or equal to four. Asynchronous machines are very widespread and have the particular advantage of not using permanent magnets and being able to
conséquent fonctionner plus facilement à des températures élevées. therefore operate more easily at high temperatures.
Le rotor peut être à cage, coulée ou brasée, ou bobiné. The rotor can be cage, cast or brazed, or wound.
Le stator comporte de manière conventionnelle une culasse présentant un The stator conventionally comprises a cylinder head having a
circuit d'encoches avec des dents.circuit of notches with teeth.
Les enroulements du stator sont bobinés sur le circuit d'encoches avec un pas dentaire supérieur à un, ce qui signifie qu'un enroulement est séparé par plus d'une dent The stator windings are wound on the notch circuit with a dental pitch greater than one, which means that a winding is separated by more than one tooth
entre un aller et un retour dans le circuit d'encoches. between a go and a return in the notch circuit.
Les enroulements forment, à l'extérieur de la culasse du stator, des têtes de The windings form, on the outside of the stator cylinder head,
bobine ou chignons dont l'encombrement axial est relativement important. coil or chignon whose axial size is relatively large.
Il existe un besoin pour disposer d'une machine asynchrone dont l'encombrement axial soit plus faible, afin de permettre notamment son utilisation sous le There is a need to have an asynchronous machine whose axial size is smaller, in particular to allow its use under the
capot d'un véhicule automobile, comme alterno-démarreur par exemple. hood of a motor vehicle, as an alternator-starter for example.
En outre, les têtes de bobine sont sources de pertes par effet Joule, ce qui In addition, the coil heads are sources of Joule losses, which
limite le courant maximum.limits the maximum current.
Il existe enfin un besoin pour simplifier la réalisation du stator, notamment Finally, there is a need to simplify the production of the stator, in particular
l'opération de bobinage.the winding operation.
La présente invention a pour objet une nouvelle machine asynchrone qui The present invention relates to a new asynchronous machine which
remédie à tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus. remedy all or part of the above-mentioned drawbacks.
La machine asynchrone selon l'invention est à au moins quatre pôles et se The asynchronous machine according to the invention has at least four poles and is
caractérise par le fait que le stator est bobiné avec un pas dentaire égal à un. characterized by the fact that the stator is wound with a dental pitch equal to one.
La fabrication du stator s'en trouve simplifiée, puisqu'il est plus facile de The manufacture of the stator is thereby simplified, since it is easier to
bobiner chaque enroulement sur une dent que de le bobiner de manière conventionnelle. wind each winding on a tooth than to wind it conventionally.
De plus, les têtes de bobine sont raccourcies, de sorte que l'encombrement In addition, the coil heads are shortened, so that the overall dimensions
axial du stator est réduit, de même que les pertes ohmiques associées. axial of the stator is reduced, as well as the associated ohmic losses.
Du fait de la diminution de ces dernières, on peut faire passer un courant plus Due to the decrease in these, we can pass a current more
important dans les conducteurs électriques, à pertes Joule équivalentes. important in electrical conductors, with equivalent Joule losses.
Avantageusement, le nombre de dents du stator est choisi de manière à -2- Advantageously, the number of teeth of the stator is chosen so as to -2-
éliminer les harmoniques d'espace de rang pair. eliminate space harmonics of even rank.
On choisira ainsi le nombre de dents égal à 2mp, o p désigne le nombre de We will thus choose the number of teeth equal to 2mp, where p denotes the number of
paires de pôles et m le nombre de phases. pairs of poles and m the number of phases.
Dans une réalisation préférée, la largeur angulaire relative a des dents, au niveau de l'entrefer entre le rotor et le stator, est choisie de manière à minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang impair, supérieur ou égal à un rang limite prédéterminé, In a preferred embodiment, the angular width relative to the teeth, at the air gap between the rotor and the stator, is chosen so as to minimize the rate of space harmonics of odd rank, greater than or equal to one row predetermined limit,
de préférence les harmoniques d'espace de rangs 11 et 13 pour une machine triphasée. preferably the space harmonics of rows 11 and 13 for a three-phase machine.
Toujours dans une réalisation préférée, l'inclinaison ai des barres ou faisceaux de conducteurs électriques dans chaque encoche du rotor et le nombre d'encoches du rotor sont choisis pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang impair inférieur ou égal au rang limite précité, et de préférence pour minimiser le taux d'harmoniques Still in a preferred embodiment, the inclination ai of the bars or bundles of electrical conductors in each notch of the rotor and the number of notches of the rotor are chosen to minimize the rate of space harmonics of odd rank less than or equal to the rank aforementioned limit, and preferably to minimize the level of harmonics
d'espace de rangs 5 et 7 pour une machine triphasée. of rows 5 and 7 space for a three-phase machine.
Avantageusement, on choisira le nombre d'encoches du rotor pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang 7 et leur inclinaison pour minimiser le taux Advantageously, the number of notches in the rotor will be chosen to minimize the rate of rank 7 space harmonics and their inclination to minimize the rate.
d'harmoniques d'espace de rang 5.5th row space harmonics.
Dans une réalisation particulière de machine asynchrone multiphasée à 2p pôles, p supérieur ou égal à 2, on choisit a voisin de 0,5, o a correspond à la largeur angulaire relative d'une dent du stator au niveau de l'entrefer, le nombre d'encoches du rotor Nr égal à 7p et l'inclinaison aci égale à 2n/5p, l'inclinaison ai étant l'angle autour de l'axe du rotor dont a tourné l'une des extrémité d'une encoche par rapport à l'autre extrémité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la In a particular embodiment of an asynchronous multiphase machine with 2p poles, p greater than or equal to 2, we choose a neighbor of 0.5, where it corresponds to the relative angular width of a stator tooth at the air gap, the number of rotor notches Nr equal to 7p and the inclination aci equal to 2n / 5p, the inclination ai being the angle around the axis of the rotor from which one end of a notch has turned relative to the other extremity. Other characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the
lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple non limitatif de réalisation, reading of the detailed description which follows, of a nonlimiting example of embodiment,
et à l'examen du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique, en coupe, d'une machine asynchrone, - la figure 2 représente, isolément et de manière schématique, la carcasse magnétique du rotor, et la figure 3 représente l'évolution du taux d'harmoniques d'espace de rangs and on examining the appended drawing, in which: - Figure 1 is a schematic sectional view of an asynchronous machine, - Figure 2 shows, in isolation and schematically, the magnetic carcass of the rotor, and the figure 3 represents the evolution of the harmonic ratio of row space
11 et 13 en fonction de la largeur angulaire relative a des dents au niveau de l'entrefer. 11 and 13 as a function of the angular width relative to teeth at the air gap.
La machine asynchrone 1 représentée sur la figure 1 comporte un stator 2 et un rotor 3, d'axe X. Cette machine 1 est ici une machine triphasée à huit pôles et le stator 3- The asynchronous machine 1 represented in FIG. 1 comprises a stator 2 and a rotor 3, of axis X. This machine 1 is here a three-phase machine with eight poles and the stator 3-
comporte vingt-quatre dents 4 servant chacune de noyau à un enroulement 5. has twenty-four teeth 4 each serving as a core for a winding 5.
Les encoches 8 formées entre les dents 4 reçoivent les enroulements 5. The notches 8 formed between the teeth 4 receive the windings 5.
Le rotor 3 comporte des barres conductrices non représentées sur les figures, The rotor 3 includes conductive bars not shown in the figures,
s'étendant chacune dans une encoche 7. each extending into a notch 7.
Ces barres sont reliées à leurs extrémités axiales par des anneaux conducteurs. Les encoches 7 tournent d'un angle aci autour de l'axe X d'une extrémité axiale These bars are connected at their axial ends by conductive rings. The notches 7 rotate by an angle aci around the axis X of an axial end
7a à l'autre 7b.7a to the other 7b.
La largeur angulaire relative a de chaque dent, mesurée autour de l'axe X au niveau de l'entrefer 6, est choisie conformément à l'invention pour minimiser le taux The relative angular width a of each tooth, measured around the axis X at the air gap 6, is chosen in accordance with the invention to minimize the rate
d'harmoniques d'espace de rangs 11 et 13. of row 11 and 13 space harmonics.
De manière générale, les harmoniques d'espace du champ magnétique dans l'entrefer sont donnés par la formule simplifiée suivante +oo 2V'2mN H(0) = E sin(nta/2m) Ih cos(ho)t-npO), n appartenant à Z*-E n=-oo ne In general, the space harmonics of the magnetic field in the air gap are given by the following simplified formula + oo 2V'2mN H (0) = E sin (nta / 2m) Ih cos (ho) t-npO), n belonging to Z * -E n = -oo ne
o E représente l'ensemble des entiers pairs ou multiples de m. o E represents the set of even or multiple integers of m.
Cette formule est obtenue en prenant comme hypothèses simplificatrices un entrefer constant, une perméabilité infinie du circuit magnétique et l'absence de franges This formula is obtained by taking as simplifying hypotheses a constant air gap, an infinite permeability of the magnetic circuit and the absence of fringes
de flux.flow.
Dans cette formule, m correspond au nombre de phases, N au nombre de spires, n est l'ordre de l'harmonique d'espace, h l'ordre de l'harmonique de temps, p le nombre de paires de pôles, 0 la position angulaire autour de l'axe X du rotor et e la largeur de l'entrefer séparant le stator du rotor, cta est un rapport sans unité qui représente la largeur angulaire dentaire relative, laquelle correspond à la largeur angulaire d'une dent 4 du stator au niveau de l'entrefer 6 divisée par la largeur angulaire d'un pôle complet constitué d'une dent 4 et des deux demi-encoches 8 qui l'entourent et dans lesquelles se In this formula, m corresponds to the number of phases, N to the number of turns, n is the order of the space harmonic, h the order of the time harmonic, p the number of pairs of poles, 0 the angular position around the axis X of the rotor and e the width of the air gap separating the stator from the rotor, cta is a unitless ratio which represents the relative dental angular width, which corresponds to the angular width of a tooth 4 of the stator at the air gap 6 divided by the angular width of a complete pole consisting of a tooth 4 and the two half-notches 8 which surround it and in which are
logent les conducteurs 5 de la bobine. house the conductors 5 of the coil.
at = m p 1 o ô désigne la largeur angulaire d'une dent 4 au niveau de at = m p 1 o ô denotes the angular width of a tooth 4 at the level of
Tn l'entrefer 6, en radians.Tn the air gap 6, in radians.
Pour éliminer un harmonique d'espace de rang n, on choisit at de telle sorte -4- que: sin nrta/2m = 0, soit nua/2m = r, ce qui conduit à 2m To eliminate a space harmonic of rank n, we choose at such that -4- that: sin nrta / 2m = 0, or nua / 2m = r, which leads to 2m
a = (1).a = (1).
n Pour une machine triphasée, on voit qu'en choisissant a = 6/11 on élimine lharmonique d'espace de rang 11 et en choisissant a = 6/13 on supprime l'harmonique n For a three-phase machine, we see that by choosing a = 6/11 we eliminate the harmonic of rank 11 space and by choosing a = 6/13 we remove the harmonic
d'espace de rang 13.of row space 13.
On choisit a de manière à réduire le taux -r des harmoniques de rangs 11 et 13, défini par: sin2(nnra/6) À= -v);n E {11;13} n n2sin2(!ac/6) We choose a so as to reduce the rate -r of the harmonics of ranks 11 and 13, defined by: sin2 (nnra / 6) À = -v); n E {11; 13} n n2sin2 (! Ac / 6)
On a représenté sur la figure 3 l'évolution de -r en fonction du paramètre a. FIG. 3 shows the evolution of -r as a function of the parameter a.
On voit sur cette figure que r est minimum pour a = 0,5. We see in this figure that r is minimum for a = 0.5.
On remarquera que les harmoniques d'espace de rangs 11 et 13 sont atténués Note that the space harmonics of rows 11 and 13 are attenuated
quel que soit le nombre de pôles de la machine. regardless of the number of poles on the machine.
Par ailleurs, le flux du rang d'espace n de l'ordre de temps h à travers un kim cadre du rotor formé par deux barres adjacentes et par les portions d'anneaux qui les relient est donné par la formule Bn,hDL sin(npao/2) 4n,h = sin[npnt/Nr] X X np npaJ/2 COS(g.,hwst-np Ok) (2) Furthermore, the flow of the space rank n of the order of time h through a frame kim of the rotor formed by two adjacent bars and by the portions of rings which connect them is given by the formula Bn, hDL sin ( npao / 2) 4n, h = sin [npnt / Nr] XX np npaJ / 2 COS (g., hwst-np Ok) (2)
avec les mêmes hypothèses simplificatrices que précitées. with the same simplifying assumptions as above.
Dans cette formule Bn,h désigne l'induction de rang d'espace n et d'ordre de temps h, D désigne le diamètre extérieur du rotor, L sa longueur, Nr le nombre d'encoches du rotor, ai l'inclinaison des encoches du rotor, gn, h le glissement relatif au rang d'espace n de l'ordre de temps h soit gnh = 1 - n (1 - g) o g désigne le glissement du rotor et Ok est h - In this formula Bn, h denotes the induction of space rank n and time order h, D denotes the outside diameter of the rotor, L its length, Nr the number of notches in the rotor, ai the inclination of the notches of the rotor, gn, h the sliding relative to the rank of space n of the order of time h is gnh = 1 - n (1 - g) og denotes the sliding of the rotor and Ok is h -
la position angulaire de l'axe du kieme cadre à l'origine du temps. the angular position of the axis of the kieme frame at the origin of time.
D'après la formule (2) figurant plus haut, on voit qu'il est possible d'éliminer les effets permanents de l'harmonique d'espace de rang n. c'est-à-dire son flux à travers le rotor, si l'on choisit le nombre d'encoches du rotor de telle sorte que sin(npx/Nr) = 0, soit npn/N, = a, ce qui conduit à: Nr = np (3) On voit également que l'on peut éliminer les effets permanents d'un harmonique d'espace de rang n' en choisissant ai tel que sin(2n'pctdj/2) = 0, soit n'pa./2 = A, ce qui conduit à: Ci = 23/n'p (4) From formula (2) above, we can see that it is possible to eliminate the permanent effects of the space harmonic of rank n. i.e. its flux through the rotor, if we choose the number of notches in the rotor so that sin (npx / Nr) = 0, or npn / N, = a, which leads to: Nr = np (3) We also see that we can eliminate the permanent effects of a space harmonic of rank n 'by choosing ai such that sin (2n'pctdj / 2) = 0, let n' pa./2 = A, which leads to: Ci = 23 / n'p (4)
De préférence, on choisira le nombre Nr le plus élevé possible. Preferably, the highest possible number Nr will be chosen.
Ainsi, pour une machine à huit pôles, on choisira le nombre Nr égal à 28, ce So, for a machine with eight poles, we will choose the number Nr equal to 28, this
qui permet de réduire les effets permanents de l'harmonique d'espace de rang 7. which reduces the permanent effects of the harmonic space of rank 7.
Pour éliminer les effets permanents de l'harmonique de rang 5, on choisira To eliminate the permanent effects of the harmonic of rank 5, we will choose
l'angle cti égal à 2n/40.the angle cti equal to 2n / 40.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient Of course, the invention is not limited to the embodiment which comes
d'être décrit.to be described.
On peut notamment mettre en ouvre l'invention dans une machine à plus ou One can in particular implement the invention in a machine more or
moins de huit pôles.less than eight poles.
Lorsque la machine comporte moins de huit pôles, c'est-à-dire quatre ou six pôles, il est préférable que la vitesse de rotation du rotor soit élevée, par exemple supérieure ou égale à 6000 trs/mn, et que la machine fonctionne avec un couple et une induction relativement faibles -6- When the machine has less than eight poles, that is to say four or six poles, it is preferable that the rotational speed of the rotor be high, for example greater than or equal to 6000 rpm, and that the machine is operating with relatively low torque and induction -6-
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| TP | Transmission of property |