FR2946811A1 - Stator pour generatrice electrique - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un stator (1 ) pour génératrice électrique comportant un disque en matériau magnétique comprenant une pluralité d'éléments (2, 17) en matériau magnétique composite agencés de façon annulaire autour de l'axe du stator (1 ) caractérisé en ce que chacun de ces éléments (2, 17) comporte des moyens de solidarisation entre éléments (2, 17) adjacents constitués par des portions (15, 16, 17) d'éléments (2, 17) de formes complémentaires formant des surfaces de contact, et en ce que ces surfaces de contact sont agencés de façon transversale aux lignes de champ magnétique créé dans le disque lors du fonctionnement de la génératrice ainsi qu'un procédé de fabrication d'un stator (1) comportant une pluralité d'éléments (2, 17) en matériau magnétique composite comprenant les étapes de compactage des éléments (2, 17) sous pression de sorte à obtenir des moyens de solidarisation entre éléments (2, 17) adjacents constitués par des portions (15, 16, 17) d'éléments (2, 17) de formes complémentaires formant des surfaces de contact, assemblage des éléments (2, 17) pour former le stator (1 ), recuit des éléments (2, 17) ainsi assemblés dans un four à une température comprise entre 200°C et une température maximale permettant une consolidation mécanique et une optimisation des performances magnétiques et électriques.

Description

La présente invention concerne un stator pour génératrice électrique de préférence pour éolienne à flux axial ainsi que son procédé de fabrication. Une génératrice électrique pour éolienne est une machine à induction synchrone ou asynchrone qui transforme de l'énergie mécanique provenant de la rotation des pâles due à l'action du vent, en énergie électrique fournie au réseau. A ce sujet, il a été montré que la configuration en flux axial de l'ensemble rotor-stator est la plus appropriée pour des applications évoluant à de faibles vitesses mais fournissant un fort couple. Cette configuration comporte généralement un rotor mobile en vis-à-vis d'un stator fixe mais peut également comporter une pluralité de sous-ensemble de rotors et de stators disposés selon le même axe. Dans le cas des machines synchrones, le ou les rotors sont chargés de produire un champ magnétique variable dans le stator. Il en résulte une force électromotrice induite dans le stator de la génératrice. Dans le cas des machines asynchrones, lorsque la vitesse de rotation du rotor dépasse la vitesse synchrone de la génératrice, le stator commence à induire un courant dans le rotor. Ce sont les circuits inducteurs de la force électromotrice induite dans le rotor de la génératrice qui comprennent le circuit induit.

A cet effet, les stators peuvent être constitués par un matériau magnétique permanent comme un aimant Néodyme-Fer-Bore, mais cette configuration ne permet pas de variation du champ magnétique des stators. Les stators peuvent également être constitués par une succession d'électro-aimants formés par enroulements successifs de bobinages autour de portions ferromagnétiques du stator et qui permettent ainsi la variation du courant dans ces bobinages afin d'ajuster la valeur du champ magnétique créé et donc l'induction de force électromotrice produite dans l'induit. Dans une configuration à flux axial ou radial, le stator est constitué respectivement par un empilement ou un emboîtement de fines tôles ferromagnétiques isolées électriquement les unes des autres par des procédés de vernissage ou d'oxydation. Dans une configuration à flux radial, toutes les tôles sont planes et identiques tandis que dans une configuration à flux axial les tôles sont toutes de forme cylindriques et de diamètre différent. Cette configuration en empilement ou emboîtement de tôles a longtemps permis d'améliorer l'uniformisation du champ magnétique du stator et ainsi de diminuer les pertes par courant de Foucault, c'est-à-dire le flux magnétique traversant les tôles. Dans les stators à champ variable, des découpes sont effectuées sur chaque tôle afin que leur empilement ou emboîtement forme des encoches permettant d'y loger les enroulements du bobinage électrique du stator. Ce type de stator présente l'avantage d'être facilement réalisable et reste largement employé dans l'industrie malgré le fait qu'il ne permette pas d'obtenir un champ magnétique uniforme sur toute la circonférence du stator et ne permette donc pas d'annuler les courants de Foucault.

Depuis, la découverte de nouveaux matériaux a permis de réaliser des avancés dans ce domaine. Le document WO04004092A présente un stator dans une configuration radiale, réalisé à partir de la méthode dite de compression d'une poudre. Cette poudre est constituée d'un mélange de matériau magnétique composite (SMC) formé de particules de fer de diamètre inférieur à 1 millimètre sur lesquelles est déposée une couche de matériau isolant. Les propriétés électromagnétiques et mécaniques de ce matériau dépendent essentiellement du type de poudre utilisé et donc du mélange particules-isolant pouvant également contenir des lubrifiants et des liants contribuant au procédé de fabrication. Ces propriétés dépendent donc également des paramètres du procédé de fabrication incluant la pression de compactage, le traitement thermique employé et l'utilisation de lubrifiants. Par suite, il a été montré que sous certaines conditions notamment de fréquence d'utilisation, un circuit magnétique à base de matériau magnétique composite était capable de réduire les pertes par courant de Foucault d'une façon plus significative qu'une structure laminaire. Ce résultat est largement imputable au profilage en trois dimensions que présente un matériau magnétique composite contrairement à celui d'une structure laminaire dont les propriétés physiques sont uni ou bidimensionnelles. Par ailleurs, il est possible mais très couteux de concevoir un stator monobloc, surtout par la méthode dite de compression d'une poudre. Il est donc avantageux de presser un stator en plusieurs éléments pouvant être ensuite assemblés entre eux. Le stator est donc constitué de plusieurs éléments disposés les uns à côté des autres de façon annulaire autour de l'axe de symétrie du stator coaxial à l'axe de rotation du rotor. Ces éléments, généralement en forme de trapèzes voutés en direction de l'axe du stator sont communément maintenus entre eux par l'action de la carcasse de la génératrice sur la partie périphérique extérieure de ces éléments. De plus, cet agencement laisse apparaitre une discontinuité au niveau de l'interface entre deux éléments adjacents, occasionnant ainsi des pertes par courants de Foucault. De plus, dans le cas d'une génératrice électrique où un champ magnétique variable est appliqué sur un stator, des forces magnétiques variables de forte intensité, suivant la puissance de la génératrice, sont générées sur le rotor et le stator. Ces forces variables induisent une vibration magnétique sur le rotor et le stator qui peut induire un phénomène de fatigue thermomécanique. Dans le cas d'un stator composé de plusieurs éléments, ces vibrations peuvent désolidariser et même briser les éléments unitaires si ceux-ci ne sont pas assez solides et fixés solidement entre eux. Ces discontinuités entre éléments et fragilités d'éléments sont en fait intrinsèquement dues au procédé actuel de fabrication de ces éléments. En effet, ces pièces sont réalisées par compression dans un moule. Cependant, cette compression est appliquée suivant un seul axe et il est ainsi difficile de réaliser un épaulement transversal à l'axe de poussé ayant la même résistance mécanique que le reste de l'élément. De plus, les pressions de compaction nécessaires à l'obtention de pièces magnétiques de bonne qualité peuvent être élevées. Par exemple, certaines pièces fabriquées à partir de poudre magnétique requièrent une pression de l'ordre de 6,5 tonnes/cm2. De plus, pour concevoir en une fois une pièce magnétique de 30 cm de diamètre, des pièces d'au moins 700 tonnes sont nécessaires. Ceci implique l'utilisation de moules résistants aux hautes pressions et de presses très performantes qui sont rares et très couteuses. Les améliorations à apporter dans ce domaine sont donc naturellement orientés vers un stator comportant plusieurs éléments. La présente invention a pour but de résoudre tout ou partie de ces inconvénients en proposant une nouvelle configuration de ces éléments.

A cet effet, la présente invention a pour premier objet un stator pour génératrice électrique comportant un disque en matériau magnétique comprenant une pluralité d'éléments en matériau magnétique composite agencés de façon annulaire autour de l'axe du stator caractérisé en ce que chacun de ces éléments comporte des moyens de solidarisation entre éléments adjacents constitués par des portions d'éléments de formes complémentaires formant des surfaces de contact, et en ce que ces surfaces de contact sont agencés de façon transversale aux lignes de champ magnétique dans le disque lors du fonctionnement de la génératrice. Cette disposition permet tout d'abord un maintien des éléments entre eux sans que la carcasse de la génératrice ne soit nécessaire à cela, ce qui permet un montage complet ainsi qu'un éventuel traitement du stator à l'extérieur de la carcasse. Puis, le fait que les surfaces de contact soient agencés de façon transversale aux lignes de champ magnétique dans le disque lors du fonctionnement de la génératrice réduit d'autant plus le passage du flux magnétique à travers le stator qui ne verra que les lignes de profil des surfaces de contact. Avantageusement, les portions de formes complémentaires s'emboitent en force. Cette disposition permet d'augmenter l'uniformité des surfaces de contact et la solidité de la solidarisation de deux éléments adjacents.

Selon un mode de réalisation, le profil des surfaces de contact des portions de formes complémentaires des éléments adjacents présente sensiblement une forme en U. Cette forme en U peut être dessinée aussi bien par un évidement sur un élément, par un épaulement ou bien par l'extrémité d'un élément. Cette 20 forme reste dans tous les cas la plus simple à réaliser. Selon un mode de réalisation, l'assemblage de plusieurs éléments forme une ou des encoches. Ces encoches sont nécessaire au maintien des bobinages du stator. 25 Selon le même mode de réalisation, les portions d'éléments de formes complémentaires sont situées sur les portions de ces mêmes éléments les plus éloignées de l'une ou des encoches. Ces encoches provoquent une concentration du flux magnétique à l'intérieur de celles-ci, il est donc important d'éloigner au maximum les portions 30 d'éléments de formes complémentaires de ces encoches. Selon un mode de réalisation, chacun des éléments adjacents est de forme semblable. Cette disposition permet la réalisation de mêmes éléments à partir d'un même moule. Certaines portions des surfaces de contact peuvent 35 néanmoins présenter des difficultés de réalisation.

Selon un autre mode de réalisation, chacun des éléments adjacents est de forme différente. Cette disposition permet la réalisation de l'ensemble des éléments à partir de deux moules différents. Ces éléments sont néanmoins plus faciles à 5 réaliser. La présente invention concerne également une génératrice comprenant un rotor selon l'invention ainsi qu'une éolienne comprenant une telle génératrice. La présente invention a également pour objet un procédé de 10 fabrication d'un stator comportant une pluralité d'éléments en matériau magnétique composite comprenant les étapes de compactage des éléments sous pression, de sorte à obtenir des moyens de solidarisation entre éléments adjacents constitués par des portions d'éléments de formes complémentaires formant des surfaces de contact, assemblage des éléments pour former le 15 stator, et recuit des éléments ainsi assemblés dans un four à une température comprise entre 200°C et une température maximale permettant une consolidation mécanique et une optimisation des performances magnétiques et électriques. La température maximale de recuit dépendant essentiellement de 20 la nature du revêtement isolant, celle-ci se situe autour de 500°C, mais n'est pas limité à cette valeur, pour un certain nombre de matériau magnétique du commerce. Selon un mode de réalisation, l'étape de recuit comprend l'application simultanée d'une pression hydrostatique sur les éléments ainsi 25 assemblés formant le stator de façon à favoriser l'adhésion entre les différents éléments. Selon un autre mode de réalisation, l'étape d'assemblage survient après l'étape de recuit des éléments. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de 30 la description détaillée ci-après, prises en liaison avec des dessins qui illustrent, à titre d'exemple, les principes de l'invention. La figure 1 montre l'assemblage d'une partie d'un stator selon l'invention sans ses circuits de bobinage. La figure 2 montre une vue en perspective d'un élément composant 35 un stator selon l'invention.

Les figures 3 montrent des vues de dessus de plusieurs géométries d'un élément d'un stator selon l'invention dont tous ses éléments sont identiques selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 4 montre l'assemblage de trois éléments d'un stator selon 5 l'invention comportant deux éléments de géométrie différente selon un second mode de réalisation de l'invention. La figure 5 illustre les étapes d'un procédé de réalisation d'un stator selon l'invention. Comme le montre la figure 1, un stator 1 selon l'invention 10 comprend plusieurs éléments 2 en matériau magnétique composite assemblés entre eux. L'assemblage de deux éléments fait apparaitre deux encoches 3 destinés à accueuillir les bobinages (non illustrés) du stator 1. Il est également possible suivant la géométrie de l'élément, que l'assemblage de deux éléments ne fasse apparaitre qu'une encoche 3. C'est le 15 cas par exemple si l'on adopte une géométrie telle qu'illustrée à la figure 3b. Comme illustré à la figure 2, un élément 2 d'un stator 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention comporte un corps 4 avec une face supérieure 5 contribuant après assemblage à l'élaboration de la face extérieure 5' du stator 1 et une face inférieure 6 contribuant après assemblage à 20 l'élaboration de la face intérieure 6' du stator 1. Ces deux faces 5 et 6 et respectivement 5' et 6' sont dans l'exemple présenté ici, parallèles et concentriques. Le corps 4 de chacun des éléments 2 comporte également une face avant 7, une face arrière 8 ainsi qu'une première face latérale 9 et une 25 seconde face latérale 10. Dans l'exemple illustré à la figure 2, les faces avant 7 et arrière 8 sont parallèles et forment chacune un trapèze de dimensions identiques comprenant une petite base 11 délimitant la face intérieure 6' du stator 1 une fois monté, et une grande base 12 délimitant la face extérieure 5' du stator 1 30 une fois monté. La première face latérale 9 et la seconde face latérale 10 sont opposées l'une à l'autre et comportent chacunes deux zones 13 en retrait par rapport à la largeur des bases 11 et 12 des faces avant 7 et arrière 8. Ces zones 13 s'étendent entre la face supérieure 5 et la face inférieure 6, et 35 forment chacune avec la zone en retrait 13 d'un élément 2 adjacent, une encoche 3 lors de leur assemblage.

La première face latérale 9 et la seconde face latérale 10 comportent chacune un épaulement 14 séparant chacune des deux zones 13 en retrait de chacune des faces latérales 9 et 10 définies précedemment. Comme illustré à la figure 3, la largeur de ces épaulements 14 sur chacune des deux faces latérales 9 et 10 peut avoir une largeur variable en fonction de la géométrie choisie et de l'application. En outre, sur l'exemple présenté la largeur de ces deux épaulements 14 est identique. L'épaulement 14 de la première face latérale 9 comporte un autre épaulement 15 centré sur l'épaulement 14 de la première face latérale 9 et 10 s'étendant de la face inférieure 6 jusqu'à la face supérieure 5. L'épaulement 14 de la seconde face latérale 10 comporte quant à lui un évidement 16 centré sur l'épaulement 14 de la première face latérale 9 et s'étendant de la face inférieure 6 jusqu'à la face supérieure 5. L'épaulement 15 et l'évidement 16 ont des formes 15 complémentaires si bien que lors de l'assemblage d'un stator 1, l'évidement 16 est capable de retenir l'épaulement 15 d'un élément 2 adjacent, formant ainsi des moyens de solidarisation entre deux éléments adjacents. Dans l'exemple présenté aux figures 1 et 2, cet épaulement 15 et cet évidement 16 ont un profil en forme de U, mais il est bien entendu que ces 20 deux portions 15, 16 peuvent avoir une complémentarité de forme définissant tout autre forme de profil comme il est illustré aux figures 3. Les faces latérales de ces deux portions 15, 16 ainsi que les surfaces attenantes des épaulements 14 de chacune des faces latérales 9 et 10 forment des surfaces de contact avec un élément 2 adjacent. 25 Ces surfaces de contact sont toutes orientés transversalement aux lignes de champ magnétique créé dans le disque lors du fonctionnement de la génératrice, c'est-à-dire qu'elles sont orientés longitudinalement dans une configuration en flux radial d'un ensemble rotor-stator et orientés transversalement à l'axe de rotation du rotor dans une configuration en flux 30 axial d'un ensemble rotor-stator ce qui rend le stator 1 selon l'invention particulièrement bien adapté à ce dernier type de configuration. Selon un second mode de réalisation illustré à la figure 4, l'épaulement 15 auparavant situé sur l'épaulement 14 de la première face latérale 9 est remplacé par un évidement identique à celui situé sur 35 l'épaulement 14 de la seconde face latérale 10.

Un élément 17 en forme de barreau est agencé dans un de ces évidements afin de recréer l'épaulement 15 substitué. Il est important que les dimensions de cet élément 17 en forme de barreau ait des dimensions qui permettent aux zones de contacts de deux éléments reliés par l'élément 17, d'entrer en contact lors de l'assemblage du stator 1. Dans ce mode de configuration, les moyens de solidarisation sont donc constitués par un évidement 16 disposé sur un épaulement 14 d'une des deux faces latérales 9 ou 10 et par l'une des extrémités de l'élément 17 de forme complémentaire à l'évidement 16.

Il est entendu que les moyens de solidarisation ne désignent pas forcément deux portions de formes complémentaires de deux éléments 2 capable de se maintenir l'un dans l'autre par insertion. Ceux-ci désignent au contraire toutes les surfaces de contact entrant en jeu que l'on ait uniquement deux éléments 2 comme dans le premier mode de réalisation présenté ou que l'on ait trois éléments 2, 17 comme dans le second mode de réalisation présenté. En fait, les moyens de solidarisation prennent leur sens si on les rapproche du procédé de fabrication développé ci-après. C'est le recuit du stator dans sa globalité qui va solidariser les zones qui ont été mises en contact. Il apparait alors clairement que la forme de l'épaulement 15 peut être généralisé à toute forme d'une portion en saillie de l'épaulement 14 à partir du moment où le procédé de fabrication permet de concevoir cette forme. Il en va de même pour l'évidement 16.

C'est ainsi que l'on peut imaginer des formes de portion en saillie tel qu'illustrées à la figure 3d. Il est à noter que cette forme est concave et ne permet donc pas une insertion frontale sur un élément 2 adjacent, ce que permettent les formes des figures 3a, 3b, 3c et 3d. Une telle forme imposera donc une insertion transversale par le haut ou par le bas.

La figure 5 illustre les différentes étapes de fabrication du stator selon l'invention. Celui-ci consiste tout d'abord à obtenir une poudre de matériau magnétique composite tel que décrit dans l'état de la technique dans ce domaine.

Cettre poudre est ensuite compressé dans une presse à des pression pouvant varier dans la plupart des cas entre 600 et 850 MPa selon le type d'élément 2 à compresser de sorte à obtenir des moyens de solidarisation entre éléments 2, 17 adjacents constitués par des portions d'éléments 2, 17 de formes complémentaires formant des surfaces de contact. A partir de cette étape deux solutions se présentent.

La première consiste à assembler les éléments unitaires dans leur état à cru pour former le stator 1. Le stator 1 est alors recuit dans un four à une température comprise généralement entre 200°C et 500°C sans pour autant être limité à cette plage de valeur, permettant une consolidation mécanique par une diffusion thermique et/ou des liaisons chimiques au niveau des zones de contact et une optimisation des performances magnétiques par, mais non limité à, un grossissement des grains composant la poudre et une relaxation des contraintes induites lors de la phase de compaction. Cette gamme de température reste inférieure à la température de Curie pour ce matériau qui conserve ainsi ses propriétés ferromagnétiques.

D'autre part, cette température reste inférieure à la température de dégradation du revêtement isolant, ce qui permet de maintenir une résistivité suffisante pour éviter des pertes par courant de Foucault trop importantes. Lors de ce traitement thermique, il est également possible d'appliquer une pression hydrostatique sur le stator 1, à l'aide par exemple d'un frettage, de façon à promouvoir l'adhésion entre les éléments 2 unitaires. La seconde solution consiste à recuire individuellement chacun des éléments 2, 17 à la sortie du compactage, permettant ainsi une consolidation mécanique de l'élément 2, 17 et une optimisation des performances magnétiques. Les éléments 2, 17 sont alors assemblées pour former le stator.

La solidité de l'assemblage repose alors sur la qualité de la liaison mécanique entre deux éléments 2, 17 unitaires. Cette seconde solution est donc surtout à envisager dans les cas où la portion en saillie et l'évidement 16 des épaulements 14 ont une forme concave comme sur la figure 3d. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux formes et mode de réalisations préférentiels décrite ci-dessus, à titre d'exemple non-limitatif ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. De plus, il est à noter qu'il est possible d'employer ce type de stator non seulement sur des génératrices mais également sur des moteurs.35

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Stator (1) pour génératrice électrique comportant un disque en matériau magnétique comprenant une pluralité d'éléments (2, 17) en matériau magnétique composite agencés de façon annulaire autour de l'axe du stator (1) caractérisé en ce que chacun de ces éléments (2, 17) comporte des moyens de solidarisation entre éléments (2, 17) adjacents constitués par des portions (15, 16, 17) d'éléments (2, 17) de formes complémentaires formant des surfaces de contact, et en ce que ces surfaces de contact sont agencés de façon transversale aux lignes de champ magnétique créé dans le disque lors du fonctionnement de la génératrice.
2. 2. Stator (1) pour génératrice électrique selon la revendication 1 dans lequel les portions (15, 16, 17) de formes complémentaires s'emboitent 15 en force.
3. 3. Stator (1) pour génératrice selon l'une des revendications précédentes dans lequel le profil des surfaces de contact des portions (15, 16, 17) de formes complémentaires des éléments (2, 17) adjacents présente sensiblement une forme en U. 20
4. 4. Stator (1) pour génératrice selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'assemblage de plusieurs éléments (2, 17) forme une ou des encoches (3).
5. 5. Stator (1) pour génératrice selon la revendication 4 dans lequel les portions d'éléments de formes complémentaires sont situées sur les 25 portions de ces mêmes éléments (2, 17) les plus éloignées de l'une ou des encoches.
6. 6. Stator (1) pour génératrice électrique selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel chacun des éléments (2) adjacents est de forme semblable. 30
7. 7. Stator (1) pour génératrice électrique selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel chacun des éléments (2, 17) adjacents est de forme différente.
8. 8. Génératrice comportant un stator (1) selon l'une des revendications 1 à 7. 35
9. 9. Eolienne comportant une génératrice selon la revendication 8.
10. 10. Procédé de fabrication d'un stator (1) comportant une pluralité d'éléments (2, 17) en matériau magnétique composite comprenant les étapes de: - compactage des éléments (2, 17) sous pression, de sorte à obtenir des moyens de solidarisation entre éléments (2, 17) adjacents constitués par des portions (15, 16, 17) d'éléments (2, 17) de formes complémentaires formant des surfaces de contact, - assemblage des éléments (2, 17) pour former le stator (1), - recuit des éléments (2, 17) ainsi assemblés dans un four à une température comprise entre 200°C et une température maximale permettant une consolidation mécanique et une optimisation des performances magnétiques et électriques.
11. 11. Procédé de fabrication d'un stator (1) selon la revendication 10 dans lequel l'étape de recuit comprend l'application simultanée d'une pression hydrostatique sur les éléments (2, 17) ainsi assemblés formant le stator (1) de façon à favoriser l'adhésion entre les différents éléments (2, 17).
12. 12. Procédé de fabrication d'un stator (1) selon la revendication 10 dans lequel l'étape d'assemblage survient après l'étape de recuit des éléments (2, 17).