FR2982714A1

FR2982714A1 - Machine electrique a commutation de flux

Info

Publication number: FR2982714A1
Application number: FR1160283A
Authority: FR
Inventors: Philippe Manfe; Patrick Vohlgemuth; Benjamin Gaussens
Original assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Current assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2013-05-17
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: WO2013068956A3; US9698659B2; IN2014KN00979A; WO2013068956A2; EP2777137A2; FR2982714B1; US20140252905A1; CN103931088B; CN103931088A

Abstract

Machine électrique (1) à commutation de flux à simple excitation, comportant des bobinages d'excitation (E) et des bobinages de phases (A, B, C), les bobinages d'excitation et les bobinages de phases étant logés dans des encoches respectives (3, 5) du stator, de formes inégales, de telle sorte que les bobinages d'excitation et de phases soient décalés radialement.

Description

La présente invention concerne les machines à commutation de flux et plus particulièrement mais non exclusivement celles dites à simple excitation. Une machine à. commutation de flux comporte un rotor non bobiné dépourvu d'aimants permanents et un stator comportant des bobinages de phases et des bobinages d'excitation et/ou des aimants permanents. La tension alternative aux bornes des bobinages de phase est produite par la commutation du flux consécutive à la rotation du rotor. Dans les machines à simple excitation conventionnelles, le stator est composé d'une succession de dents et d'encoches dans lesquelles sont disposées successivement une bobine d'excitation et une bobine de phase. Le brevet US 6 242 834 divulgue à la figure 6 un exemple d'une telle machine. La figure 11 décrit une machine à double excitation, avec des encoches logeant des aimants permanents et des bobinages d'excitation au stator. Les publications "Low Cost Flux - Switching Brushless AC Machines" 978-1-4244-8218-4/10°Crown, "A wound-Field Three-Phase Flux Switching Synchronous Motor with All Excitation Sources on the Stator" 978-1-4244-2893-9/09° 2009 IEEE pages 1502 à 1509, "Low Cost, High Power Density, Flux Switching Machines and Drives for Power Tools", 0-7803-7883-0/03° 2003 IEEE, "Flux Switching Motors for Automotive Applications" 07803-7883-0/03© 2003 IEEE, "A new structure of 12 Slot 10 Pole Field Excitation Flux Switching Synchronous machine for Hybrid Electric Vehicules" EPE 2011 Birmingham, ISBN 9789075815153 pages 1 à 10, décrivent d'autres exemples de machines à commutation de flux. La publication FR 2 898 439 divulgue une machine à commutation de flux à double excitation. Les encoches du stator présentent des formes inégales pour permettre de loger dans les encoches les plus profondes à la fois des bobinages d'excitation et des bobinages de phase. Dans une machine à commutation de flux connue, chaque encoche recevant des conducteurs d'un bobinage d'excitation et les deux encoches adjacentes recevant des conducteurs de bobinages de phases constituent une cellule élémentaire. Les bobines d'excitation et les bobines de phases couvrent chacune deux pas dentaires au stator, c'est- à-dire que les encoches qui les reçoivent sont séparées par deux dents.

Ces machines se caractérisent généralement par l'emploi d'une quantité importante de cuivre ou autre matériau conducteur pour réaliser les bobinages d'excitation, afin de limiter les pertes par effet Joule et leurs effets sur le rendement, L'invention vise à perfectionner encore ces machines.

L'invention a pour objet, selon un premier de ses aspects, une machine électrique, avantageusement à simple commutation de flux, comportant des bobinages d'excitation et des bobinages de phases, les bobinages d'excitation et les bobinages de phases étant logés dans des encoches respectives du stator, de formes inégales de telle sorte que les bobinages d'excitation soient décalés radialement par rapport aux bobinages de phases. Avantageusement, les bobinages d'excitation sont plus proches de l'entrefer que les bobinages de phases. Grâce à l'invention, les interférences mécaniques entre les bobines d'excitation et de phases sont réduites, et le décalage radial permet de minimiser la longueur et l'encombrement des têtes de bobines, L'invention permet en outre de réduire très sensiblement la quantité de matériaux conducteurs mis en oeuvre et d'améliorer les performances, notamment en termes de puissance et de rendement. L'invention permet notamment, de par le positionnement des bobinages d'excitation, de réduire le flux de fuite d'excitation et d'augmenter le couplage des armatures rotor et stator, ce qui contribue à augmenter le couple électromagnétique disponible. De préférence, les bobinages de phases et les bobinages d'excitation se recouvrent radialement, c'est-à-dire qu'ils s'étendent au moins partiellement en regard l'un de l'autre dans le sens radial, ce qui permet de gagner en compacité. Chaque encoche ne reçoit avantageusement qu'un seul type de bobinage, de phase ou d'excitation. Ainsi, une encoche donnée ne comporte pas à la fois des conducteurs électriques de bobinages de phases et de bobinages d'excitation. Les encoches logeant les bobinages radialement les plus éloignés du rotor 30 peuvent avoir une plus grande dimension circonférentielle supérieure à la plus grande dimension circonférentielle des encoches logeant les bobinages les moins éloignés radialement du rotor. Cela permet de disposer d'une largeur de tôle plus importante pour le flux d'excitation. Dans un exemple de mise en oeuvre, les bobinages logés dans les encoches radialement les plus éloignées du rotor occupent dans les encoches une section S1 et les bobinages logés dans les encoches les moins éloignées radialement du rotor occupent dans les encoches une section S2, avec S2 > S1. Le fond des encoches les plus éloignées radialement de l'axe de rotation du rotor se situant à une distance R2 et le fond des encoches les moins éloignées de l'axe de rotation étant situé à une distance R1 de celui-ci, on peut avoir 0,8 < RI/R2< 1,0.

Cela facilite par exemple une configuration où les bobinages de phases sont logés dans les encoches correspondantes, disposés en deux couches superposées, les conducteurs associés à chaque couche occupant les mêmes régions des deux encoches et/ou les conducteurs des bobinages d'excitation sont disposés dans les encoches correspondantes selon deux couches imbriquées, les conducteurs d'une même couche étant disposés dans des régions différentes des encoches. Une telle disposition est avantageuse en ce qu'elle minimise les contraintes mécaniques apportées aux têtes de bobines lors de la fabrication. En variante, les bobinages de phases sont logés dans les encoches correspondantes étant disposés sans se superposer radialement dans ces encoches, et les bobinages d'excitation sont logés dans les encoches correspondantes en étant disposés sans se superposer radialement dans ces encoches. Les encoches les plus éloignées radialement de l'axe de rotation du rotor peuvent présenter entre le bobinage reçu par l'encoche et l'entrefer des bords opposés divergeant puis convergeant en direction du rotor. L'angle de divergence est par exemple compris entre 50 et 60°. Les bords qui divergent peuvent se raccorder à leur extrémité radialement extérieure à des bords rapprochés. Ces derniers peuvent se raccorder à un épaulement, lequel participe à la retenue des conducteurs du bobinage dans l'encoche. Les encoches logeant les bobinages les moins éloignés radialement du rotor peuvent comporter des reliefs pour la fixation de cales de retenue des bobinages.

La machine peut comporter un seul bobinage de phase par encoche ou en variante deux bobinages de phases par encoche.

Dans un exemple de mise en oeuvre, on a un nombre de dents stator nds égal à 24 et un nombre de dents rotor nd, égal à 14. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente de façon partielle un exemple de stator réalisé conformément à l'invention, les figures 2 et 3 illustrent deux possibilités de disposition des bobinages du stator dans les encoches, et les figures 4 et 5 représentent deux exemples de configurations de bobinage du stator. On a représenté de façon schématique à la figure 1 un stator 1 de machine à commutation à simple flux, destiné à coopérer magnétiquement avec un rotor dépourvu d'aimants permanents et comportant par exemple nd, dents équiréparties à la périphérie du rotor. Le stator 1 comporte deux séries d'encoches, à savoir une première série d'encoches 3 recevant les bobinages d'excitation E et une deuxième série d'encoches 5 recevant les bobinages de phases A, B et C, dans le cas d'une machine triphasée. Conformément à l'invention, les encoches 3 et 5 sont décalées radialement, le fond 6 des encoches 5 étant situé à une distance plus grande de l'axe de rotation que le fond 7 des encoches 3. Sur la figure 1, certaines encoches 3 ou 5 ont été représentées sans les bobinages, de façon à en faire apparaître plus clairement le contour. Les encoches 3 peuvent comporter, comme illustré, à proximité de l'entrefer, des reliefs 10 sous la forme de petites gorges pour recevoir des cales 11 de retenue des bobinages, montées à coulissement dans les gorges 10, non représentées. Les encoches 5 présentent un épaulement 13 qui peut servir d'appui aux conducteurs logés à l'intérieur. L'épaulement 13 borde un passage 15 formé entre des bords rapprochés 16, lesquels se raccordent en direction de l'entrefer à des bords 17 qui divergent en rapprochement du rotor et se raccordent eux-mêmes à des bords 18 qui convergent en rapprochement du rotor.

De préférence, les bords 18 sont les plus radiaux possibles, de façon à avoir un passage du flux d'excitation de densité sensiblement constante en direction de l'entrefer. Si a et b désignent les largeurs angulaires respectives d'une dent et d'une encoche au niveau de l'entrefer, on a de préférence alb - 0,75.

La largeur angulaire b des encoches 3 au niveau de l'entrefer est de préférence égale à celle des encoches 5. Sur le dessin, R2 désigne la distance du fond 6 de l'encoche 5 à l'axe de rotation du rotor, R1 la distance du fond 7 de l'encoche 3 au même axe, R3 la distance du bobinage reçu dans l'encoche 5 à l'axe de rotation, c'est-à-dire la distance de l'épaulement 13 à cet axe. Les bobines reçues dans les encoches 3 sont situées à une distance R4 de l'axe de rotation. On a de préférence 0,8 < R1/R2 < E0, ce qui facilite le montage des bobinages selon une configuration imbriquée, comme décrit plus loin en référence à la figure 5. Par ailleurs, l'angle a de divergence des bords 17 est par exemple compris entre 50 et 60°. Comme on le voit sur la figure 1, les encoches 5 qui sont plus éloignées de l'axe de rotation que les encoches 3 peuvent présenter une plus grande dimension circonférentielle 11 supérieure à la plus grande dimension circonférentielle 12 des encoches 3.

La machine comporte une succession de cellules élémentaires constituées chacune par une encoche contenant les conducteurs E+ ou E- d'un bobinage d'excitation E et par deux encoches adjacentes recevant les conducteurs des bobines de phase A+, A-, B+, B-, C+ ou C-, la machine étant polyphasée, notamment triphasée, A, B et C désignant les phases.

Par convention, les signes + et - sont affectés aux conducteurs selon qu'ils vont dans un sens ou dans l'autre au sein de l'encoche. Une même bobine d'excitation E comporte ainsi des conducteurs E+ et E-. Les bobinages d'excitation E sont reliés classiquement à une source de courant continu.

L'axe de chaque bobine est orienté sensiblement radialement, la machine étant une machine dite « radiale ».

Les figures 2 et 3 illustrent des exemples de configurations de remplissage des encoches. Sur cette figure, le stator est représenté de façon linéaire et avec des encoches 3 et 5 égales, dans un souci de clarté du dessin et de simplification de celui-ci. Les encoches qui reçoivent les bobinages de phase peuvent recevoir chacune un seul bobinage de phase, comme illustré à la figure 2, avec par exemple comme illustré une alternance dans le sens circonférentiel entre les conducteurs E+ et E- des bobinages d'excitation et ceux des bobinages de phase, avec par exemple, comme illustré, la succession des conducteurs de phase A+, d'excitation E+, de phase A-, d'excitation E-, de phase B+, d'excitation E+, de phase B-.

En variante, comme illustré à la figure 3, le bobinage est dit à double couche, c'est-à-dire qu'une encoche recevant les bobinages de phases reçoit les bobinages de deux phases, par exemple A+ et C-, B+ et A-, C+ et B-, A+ et C-, comme illustré. Les bobinages de phases A, Bou C peuvent être disposés, comme illustré sur la figure 4, chacun selon une couche 67, les conducteurs électriques d'un même bobinage de phase occupant des portions des encoches situées à une même distance de l'axe de rotation. Deux bobinages de phase ayant des conducteurs reçus dans une même encoche 5 ne se superposent pas radialement. Il peut en être de même des bobinages d'excitation E. On voit sur la figure 4 que les têtes de bobines sont disposées sans imbrication. Sur la figure 5, on a représenté une configuration où les bobinages de phases 20 A, B ou C sont disposés selon deux couches 60, 61 se superposant radialement dans les encoches 3. Les conducteurs électriques d'une même couche 60 ou 61 occupent des portions des encoches situées à une même distance de l'axe de rotation. Les bobinages d'excitation E sont disposés selon deux couches 63, 64 imbriquées, c'est-à-dire que les conducteurs d'une même couche 63 ou 64 sont disposés 25 dans des portions 3a, 3b des deux encoches 3 consécutives, situées à des distances différentes de l'axe de rotation. Ainsi, un même bobinage d'excitation comporte, d'un côté, des conducteurs disposés dans la portion 3b de l'encoche 3 la plus proche de l'entrefer, et du côté opposé, dans l'encoche 3 adjacente, des conducteurs disposés dans la portion 3a de l'encoche, la plus éloignée de l'entrefer.

30 L'invention n'est pas limitée à ces configurations d'encoches et de bobinages particulières et l'on peut par exemple avoir des cellules élémentaires dont les encoches recevant respectivement les bobinages d'excitation E+ et E- d'une même bobine d'excitation sont séparées par un nombre différent de dents. L'expression « comportant un » doit se comprendre comme synonyme de « comportant au moins un ».5

Claims

REVENDICATIONS1. Machine électrique (1) à commutation de flux à simple excitation, comportant des bobinages d'excitation (E) et des bobinages de phases (A, B, C), les bobinages d'excitation et les bobinages de phases étant logés dans des encoches respectives (3, 5) du stator, de formes inégales, de telle sorte que les bobinages d'excitation et de phases soient décalés radialement.
2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle les bobinages d'excitation sont plus proches de l'entrefer que les bobinages de phases.
3. Machine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle 0,65 < alb < 0,85, mieux 0,7 < a/b < 0,8, où a est la largeur angulaire d'une dent au niveau de l'entrefer et b l'écart angulaire entre deux dents consécutives.
4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, les bobinages de phases et les bobinages d'excitation se recouvrant radialement.
5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, les encoches (5) logeant les bobinages radialement les plus éloignés du rotor ayant une plus grande dimension circonférentielle (11) supérieure à la plus grande dimension circonférentielle (12) des encoches (3) logeant les bobinages les moins éloignés radialement du rotor.
6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, les bobinages logés dans les encoches (5) radialement les plus éloignées du rotor occupant une section Si et les bobinages logés dans les encoches (3) les moins éloignées radialement du rotor occupant une section S2, avec S2 > S1.
7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le fond (6) des encoches (5) les plus éloignées radialement de l'axe de rotation du rotor se situant à une distance R2 et le fond (7) des encoches (3) les moins éloignées de l'axe de rotation étant situé à une distance Ri de celui-ci, avec 0,8 < R1/R2< 1,0.
8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, les encoches (5) les plus éloignées radialement de l'axe de rotation du rotor présentant entre le bobinage reçu par l'encoche et l'entrefer des bords opposés (17) divergeant en direction du rotor puis des bords opposés (18) convergeant en direction du rotor.
9. Machine selon la revendication précédente, l'angle (a) de divergence étant compris entre 50 et 60°.
10. Machine selon l'une des revendications 8 et 9, les bords (17) qui divergent se raccordant à leur extrémité radialement la plus extérieure à des bords rapprochés (16).
11. Machine selon la revendication précédente, les bords rapprochés (16) se raccordant à un épaulement (13).
12. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, les encoches (3) logeant les bobinages les moins éloignés radialement du rotor comportant des reliefs (10) pour la fixation de cales (11) de retenue des bobinages.
13. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un seul bobinage de phase (A, B, C) par encoche (5).
14. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, comportant deux bobinages de phases par encoche.
15. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, avec un nombre de dents stator nds égal à 24 et un nombre de dents rotor ndr égal à 14.
16. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, les bobinages de phases logés dans les encoches (5) étant disposés en deux couches (60, 61) superposées, les conducteurs associés à chaque couche occupant les mêmes régions des deux encoches, les conducteurs des bobinages d'excitation disposés dans les encoches (3) étant disposés selon deux couches imbriquées (63, 64), les conducteurs d'une même couche étant disposés dans des régions différentes (3a, 3b) des encoches.
17. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, les bobinages de phases logés dans les encoches (5) étant disposés sans se superposer radialement dans ces encoches, et les bobinages d'excitation logés dans les encoches (3) étant disposés sans se superposer radialement dans ces encoches.