FR2996696A1

FR2996696A1 - Culasse de stator et procede d'assemblage correspondant

Info

Publication number: FR2996696A1
Application number: FR1259630A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Desharnais
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2014-04-11

Abstract

L'invention concerne une culasse de stator assemblée d'un ruban de tôle enroulé en hélice, comportant une couronne (CR) ornée intérieurement de dents (D) aptes à recevoir un bobinage (B), caractérisée en ce que ladite couronne (CR) comporte des cavités (CAV) oblongues angulairement réparties le long de ladite couronne (CR), chaque cavité (CAV) oblongue étant disposée orthogonalement à l'axe de symétrie de chacune desdites dents (D) au regard de laquelle ladite cavité (CAV) se trouve.

Description

Culasse de stator et procédé d'assemblage correspondant La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l'électrotechnique et concerne plus précisément un stator de machine électrique. Les stators de machines électriques sont classiquement assemblés par empilage de paquets de tôles, chaque tôle ayant été préalablement découpée selon le schéma d'une coupe radiale du stator à assembler. Une autre méthode, appelée technique du « slinky », permet de réaliser des stators de machines électriques à des coûts très faibles avec l'avantage de limiter fortement le taux de chutes, c'est-à-dire la quantité de matière non utilisée lors de la fabrication. Pour fabriquer un stator selon cette méthode, on découpe un seul ruban de tôle, comportant une succession de dents, puis on enroule ce ruban en hélice sur lui-même, par contrainte mécanique à froid, comme illustré sur la figure 1. Cette tôle enroulée sur elle-même est ensuite comprimée de manière fixe, formant ainsi la culasse du stator. Avec cette méthode il est donc possible, lors de la phase de découpe en ruban, de découper les dents d'un stator en formant les encoches d'un autre stator, et ainsi d'économiser beaucoup de tôle. Cependant cette technique dite du « slinky » présente des inconvénients. En effet, la culasse de ce stator d'un stator assemblé selon cette technique étant exposée à de fortes contraintes de flexion, les pertes fer par hystérésis sont fortement accrues par rapport à ce qu'elles seraient par un assemblage classique du stator. De plus avec cette technique, l'épaisseur de la culasse du stator doit être inférieure à dix pour cent du diamètre extérieure du stator afin de pouvoir enrouler le ruban statorique et le plier pour former le stator. Cette technique est donc limitée à des machines électriques à faible puissance. La demande de brevet japonais JP2010288439 décrit un procédé d'assemblage de la culasse d'un stator, dans lequel celui-ci est composé de dents prédécoupées dans un ruban et liées entre elles par de minces ponts de matière, ce qui permet de faciliter la mise en forme de la culasse par enroulement du ruban, la flexion se faisant au niveau de ces minces ponts de matière. Ces ponts de matière se déforment fortement lors de l'enroulement du ruban mais la quantité de matière concernée étant très faible, l'effet global sur les pertes fer est négligeable. Cependant cette culasse présente un grand nombre d'entrefers parasites entre les dents qui sont autant de sources de bruit acoustique et de pertes de performance magnétique. De plus le ruban formant les dents du stator est fragilisé du fait de la liaison très faible entre chaque dent ce qui induit un risque de rupture du ruban lors de la fabrication du stator. Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant une culasse de stator et un procédé d'assemblage de la culasse d'un stator, qui présentent les avantages de la méthode « slinky », pour des moteurs de forte puissance, tout en maintenant une très bonne performance magnétique du stator. A cette fin, l'invention propose une culasse de stator assemblée d'un ruban de tôle enroulé en hélice, comportant une couronne ornée intérieurement de dents aptes à recevoir un bobinage, caractérisée en ce que ladite couronne comporte des cavités oblongues angulairement réparties le long de ladite couronne, chaque cavité oblongue étant disposée orthogonalement à l'axe de symétrie d'une desdites dents au regard de laquelle ladite cavité se trouve.

Grâce aux cavités oblongues découpées dans le ruban formant la culasse, on permet l'assemblage de la culasse par enroulement du ruban en hélice, l'effort de flexion étant moindre, tout en évitant le moindre entrefer dans le chemin du flux magnétique du stator. Ainsi grâce à l'invention, les performances magnétiques du stator sont préservées, malgré l'épaisseur de la culasse et l'utilisation d'une méthode d'assemblage par enroulement en hélice d'un ruban de tôle. Selon une caractéristique avantageuse de la culasse de stator selon l'invention, lesdites cavités sont en forme d'arcs courbés vers l'intérieur de ladite culasse, le point de courbure de chacun desdits arcs étant positionné sur l'axe de symétrie d'une desdites dents. Cette forme d'arcs courbés des cavités de la culasse permet de faciliter l'accumulation des contraintes de flexion du ruban au niveau des bases des dents du stator, et ainsi de faciliter son enroulement en limitant les déformations sur ces parties du ruban. Selon une autre caractéristique avantageuse, chacune desdites dents est surmontée dans ladite couronne de plusieurs cavités oblongues entre lesquelles s'interposent de minces bandes de matière. En superposant des cavités oblongues sur les parties supérieures des dents dans la couronne, on diminue l'épaisseur des liaisons entre les dents et on facilite encore le pliage du ruban de tôle lors de son enroulement. Le nombre de cavités au dessus de chaque dent est par exemple déterminé en fonction de l'épaisseur de la culasse par rapport à son diamètre. Selon une autre caractéristique avantageuse, lesdites cavités délimitent radialement dans ladite couronne, un mince anneau extérieur d'avec de minces ponts de matière non découpés reliant lesdites dents. Ainsi la couronne est composée de trois parties, une partie extérieure sans cavité mais facilement pliable vu sa faible épaisseur, une partie intermédiaire comportant les cavités et permettant l'enroulement sans diminution des pertes fer de la plus grosse épaisseur de la culasse, et une partie immédiatement supérieure aux dents dans la couronne, sans cavité également et facilement pliable vu les minces ponts de matière reliant les dents entre elles. Cette composition de la culasse permet une bonne tenue mécanique de l'ensemble tout en préservant ses performances magnétiques.

Selon une autre caractéristique avantageuse, lesdites minces bandes de matière ont une largeur valant entre 1% et 20% du diamètre de ladite couronne, et de préférence entre 1`)/0 et 5% de ce diamètre. Cette plage de valeurs permet d'optimiser à la fois la facilité de pliage du ruban formant la culasse et les performances magnétiques de la culasse.

Selon une autre caractéristique avantageuse, lesdites cavités sont remplies d'une résine rigide ou amortissante comportant des particules ferromagnétiques. Le remplissage des cavités avec une résine rigide permet d'améliorer la tenue mécanique du stator. Le remplissage des cavités avec une résine amortissante permet quant à elle de réduire la transmission des vibrations et des bruits acoustiques au carter de la machine électrique qui utilisera la culasse selon l'invention. Enfin l'utilisation, pour remplir les cavités, d'une résine comportant des particules ferromagnétiques, permet d'améliorer la conduction du champ magnétique dans la culasse, sans augmenter l'épaisseur de la culasse du stator. Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit mince anneau extérieur a une largeur valant entre 5% et 20% du diamètre de ladite couronne, et lesdits minces ponts de matière ont une largeur valant entre 1 et 10% du diamètre de ladite couronne. Préférentiellement ledit mince anneau extérieur a une largeur comprise entre 5% et 10% dudit diamètre, et lesdits minces ponts de matière ont une largeur comprise entre 1% et 5% dudit diamètre. Ces plages de valeur favorisent une bonne rigidité du stator au niveau des encoches, et un contact plus souple de la culasse du stator au niveau de sa liaison avec le carter, ce qui réduit la transmission d'efforts vers celui-ci.

Cette configuration de la culasse du stator est donc adaptée à un effort de frettage modéré pour l'insertion de la culasse du stator dans un carter, ou à toute autre méthode d'insertion de la culasse dans un carter. Alternativement, ledit mince anneau extérieur a une largeur valant entre 20 et 50% du diamètre de ladite couronne, et lesdits minces ponts de matière ont une largeur valant entre 10 et 20 % du diamètre de ladite couronne. Cette configuration de la culasse du stator favorise une plus grande rigidité de la liaison de la culasse du stator avec le carter qui la contiendra. De plus les cavités étant découpées dans une zone où les champs magnétiques sont les plus intenses, la déformation due à l'enroulement du ruban de tôle formant la culasse a un moindre impact sur les pertes fer. Selon encore une autre alternative, ledit mince anneau extérieur a une largeur valant entre 1 et 5% du diamètre de ladite couronne, et lesdits minces ponts de matière ont une largeur valant entre 1 et 20% du diamètre de ladite couronne. Cette autre configuration de la culasse du stator présente l'avantage d'un effort de pliage très faible lors de l'enroulement du ruban de tôle formant la culasse du stator selon l'invention, au prix d'une moins bonne tenue mécanique que pour les deux configurations précédentes.

L'invention concerne également un procédé d'assemblage de la culasse d'un stator à dents, comportant les étapes de : -découpe d'un ruban de tôle comportant une répétition de motifs dentés surmontés dans ledit ruban de cavités oblongues réparties le long dudit ruban, chaque cavité oblongue étant disposée orthogonalement à l'axe de symétrie d'une desdites dents au regard de laquelle ladite cavité se trouve, - et enroulement en hélice dudit ruban de tôle, pour former ladite culasse. Le procédé d'assemblage de la culasse d'un stator à dents selon l'invention présente des avantages analogues à ceux de la culasse de stator selon l'invention.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de modes de réalisation préférés décrits en référence aux figures dans lesquelles: - la figure 1, déjà décrite en relation avec l'art antérieur, représente une méthode de fabrication connue d'une culasse de stator selon la méthode dite « slinky », - la figure 2 représente des étapes du procédé d'assemblage de la culasse d'un stator à dents selon l'invention, - la figure 3 représente un morceau de ruban de tôle destiné à former une culasse de stator selon l'invention, dans un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 représente un morceau de culasse de stator selon l'invention, dans ce premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 représente un morceau de culasse de stator selon l'invention, dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, - et la figure 6 représente un morceau de culasse de stator selon l'invention, dans un troisième mode de réalisation de l'invention.

En référence à la figure 2, un procédé d'assemblage de la culasse d'un stator à dents selon un premier mode de réalisation de l'invention est représenté sous la forme d'un algorithme comportant des étapes El à E3. L'étape El est la découpe d'un ruban de tôle R, représenté sur la figure 3. Celui-ci répète des motifs comportant des dents D destinées à former les dents du stator. Les dents D sont surmontées dans le ruban R de cavités CAV oblongues réparties longitudinalement sur le ruban R. Chaque cavité est symétrique par rapport à un axe de symétrie d'une dent D, et présente la forme d'un boomerang bipales ou d'un arc courbé vers l'extrémité de cette dent.

Dans ce mode de réalisation de l'invention, la tôle du ruban R a une épaisseur de 0.1 à 0.65 millimètres, et chaque cavité oblongue est d'une longueur couvrant jusqu'à 95% de l'arc entre les lignes médianes de deux encoches successives, et d'une largeur d'environ 1`)/0 à 20% du diamètre de la culasse à assembler. Sur le ruban R, chaque dent D est surmontée de plusieurs cavités CAV oblongues prenant cette forme d'arc courbé, la courbure étant d'autant plus importante que la cavité est proche de la dent D. Le nombre de cavités à découper au dessus de chaque dent D dépend de l'épaisseur de la culasse par rapport au diamètre de la machine au niveau de la culasse. Si l'épaisseur est relativement faible, peu de cavités au dessus de chaque dent seront nécessaires. Si en revanche la culasse est épaisse, il faudra découper plus de cavités au dessus de chaque dent. Ces couches de cavités CAV ainsi que leurs formes courbées vers les dents D délimitent des bandes de matière facilement pliables lors de l'étape E2 d'enroulement du ruban R. L'étape E2 est l'enroulement en hélice dudit ruban de tôle, pour former la culasse du stator. Cette étape se déroule à froid et utilise les faibles largeurs des bandes de matière au dessus de chaque dent, créées par les cavités CAV, pour diminuer les contraintes de flexion. Celles-ci augmentent comme le cube du nombre de bandes de matière (n) découpées dans la bande de matière à plier selon la formule: 3 n3M o- = 2 eh3 Où: - M est le moment de flexion appliqué à la bande de matière à plier, - e est l'épaisseur de la tôle, - h est la demi-largeur de culasse de la culasse, le terme « largeur » dans cette demande étant à relier à la direction des dents du stator. - et n est le nombre de bandes de matière découpées dans la bande à plier Grâce aux cavités CAV, la largeur des bandes de matière à plier est faible et la mise en forme de la culasse est grandement facilitée, d'autant plus que la flexion est localisée dans les coudes correspondant aux courbures des cavités découpées dans le ruban R. Enfin, comme la partie du ruban R contenant les cavités est soumise lors de cette étape E2, à un effort de traction plus que de compression, ses performances magnétiques sont améliorées tant que la contrainte de flexion n'est pas trop importante. A l'issue de cette étape E2, on obtient, dans ce premier mode de réalisation de l'invention, une couronne CR dont un morceau est représenté sur la figure 4, ornée intérieurement des dents D, et formant la culasse du stator. On remarque que sur la couronne CR obtenue, les cavités CAV sont moins courbées que sur le ruban R, d'autant plus qu'elles sont vers l'extérieur de la couronne CR. Ceci est dû à la mise en forme par flexion de l'étape E2. De même la forme en vaguelettes de la périphérie du ruban R opposée aux dents, les creux des vaguelettes tombant sur les axes de symétrie des dents D, s'estompe après l'étape E2, la couronne CR étant de périphérie sensiblement circulaire. Il est à noter que la forme des découpes dans la culasse est étudiée pour minimiser les pertes par hystérésis dans le stator : c'est un compromis entre le volume de matière affecté par les contraintes et par le niveau de contraintes observé. La forme obtenue après pliage peut donc ne pas être circulaire, la priorité étant donné au faible niveau de pertes fer obtenu après pliage. L'étape E3 est le remplissage des cavités CAV par une résine rigide, ou par une résine amortissante, comportant de préférence des particules ferromagnétiques. Cette étape E3 est optionnelle. Elle se déroule par exemple par injection sous vide ou par simple coulée d'une résine très fluide. Le paquet de tôle formant le stator est soit soumis à une forte pression verticale afin d'éliminer le jeu entre les tôles, soit fermement tenu par le procédé de fixation des tôles entre elles. Il y a un léger jeu entre les cavités mais il est faible (inférieur au 1 /1 Oème de milimètre) et de ce fait n'interfère pas avec l'intégrité mécanique de la résine. Une fois la culasse de stator assemblée, les bobinages B du stator sont insérés entre les dents de la couronne CR obtenue. Les cavités CAV oblongues de la couronne sont réparties angulairement le long de la couronne, chaque cavité étant disposée orthogonalement au sens radial de la culasse. Leur forme est toujours en arc courbé sauf les cavités les plus extérieures de la couronne qui sont devenues sensiblement triangulaires après l'étape E2 d'enroulement du ruban.

Les cavités CAV délimitent la couronne CR en trois parties : - un mince anneau MA extérieur ne comportant aucune cavité, - une épaisseur de culasse découpée par plusieurs couches circulaires de cavités CAV délimitant entre elles de minces bandes de matière, - et une partie dentée ne comprenant pas de cavités CAV, mais comportant les dents D reliées entre elles par de minces ponts de matière PM. Le terme « mince » dans cette demande est à comprendre comme permettant l'enroulement de la bande de matière, ou de l'anneau, ou des ponts de matière concernés, par enroulement à froid comme dans une méthode « slinky » classique. Typiquement, les bandes de matière entre les cavités ont une largeur valant de préférence entre 1 et 20% du diamètre de ladite couronne.

Dans le premier mode de réalisation de la figure 4, le mince anneau MA est de largeur sensiblement égale à celle d'une bande de matière entre deux cavités, et les ponts de matière entre dents sont plus épais. Ce mode de réalisation permet de conserver une bonne rigidité au niveau des encoches, et d'avoir une liaison plus souple entre l'extérieur de la culasse et le carter qui la contiendra.

Typiquement, dans ce premier mode de réalisation de l'invention, l'anneau extérieur MA a une largeur variant entre 5 et 20% du diamètre de la couronne CR, et les ponts de matière PM ont une largeur variant entre 1 et 10 % du diamètre de la couronne CR.

Dans un deuxième mode de réalisation représenté à la figure 5, les ponts de matière PM reliant les dents D sont de largeur sensiblement égale à celle d'une bande de matière entre deux cavités, et le mince anneau extérieur MA est de largeur plus épaisse. Ce mode de réalisation permet de conserver une bonne rigidité entre la culasse et le carter, et de limiter encore les pertes fer lors de l'enroulement du ruban en positionnant les cavités là où le champ magnétique est le plus intense lors du fonctionnement de la machine utilisant la culasse de stator selon l'invention. Typiquement, dans ce deuxième mode de réalisation de l'invention, l'anneau extérieur MA a une largeur variant entre 20% et 50% du diamètre de la couronne CR, et les ponts de matière PM ont une largeur variant entre 10% et 20% du diamètre de la couronne CR. Dans un troisième mode de réalisation représenté à la figure 6, les ponts de matière PM reliant les dents D ainsi que l'anneau extérieur MA sont de largeur sensiblement égale à celle d'une bande de matière entre deux cavités. Ce mode de réalisation présente l'avantage d'une mise en forme facilitée mais au prix d'une moins bonne tenue mécanique. Typiquement, dans ce troisième mode de réalisation de l'invention, l'anneau extérieur MA a une largeur variant entre 1`)/0 et 5 % du diamètre de la couronne CR, et les ponts de matière PM ont une largeur variant entre 1`)/0 et 20% du diamètre de la couronne CR. Il est à noter qu'il est également possible de réaliser des cavités CAV au dessus des encoches du stator plutôt qu'au dessus de ses dents, mais cette solution est moins performante : les nervures entre les ponts de matière

Claims

REVENDICATIONS1. Culasse de stator assemblée d'un ruban (R) de tôle enroulé en hélice, comportant une couronne (CR) ornée intérieurement de dents (D) aptes à recevoir un bobinage (B), caractérisée en ce que ladite couronne (CR) comporte des cavités (CAV) oblongues angulairement réparties le long de ladite couronne (CR), chaque cavité oblongue (CAV) étant disposée orthogonalement à l'axe de symétrie d'une desdites dents (D) au regard de laquelle ladite cavité (CAV) se trouve.
2. Culasse de stator selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites cavités (CAV) sont en forme d'arcs courbés vers l'intérieur de ladite culasse, le point de courbure de chacun desdits arcs étant positionné sur l'axe de symétrie d'une desdites dents (D).
3. Culasse de stator selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chacune desdites dents (D) est surmontée dans ladite couronne (CR) de plusieurs cavités (CAV) oblongues entre lesquelles s'interposent de minces bandes de matière.
4. Culasse de stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites cavités (CAV) délimitent radialement dans ladite couronne, un mince anneau (MA) extérieur d'avec de minces ponts de matière (PM) non découpés reliant lesdites dents (D).
5. Culasse de stator selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdites minces bandes de matière ont une largeur valant entre 1% et 20% du diamètre de ladite couronne (CR).
6. Culasse de stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdites cavités (CAV) sont remplies d'une résine rigide ou amortissante comportant des particules ferromagnétiques. 5
7. Culasse de stator selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que ledit mince anneau (MA) extérieur a une largeur valant entre 5 et 20% du diamètre de ladite couronne (CR), et en ce que lesdits minces ponts de matière (PM) ont une largeur valant entre 1 et 10 % du 10 diamètre de ladite couronne (CR).
8. Culasse de stator selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que ledit mince anneau (MA) extérieur a une largeur valant entre 20 et 50% du diamètre de ladite couronne (CR), et en ce que lesdits 15 minces ponts de matière (PM) ont une largeur valant entre 10 et 20 % du diamètre de ladite couronne (CR).
9. Culasse de stator selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que ledit mince anneau (MA) extérieur a une largeur valant 20 entre 1 et 5% du diamètre de ladite couronne (CR), et en ce que lesdits minces ponts de matière (PM) ont une largeur valant entre 1 et 20 % du diamètre de ladite couronne (CR).
10. Procédé d'assemblage de la culasse d'un stator à dents, comportant les 25 étapes de : -découpe (El) d'un ruban (R) de tôle comportant une répétition de motifs dentés surmontés dans ledit ruban (R) de cavités oblongues (CAV) réparties le long dudit ruban (R), chaque cavité oblongue étant disposée orthogonalement à l'axe de symétrie d'une desdites dents (D) au regard de 30 laquelle ladite cavité se trouve, 14 2996696 -enroulement (E2) en hélice dudit ruban (R) de tôle, pour former ladite culasse.