FR3038162B1

FR3038162B1 - Machine a aimants permanents tolerante a des defauts tels que les courts-circuits

Info

Publication number: FR3038162B1
Application number: FR1655834A
Authority: FR
Inventors: Steven Joseph Galioto; Manoj Ramprasad Shah; Patel Bahgeerath Reddy; Nathaniel Benedict Hawes
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2036-06-23
Also published as: US9979248B2; US20160380495A1; GB201611124D0; CA2933273A1; FR3038162A1; GB2541781B; CA2933273C; GB2541781A

Abstract

Machine (10) à aimants permanents (AP), comportant un rotor (12) et un système de stator (14). Le rotor (12) comprend une pluralité d'aimants permanents (16) disposés autour d'un axe de rotation. Le système de stator (14) comprend un corps (40) de stator, une pluralité de barres de bobines et une pluralité de cales magnétiques (46) en fer fritté. Le corps (40) de stator possède une pluralité de dents statoriques (42) définissant une pluralité d'encoches statoriques (44), chaque encoche statorique (44) ayant une position interne et une position externe, de telle sorte que chaque encoche de la pluralité d'encoches statoriques (44) ait une première pluralité de positions internes et une première pluralité de positions externes. Les barres de la première pluralité de barres de bobines sont disposées dans chacune des positions de la première pluralité de positions internes et des positions de la première pluralité de positions externes. Les barres de la première pluralité de barres de bobines correspondent à une première phase de puissance. Les barres de la première pluralité de barres de bobines sont couplées électriquement les unes aux autres par une première pluralité de bobines d'extrémités. Les cales de la pluralité de cales magnétiques (46) en fer fritté sont disposées sur les ouvertures d'au moins une encoche statorique (44) de la pluralité d'encoches statoriques (44).

Description

Machine à aimants permanents tolérante à des defauts tels que les courts-circuits

La présente invention concerne les machines électriques et, en particulier, les machines à aimants permanents (AP).

Des machines à AP sont utilisées dans diverses applications (p.ex. l'aéronautique, les moteurs de propulsion pour véhicules de tourisme, les véhicules militaires terrestres, etc.) pour réaliser des conversions entre l'énergie électrique et l'énergie mécanique. Les machines électriques synchrones à AP selon la technique antérieure emploient, comme pôles magnétiques d'un rotor, des aimants permanents autour desquels est disposé un stator. Le stator a une pluralité de dents en regard du rotor. Selon une autre possibilité, la machine peut être conçue de façon que le rotor entoure le stator. Pour un fonctionnement à grande vitesse, un manchon de retenue enveloppe généralement les aimants comme nécessaire pour maintenir en place les aimants. Le manchon de retenu peut être installé à rétreint sur les aimants pour assurer un ajustement sans glissements. Le manchon de retenue est généralement constitué par un élément entièrement métallique pour préserver l'intégrité de sa structure. Quand les bobines formées sur le stator sont excitées, un flux magnétique est induit par la tension, créant des forces électromagnétiques entre le stator et le rotor. Ces forces électromagnétiques contiennent des forces tangentielles et/ou circonférentielles qui font tourner le rotor. Quand une machine à AP fonctionne en mode génération et connaît un défaut (p.ex. un court-circuit dû à des défauts de bobinage ou à des composants défectueux), il risque d'être impossible d'arrêter rapidement la machine à AP puisque qu'elle est entraînée extérieurement par le système mécanique. Une machine à AP tolérante aux défauts peut être apte à supporter indéfiniment un état de défaut. Cependant, les solutions antérieures pour améliorer la tolérance aux défauts risque d'avoir une incidence défavorable sur la densité de couple de la machine à AP. De la sorte, il serait avantageux d'améliorer la tolérance aux défauts d'une machine à AP sans nuire à la densité de couple.

Selon un premier mode de réalisation, une machine à aimant permanent (AP) comporte un rotor et un système de stator. Le rotor comprend une pluralité d'aimants permanents disposés autour d'un axe de rotation. Le système de stator comprend un corps de stator, une pluralité de barres de bobines et une pluralité de cales magnétiques en fer fritté. Le corps de stator comprend une pluralité de dents statoriques définissant une pluralité d'encoches statoriques, chaque encoche statorique ayant une position interne et une position externe, de telle sorte que chacune des encoches de la pluralité d'encoches statoriques ait une première pluralité de positions internes et une première pluralité de positions externes. La première pluralité de barres de bobines est disposée dans chacune des positions de la première pluralité de positions internes et des positions de la première pluralité de positions externes. La première pluralité de barres de bobines correspond à une première phase de puissance. Les barres de la première pluralité de barres de bobines sont couplées électriquement les unes aux autres par une première pluralité de bobines d'extrémités. La pluralité de cales magnétiques en fer fritté est disposée sur les ouvertures d'au moins une encoche statorique de la pluralité d'encoches statoriques.

Selon un autre mode de réalisation, une machine à aimant permanent (AP) comporte un rotor et un système de stator. Le rotor comprend un moyeu de rotor et une pluralité d'aimants permanents disposés autour du moyeu de rotor. Le système de stator comprend un corps de stator, une première, une deuxième et une troisième pluralités de barres de bobines et une pluralité de cales magnétiques en fer fritté. Le corps de stator comprend une pluralité de dents statoriques définissant une pluralité d'encoches statoriques, chaque encoche statorique ayant une position interne et une position externe, de telle sorte que chacune des encoches de la pluralité d'encoches statoriques ait une première pluralité de positions internes, une deuxième pluralité de positions internes, une troisième pluralité de positions internes, une première pluralité de positions externes, une deuxième pluralité de positions externes et une troisième pluralité de positions externes. Les barres de la première pluralité de barres de bobines sont disposées dans chacune des positions de la première pluralité de positions internes et de la première pluralité de positions externes, la première pluralité de barres de bobines correspondant à une première phase de puissance, les barres de la première pluralité de barres de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une première pluralité de bobines d'extrémités et les barres de la première pluralité de barres de bobines étant séparées les unes des autres par deux dents statoriques. Les barres de la deuxième pluralité de barres de bobines sont disposées dans chacune des positions de la deuxième pluralité de positions internes et des positions de la deuxième pluralité de positions externes, la deuxième pluralité de barres de bobines correspondant à une deuxième phase de puissance, les bobines de la deuxième pluralité de barres de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une seconde pluralité de bobines d'extrémités et les barres de la deuxième pluralité de barres de bobines étant séparées les unes des autres par deux dents statoriques. Les barres de la troisième pluralité de barres de bobines sont disposées dans chacune des positions de la troisième pluralité de positions internes et des positions de la troisième pluralité de positions externes, la troisième pluralité de barres de bobines correspondant à une troisième phase de puissance, les barres de la troisième pluralité de barres de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une troisième pluralité de bobines d'extrémités, et les barres de la troisième pluralité de barres de bobines étant séparées les unes des autres par deux dents statoriques. Les cales de la pluralité de cales magnétiques en fer fritté sont disposées sur les ouvertures d'au moins une encoche statorique de la pluralité d'encoches statoriques.

Dans une troisième forme de réalisation, une machine à aimant permanent (AP) comporte un rotor et un système de stator. Le rotor comprend un moyeu de rotor et une série de 10*N (dix fois N) aimants permanents disposés autour du moyeu de rotor. Le signe * doit être lu comme un facteur de multiplication. Le système de stator comprend un corps de stator, trois séries de barres de bobines et une pluralité de cales magnétiques en fer fritté. Le corps de stator comprend 24*N dents statoriques, les dents statoriques définissant 24*N encoches statoriques, chaque encoche statorique ayant une position interne et une position externe, de telle sorte que les 24*N encoches statoriques comprennent une première série de 8*N positions internes, une deuxième série de 8*N positions internes, une troisième série de 8*N positions internes, une première série de 8*N positions externes, une deuxième série de 8*N positions externes et une troisième série de 8*N positions externes. Les barres de la première série de 16*N barres de bobines sont disposées dans chacune des positions de la première série de 8*N positions internes et de la première série de 8*N positions externes, la première série de 16*N barres de bobines correspondant à une première phase de puissance. Les barres de la première série de 16*N barres de bobines sont couplées électriquement les unes aux autres par une première série de bobines d'extrémités, et les barres de la première série de 16*N barres de bobines sont séparées les unes des autres par deux dents statoriques. Les barres de la deuxième série de 16*N barres de bobines sont disposées dans chacune des positions de la deuxième série de 8*N positions internes et de la deuxième série de 8*N positions externes, la deuxième série de 16*N barres de bobines correspondant à une deuxième phase de puissance. Les barres de la deuxième série de 16*N barres de bobines sont couplées électriquement les unes aux autres par une deuxième série de bobines d'extrémités, et les barres de la deuxième série de 16*N barres de bobines sont séparées les unes des autres par deux dents statoriques. Les barres de la troisième série de 16*N barres de bobines sont disposées dans chacune des positions de la troisième série de 8*N positions internes et de la troisième série de 8*N positions externes, la troisième série de 16*N barres de bobines correspondant à une troisième phase de puissance. Les barres de la troisième série de 16*N barres de bobines sont couplées électriquement les unes aux autres par une troisième série de bobines d'extrémités, et les barres de la troisième série de 16*N barres de bobines sont séparées les unes des autres par deux dents statoriques. Les cales de la pluralité de cales magnétiques en fer fritté sont disposées sur les ouvertures de chacune des encoches de la, pluralité d'encoches statoriques. N est un entier positif. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : -la Figure 1 est une vue éclatée d'une machine à AP typique 5 -la Figure 2 est une vue en coupe d'un rotor selon un mode de réalisation de la présente invention ; -la Figure 3 est une vue en coupe transversale d'une machine triphasée à AP à vingt-quatre, 24, encoches et dix, 10, pôles selon un mode de réalisation e la présente invention ; -la Figure 4 est un schéma d’un bobinage concentré autour de deux, 2, dents pour machine triphasée à AP à 24 encoches et 10 pôles selon un mode de réalisation présente invention ; et -la Figure 5 est un graphique des harmoniques spatiaux de forces magnétomotrice (FMM) produites par une machine triphasée à AP à 24 encoches et 10 pôles avec une topologie de bobinage concentré autour de 2 dents selon un mode de réalisation de la présente invention.

Des machines à aimant permanent (AP) peuvent servir à réaliser des conversions entre l'énergie électrique et l'énergie mécanique. Ordinairement, un rotor tourne à l'intérieur d'un stator, encore qu'il soit également possible que le stator soit à l'intérieur du rotor. Le rotor peut comprendre une pluralité d'aimants disposés sur le pourtour d'un arbre. Le stator peut comprend une ou plusieurs barres de bobines, lesquelles peuvent être connectées à une charge. En tournant dans le stator, les aimants rotatifs présents sur le rotor induisent une tension dans les bobines. Dans d'autres formes de réalisation, le rotor peut comprendre des barres de bobines et le stator peut comprendre une pluralité d'aimants. Lorsqu'une machine à AP connaît un défaut (p.ex. un court-circuit dû à des défauts de bobinage ou à des composants défectueux), le flux magnétique de la machine à AP ne peut pas être arrêté, comme dans certaines autres machines électriques. Ainsi, le flux des aimants peut continuer à ajouter de l'énergie (p.ex. de la chaleur) au bobinage défaillant en embrassant le bobinage ou la spire en court-circuit. De la sorte, une machine à AP tolérant les défauts peut être apte à supporter indéfiniment un état de défaut (p.ex. un court-circuit triphasé) si la chaleur produite du fait de pertes par résistance d'un bobinage est inférieure ou égale à la chaleur produite pendant un fonctionnement nominal. Cependant, les techniques classiques pour accroître la tolérance aux défauts peuvent avoir une incidence négative sur la densité de couple de la machine à AP. Les techniques décrites ici utilisent des cales magnétiques en fer fritté et une topologie de bobinage concentré autour de deux dents afin d'accroître la tolérance aux défauts sans préjudice pour la densité de couple.

La Figure 1 est une vue éclatée d'un mode de réalisation d'une machine à AP typique 10. La machine à AP 10 comprend un rotor 12 qui tourne à l'intérieur d'un stator 14. Le rotor 12 peut comprendre une pluralité d'aimants permanents 16. Le stator peut comprendre des barres 18 de bobines. Lorsque le rotor 12 tourne à l'intérieur du stator 14, une tension est créée par induction magnétique, convertissant ainsi l'énergie mécanique en énergie électrique et vice-versa. Cependant, dans certaines formes de réalisation, la disposition des aimants 16 et des barres 18 de bobines peut être inversée. Ainsi, les barres 18 de bobines peuvent faire partie du rotor 12 et les aimants 16 peuvent faire partie du stator 14. De plus, les barres 18 de bobines peuvent n'être pas de vraies bobines en fil. Par exemple, les barres 18 de bobines peuvent être des barrettes verticales en matériau conducteur (p.ex. du cuivre), du fil de Litz tressé, des nanotubes de carbone conducteurs, des bobines préformées ou toute autre configuration qui permet l'induction d'une tension par les aimants permanents en rotation.

La Figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un rotor 12. Tel qu’illustré, le rotor 12 comprend un arbre 30. Autour de l'arbre 30 se trouve un moyeu 32 de rotor. Le moyeu 32 de rotor peut être en acier magnétique feuilleté, peut consister en une pièce forgée usinée massive en acier magnétique ou peut être en quelque autre matière magnétique. Tel qu’illustré sur la Figure 2, le rotor 12 comprend un moyeu 32 de rotor ayant une section transversale en forme de polygone régulier à 10 côtés. En variante, la section transversale du moyeu 32 de rotor peut être circulaire, triangulaire, carrée, pentagonale, hexagonale, octogonale ou avoir la forme d'un polygone régulier ou irrégulier à n'importe quel nombre de côtés. Par exemple, la section transversale du moyeu 32 de rotor peut avoir la forme d'un polygone à 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 ou plus de 20 côtés. En variante, l'arbre 30 et le moyeu 32 de rotor peuvent être une seule pièce. Comme représenté sur la figure 2, une pluralité d'aimants permanents 18 (ou “pôles”) sont disposés autour du moyeu 32 de rotor. Tel qu’illustré sur la Figure 2, le nombre de pôles 18 est égal au nombre de côtés de la forme de la section transversale du moyeu 32 de rotor. Cependant, en variante, le nombre de pôles peut être supérieur ou inférieure au nombre de côtés de la forme de la section transversale du moyeu 32 de rotor. Par exemple, le moyeu 32 de rotor peut avoir une forme circulaire avec 10 pôles 18 disposés autour du moyeu 32 de rotor. En variante, la forme de la section transversale du moyeu 32 de rotor peut être un polygone à 20 côtés avec 10 pôles 16 disposés autour du moyeu 32 de rotor. Le rotor 12 représenté sur la Figure 2 comprend un manchon de retenue 34 entourant les aimants permanents 16. Cependant, en variante, le rotor 12 peut ne pas comprendre de manchon de retenue 34. Bien que soit représentée sur la Figure 2 une configuration à aimants permanents superficiels (APS) dans laquelle les aimants permanents 16 sont disposés autour du moyeu 32 de rotor, certaines formes de réalisation peuvent utiliser une configuration à aimants permanents intérieurs (API). Ainsi, dans certaines formes de réalisation, les aimants permanents 16 peuvent être disposés à l'intérieur du moyeu 32 de rotor ou de l'arbre 16.

La Figure 3 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une machine à AP triphasée dix à vingt-quatre, 10 à 24, encoches et dix, 10, pôles, ayant un rotor 12 et un stator 14. Pour plus de clarté, la topologie de bobinage n'est pas illustrée sur la Figure 3. La topologie de bobinage sera abordée en détail en référence à la

Figure 4. Le stator 14 peut comprendre un corps 40 de stator ayant une pluralité de dents statoriques 42 qui définissent une pluralité d'encoches statoriques 44. La forme de réalisation représentée sur la Figure 3 comprend 24 dents 42 et 24 encoches 44. Tel qu’illustré sur la Figure 3, on peut voir dix, 10, pôles magnétiques 16 et vingt-quatre, 24, encoches statoriques 44, une telle machine est appelée “machine à AP à 24 encoches et 10 pôles”. Cependant, en variante, le corps 40 de stator peut avoir n'importe quel nombre d'encoches 44 et de dents 42, de telle sorte que la machine 10 à AP ait un nombre fractionnaire d'encoches statoriques par pôle (c'est-à-dire une machine 10 à AP “fractionnaires”). Par exemple, le corps 40 de stator peut avoir 3, 6, 8, 9, 10, 12, 14, 15, 16, 18, 20, 21, 22, 24, 26, 27, 28, 30, 32, 33, 36, 38, 40 ou n'importe quel autre nombre de dents 42 et d'encoches 44 pour autant que le nombre d'encoches soit divisible en parts égales par le nombre de pôles. Selon une autre possibilité, on peut multiplier le nombre d'éléments par un entier N. Par exemple, la machine 10 à AP peut avoir 24*N encoches et 10*N pôles, N étant n'importe quel entier positif. Le nombre d'encoches peut être divisible en parts égales par le nombre de pôles (c'est-à-dire une machine 10 à AP “entiers”). Par exemple, la machine 10 à AP peut avoir 4 pôles magnétiques 16 et 24 encoches 44, ou n'importe quel autre nombre d'encoches et de pôles, de telle sorte que le nombre d'encoches soit divisible en parts égales par le nombre de pôles.

Les encoches statoriques 44 représentées sur la Figure 3 sont ouvertes (c'est-à-dire que chaque ouverture est aussi large que l'encoche 44). De la sorte, à la différence de stators de certaines machines à AP, les dents 42 du stator 14 représentées sur la Figure 3 n'ont pas de tenon. Les encoches statoriques ouvertes 44 permettent que les barres 18 de bobines soient partiellement ou entièrement formées à l'avance puis lâchées dans les encoches statoriques 44. Cela permet de réaliser des économies sur le coût de fabrication du stator 14. Des bobines d'extrémités peuvent connecter les barres 18 de bobines et s'enrouler autour des dents statoriques 42 suivant une topologie de bobinage concentré autour de deux dents qui sera décrite plus en détail en référence à la Figure 4. Comme représenté sur la Figure 3, les encoches statoriques 44 peuvent être divisées en deux ou plus de deux sections pour permettre que de multiples phases de barres 18 de bobines, séparées par un isolant, occupent une seule encoche statorique 44.

Des cales magnétiques 46 peuvent être placées sur les ouvertures des encoches statoriques 44 afin de maintenir en place les barres 18 de bobines. Ordinairement, l'inductance de fuite d'un stator 14 peut être réglée en ajustant la conception des tenons des dents statoriques 42. Bien que dans l’exemple de réalisation illustré, il n’y ait pas de tenons de dents statoriques 42, l'inductance de fuite peut être réglée en ajustant la conception des cales magnétiques 46. En variante, les cales magnétiques 46 peuvent être réalisées en poudre de fer frittée mélangée à des charges. E'emploi de poudre de fer frittée mélangée à des charges donne une cale magnétique à bonne perméabilité magnétique relative mais à faible conductivité électrique. En outre, l'utilisation de poudre de fer frittée permet de concevoir des cales magnétiques 46 avec une large gamme de propriétés de perméabilité magnétique relative en jouant sur la quantité de fer. En revanche, des cales magnétiques fabriquées avec d'autres matières et/ou procédés, notamment la Vetroferrite®, risquent d'avoir des intervalles de perméabilité relative limités en raison de l'utilisation de matières amagnétiques comme charges. Par exemple, une cale magnétique 46 peut avoir une perméabilité relative (*r) de 1, 3, 5, 8, 10, 14, 20, 25, 30, 38, 48, 60, 72, 85, 100 ou n'importe quel autre nombre supérieur ou inférieur aux valeurs citées ou intermédiaire entre celles-ci, la perméabilité relative de l'air étant de 1.

Dans les types de stators 14 courants, l'utilisation d'encoches statoriques ouvertes 44 réduit le flux embrassé net du bobinage statorique et l'inductance de fuite, ce qui, à son tour, réduit la densité de couple et accroît le courant de court-circuit de la machine. Cependant, l'utilisation des cales magnétiques 46 accroît la densité de couple de la machine tout en accroissant également l'inductance de fuite du type de machine en comparaison d'un type de machine similaire sans cales magnétiques. Dans certaines formes de réalisation, les cales magnétiques 46 peuvent avoir un revêtement pour éviter l'empoussiérage ou l'érosion provoqué par les vibrations pendant le fonctionnement. Le revêtement peut être en matière métallique, thermodurcissable, thermoplastique, composite ou autre servent à empêcher l'érosion des cales magnétiques 46. Cependant, les cales magnétiques 46 peuvent être dépourvues de revêtement.

La Figure 4 est un schéma d'un mode de réalisation d'une topologie de bobinage concentré autour de 2 dents pour une machine triphasée 10 à AP à 24 encoches et 10 pôles. Bien que les topologies de bobinage entièrement concentré couvrent généralement une seule dent statorique 42, dans la topologie de bobinage concentré autour de 2 dents représentée sur la Figure 4, les bobines d'extrémités 74 connectant les barres 18 de bobines couvrent 2 dents statoriques 42. Comme évoqué plus haut, les encoches statoriques 44 peuvent être divisées en deux sections, représentées sur la Figure 4, permettant à 2 barres 18 de bobines, qui peuvent être de phases différentes, de partager une encoche statorique 44. Dans une telle forme de réalisation, un isolant peut servir entre les barres 18 de bobines afin d'empêcher tout contact entre les bobines d'extrémités 74. Par exemple, dans certaines formes de réalisation, les barres 18 de bobines peuvent comprendre du fil de Litz torsadé, tassé pour acquérir une section transversale rectangulaire et revêtu d'un isolant. En variante, le moyen de séparation peut être un isolant. Par exemple, les encoches statoriques ouvertes 44 avec un moyen de séparation isolant peuvent permettre que des barres individuelles 18 de bobines soient formées hors du stator 14, lâchées dans les encoches statoriques 44, puis brasées. Cette configuration à bobines “lâchées” facilite l'utilisation de barrettes rectangulaires verticales en cuivre pour bobiner des spires à forme rectangulaire, ce qui peut limiter le pic d'intensité pendant les défauts de courts-circuits de spire à spire. Les diverses barres 18 de bobines peuvent être connectées à l'aide de bobines d'extrémités 74, comme représenté sur la Figure 4.

Globalement, la topologie de bobinage a deux motifs de bobinage séparés, décalés l'un par rapport à l'autre puis connectés en série. Sur la figure 4, les 3 phases sont désignées par A, B et C. Comme représenté sur la Figure 4, une bobine d'extrémité 74 se fixe à la barre positive 70 de bobines d'une phase (p.ex. A+), couvre 2 dents (à savoir une “envergure de 2 dents”), puis se connecte à la barre négative 72 de bobines de la même phase (p.ex. A-). Les bobines d'extrémités 74 sont ensuite montées en série ou en parallèle.

Comme représenté sur la figure 4, les bobines d'extrémités extérieures 74 peuvent être appariées de façon que les deux bobines d'extrémités 74 d'une paire soient orientées dans le même sens. Le sens des paires de bobines d'extrémités 74 alterne entre le sens horaire et le sens anti-horaire en tournant autour de l'extérieur du stator 14. De plus, chacune des paires de bobines d'extrémités 74 à l'extérieur du stator comprend des bobines d'extrémités 74 de deux phases différentes. De la sorte, en tournant dans un sens horaire autour de l'extérieur du stator 14, la combinaison de phases des barres 70 de bobines est A+, A+, C+, A-, C-, C-, B-, C+, B+, B+, A+, B-.. La combinaison se répète ensuite, mais avec des polarités opposées, A-, A-, C-, A+, C+, C+, B+, C-, B-, B-, A-, B + .

Les bobines d'extrémités intérieures 74 peuvent être appariées de façon que les deux bobines d'extrémités 74 d'une paire soient orientées dans des sens contraires. Les paires alternent entre le sens de l'intérieur vers l'extérieur et le sens de l'extérieur vers l'intérieur en tournant autour de l'intérieur du stator 14. Comme dans le cas des bobines d'extrémités extérieures 74, chacune des paires de bobines d'extrémités 74 à l'intérieur du stator comprend des bobines d'extrémités 74 de deux phases différentes. De la sorte, en tournant dans un sens horaire autour de l'intérieur du stator 14, la combinaison de phases des barres 70 de bobines est C-, B-, C+, A-, B+, A+, B-, C+, A-, C-, A+, B-. Comme dans le cas des barres 70 de bobines extérieures, la combinaison se répète, mais avec des polarités opposées, C+, B+, C-, A+, B-, A-, B+, C-, A+, C+, A-, B+.

La topologie de bobinage concentré autour de 2 dents représentée sur la figure 4 offre un compromis entre le bobinage entièrement concentré et le bobinage réparti. En particulier, la topologie de bobinage limite les pertes électromagnétiques du rotor en réduisant énormément les harmoniques spatiaux de la force magnétomotrice (FMM) qui, sinon, seraient produits par un bobinage entièrement concentré. Les bobinages concentrés limitent aussi le couplage électromagnétique entre les bobines d'extrémités 74 de phases afin de limiter les courants de courts-circuits. Cependant, une certaine isolation entre phases est préservée en raison de la petitesse de l'angle d'inclinaison du bobinage concentré et du façonnage soigné des régions terminales des bobines d'extrémités 74 des phases.

Cependant, les techniques présentées ne se limitent pas au motif de bobinage spécifique représenté sur la Figure 4. Des modes de réalisation comportant un stator 14 avec plus ou moins que 24 encoches statoriques 44 peuvent avoir un motif de bobinage légèrement différent pour permettre des nombres différents d'encoches statoriques 44 et de dents statoriques 42 ou des nombres différents de pôles 16 et/ou de phases. Dans de telles formes de réalisation, une bobine d'extrémité donnée 74 connectera encore une barre négative 70 de bobines à une barre positive 72 de bobines et pourra croiser ou non deux dents statoriques 42.

La Figure 5 est un graphique 100 des harmoniques spatiaux de FMM produites par une machine triphasée à AP à 24 encoches et 10 pôles avec une topologie de bobinage concentré autour de 2 dents représentée sur la Figure 4. L'axe des X 102 représente les divers harmoniques et l'axe des Y 104 représente la valeur des harmoniques spatiaux de FMM produits par le bobinage statorique 14. Globalement, un seul harmonique produit un couple. Les autres harmoniques sont considérés comme parasites. Globalement, il est souhaitable d'avoir un harmonique spatial de FMM produisant un couple élevé, mais aussi un nombre minime d'harmoniques parasites. On notera que sur le graphique 100 de la Figure 5 le cinquième harmonique 106 est l'harmonique produisant un couple et que les autres harmoniques parasites d'espace de FMM sont de rang bas. De la sorte, la machine triphasée à AP à 24 encoches et 10 pôles avec la topologie de bobinage représentée sur la Figure 4 est une machine à AP tolérante aux défauts, qui limite aussi les harmoniques parasites d'espace de FMM.

Les valeurs de couples et les courants de courts-circuits triphasés à régime permanent de plusieurs formes de réalisation d'une machine 10 à AP fractionnaires à 24 encoches et 10 pôles sont indiqués ci-dessous sur le Tableau 1. TABLEAU 1

La machine à AP à “encoches semi-fermées” consiste en une machine à AP qui n'utilise pas de cales magnétiques 46. Dans une telle conception, une machine à AP a un corps de stator dans lequel les dents statoriques 42 ont un tenon et les encoches statoriques 44 sont semi-fermées. Les autres formes de réalisation mentionnées sur le Tableau 1 ont un corps de stator avec des encoches statoriques ouvertes et des cales magnétiques 46 à perméabilité magnétique relative variable. En comparaison de la conception à encoches semi-fermées, la production du couple à une intensité de 270 Arms n'est que légèrement inférieure, dans les conceptions à encoches statoriques ouvertes 44 et cales magnétiques 46, à celle des conceptions à encoches semi-fermées. A 600 Arms, la production du couple des conceptions à encoches statoriques ouvertes 44 et cales magnétiques 46 est améliorée en comparaison d'une conception à encoches semi-fermées. Comme représenté sur le Tableau 1, l'intensité du courant de court-circuit triphasé à régime permanent chute à mesure que la perméabilité magnétique relative (pr) de la cale magnétique 46 se rapproche d'une valeur de 60. En utilisant une cale magnétique à perméabilité magnétique relative de 60,

l'intensité du courant de court-circuit triphasé à régime permanent de la machine à AP est inférieure de 40 Arms à celle de la conception à encoches semi-fermées.

De même, les valeurs de couple et les intensités de courant de court-circuit triphasé à régime permanent de plusieurs formes de réalisation d'une machine 10 à AP entiers à 24 encoches et 4 pôles sont indiquées ci-dessous sur le Tableau 2. Bien que la machine 10 à AP entiers à 24 encoches et 4 pôles ait une topologie de bobinage à envergure de 5 dents, d'autres topologies de bobinage peuvent être possibles. TABLEAU 2

Comme évoqué en référence au Tableau 1, la machine à AP à “encoches semi-fermées” du Tableau 2 consiste en une machine à AP qui a un corps de stator dans lequel les dents statoriques 42 ont un tenon et les encoches statoriques 44 sont semi-fermées, plutôt que des cales magnétiques en fer fritté. Les autres formes de réalisation mentionnées sur le Tableau 2 ont un corps de stator avec des encoches statoriques ouvertes et des cales magnétiques frittées 46 à perméabilité magnétique relative variable. En comparaison de la conception à encoches semi-fermées, la production du couple à

des intensités de 270 Arms et de 600 Arms n'est que légèrement inférieure, dans les conceptions à encoches statoriques ouvertes 44 et cales magnétiques 46, à celle des conceptions à encoches semi-fermées. Comme représenté sur le Tableau 2, l'intensité du courant de court-circuit triphasé à régime permanent chute à mesure que la perméabilité magnétique relative (pr) de la cale magnétique 46 se rapproche d'une valeur de 60. En utilisant une cale magnétique à perméabilité magnétique relative de 60, l'intensité du courant de court-circuit triphasé à régime permanent de la machine à AP est inférieure de 40 Arms à celle de la conception à encoches semi-fermées. L'utilisation de cales magnétiques 46 en poudre de fer frittée avec la topologie de bobinage concentré sur 2 dents présentée en référence à la Figure 4 aboutit à une machine 10 à AP tolérante aux défauts qui n'est pas préjudiciable à la densité de couple. Les techniques proposées permettent au concepteur d'une machine 10 à AP de régler d'inductance de fuite du bobinage, ce qui limite le courant de court-circuit de la machine, sans incidence défavorable sur la densité de couple. De plus, les techniques proposées peuvent réduire les ondulations de couple. La machine à AP réalisée peut être apte à supporter indéfiniment un court-circuit triphasé. Un corps 40 de stator à encoches ouvertes 44 permet aussi de fabriquer des barres 18 de bobines de la machine 10 à AP à l'extérieur du stator 14, puis de les insérer dans les encoches statoriques 44. L'utilisation de cales magnétiques en poudre de fer frittée permet au concepteur de mieux maîtriser le réglage de l'inductance de fuite en comparaison d'autres cales magnétiques (p.ex. en Vetroferrite®) ou de conceptions à encoches semi-fermées. Le revêtement des cales magnétiques 46 en poudre de verre frittée peut empêcher l'érosion ou l'empoussiérage dû aux vibrations.

Claims

REVENDICATIONS

1, Machine (10) à aimants permanents (AP), comportant : un rotor (12) comprenant 1 Ü*N aimants permanents (16) disposés autour d’un axe de rotation ; et un système de stator (14) comprenant : un corps (40) de stator possédant 24*N dents statoriques (42) disposées circonférentiellement autour dudit corps (40) et s’étendant radialement. vers l’intérieur à partir dudit corps vers Taxe central dudit corps, les dents statoriques (42) définissant 24*N encoches statoriques (44), chaque encoche statorique (44) étant disposée entre deux dents statoriques adjacentes ; une première série (18) de 16*N barres de bobines disposées chacune dans une encoche statorique (44) correspondante, chacune des 24*N étant configurée pour recevoir deux barres de bobines (18) disposées radialement adjacentes l’une à l’autre par rapport à l’axe central du corps du stator ; la première série de barres (18) de bobines correspondant à une première phase de puissance, les barres de la première série de barres (18) de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une première série de 16*N de bobines d'extrémités (74) ; et la première série de barres (18) de bobines étant séparées Tune de Γautre par deux dents statoriques (42) ; et une pluralité de cales magnétiques (46) en fer fritté, chacune disposée sur une ouverture d'au moins une encoche statorique (44) des 24*N encoches statoriques (44) : N étant un entier positif; et la machine (10) à AP ayant un nombre fractionnaire d'encoches statoriques par nombre de pôles à aimants permanents (16).
2, Machine (10) à AP selon la revendication 1, dans laquelle une perméabilité magnétique relative des cales magnétiques (46) en fer .fritté est de 10 ou plus de 10.
3, Machine (10) à AP selon la revendication 1, dans laquelle chaque cale de la pluralité de cales magnétiques (46) en fer fritté comprend un revêtement en au moins un matériau ou une combinaison de matériau comprenant une matière métallique, thermodurcissable, thermoplastique ou composite.
4. Machine (10) à AP selon la revendication 1. dans laquelle le système de stator (14) comprend : une deuxième série de 16*N barres (18) de bobines disposées chacune dans une encoche statorique d’une seconde série de 24*N d’encoches, » la deuxième série de barres (18) de bobines correspondant à une deuxième phase de puissance, les barres de la deuxième série de barres (18) de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une seconde série de 16*N bobines d’extrémités (74) et les barres de la deuxième série de barres (18) de bobines étant séparées les unes des autres par deux dents statoriques (42) ; et une troisième série de 16*N barres (18) de bobines disposées chacune dans une encoche statorique d’une troisième série de 24*N d’encoches, la troisième série de barres (18) de bobines correspondant à une troisième phase de puissance, les barres de la troisième série de barres (18) de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une troisième série de 16*N bobines d'extrémités (74), et les barres de la troisième série de barres (18) de bobines étant séparées les unes des autres par deux dents statoriques (42).
5. Machine (10) à AP selon la revendication 1, dans laquelle les barres de la première série de barres (18) de bobines sont configurées pour être insérées dans une ouverture correspondante de la première série de 24* N d’encoches statoriques (44) et brasées,
6. Machine (10) à AP selon la revendication 1, dans laquelle chacune des barres de la première série de barres (18) de bobines comprennent une barrette verticale de enivre.
7. Machine (10) à AP selon la revendication 1, dans laquelle les barres de bobine adjacentes disposées dans au moins une des 24*N encoches statoriques sont séparées par un isolant.
8. Machine (10) à AP selon la revendication 4, dans laquelle la machine (10) à AP supporte un courant de court-circuit triphasé.
9. Machine (10) à aimants permanents (AP), comportant : un rotor (12) comprenant ; un moyeu (32) de rotor ; et 10*N aimants permanents (16) disposés autour du moyen (32) de rotor ; un corps (40) de stator annulaire possédant 24*N dents statoriques (42) disposées circonférentiellement autour dudit corps (40) et s’étendant radiaiement vers Γintérieur à partir dudit corps vers l’axe central dudit corps, les 24*N dents statoriques (42) définissant 24*N encoches statoriques (44), chaque encoche statorique (44) étant disposée entre deux dents statoriques adjacentes de sorte que chacune encoche statorique comprend : une position interne ; et une position externe ; une première série de 16*N barres (18) de bobines disposées chacune dans la position interne ou la position externe de l’encoche statorique correspondante de la première série de 24“N encoches statoriques, la première série de barres (18) de bobines correspondant à une première phase de puissance, les barres de la première série de barres (18) de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une première série de 16*N bobines d'extrémités (74), et les barres de la première série de barres (18) de bobines étant séparées les unes des autres par deux dents statoriques (42) ; une pluralité de cales magnétiques (46) en fer fritté chacune disposée sur une ouverture d’an moins une encoche statorique (44) des 24*N encoches statoriques (44), N étant un entier positif et la machine (10) à AP ayant un nombre fractionnaire d'encoches statoriques par nombre de pôles à aimants permanents (16),
10. Machine (10) à AP selon la revendication 9, dans laquelle les barres de la première série de barres (18) de bobines sont configurées pour être insérées dans une ouverture correspondante de la première série de 24*N 'encoches statoriques (44) et brasées,
11, Machine (10) à AP selon la revendication 9, dans laquelle une perméabilité magnétique relative des cales magnétiques (26) en fer fritté est de 10 ou plus de 10.
12, Machine (10) à AP selon la revendication 9, dans laquelle la position interne et la position externe de chacune des barres de bobines sont séparées par un isolant,
13. Machine ( 10) à aimants permanents (AP) comportant ; un rotor (12) comprenant : un moyeu (32) de rotor ; et une série de 10*N pôles à aimants permanents (16) disposés autour du moyeu (32) de rotor ; un système de stator (14) comprenant un corps (40) annulaire de stator possédant 24*N dents statoriques disposées circonférentiellement autour dudit corps (40) et s’étendant radialement vers l’intérieur à partir dudit corps vers l’axe central dudit corps, les dents statoriques définissant 24 *N encoches statoriques, chaque encoche statorique est disposées entre deux dents statoriques adjacentes de sorte que chaque encoche statorique des 24*N encoches statoriques aient : une position interne ; et une position externe ; une première série de 16*N barres (18) de bobines disposées chacune dans une position interne ou la position externe de l’encoche statorique correspondante de la première série d’encoches statoriques, la première série de 16*N barres (18) de bobines correspondant à une première phase de puissance, les barres de la première série de 16*N barres (18) de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une première série de bobines d’extrémités (74), et les barres de la première série de 16*N barres (18) de bobines étant séparées les unes des autres par deux dents statoriques (42) ; une deuxième série de 16*N barres (18) de bobines étant disposées chacune dans une position interne ou une position externe de l’encoche statorique correspondante de la première série d’encoches statoriques, la deuxième série de 16*N barres de bobines correspondant à une deuxième phase de puissance, les barres de la deuxième série de .16*N barres de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une deuxième série de bobines d'extrémités (74), et les barres de la deuxième série de 16*N barres (18) de bobines étant séparées les unes des autres par deux dents statoriques (42) ; une troisième série de 16*N barres (18) de bobines étant disposées chacune dans une position interne ou une position externe de l’encoche statorique correspondante de la première série d’encoches statoriques, la troisième série de 16*N barres (18) de bobines correspondant à une troisième phase de puissance ; les barres de la troisième série de 16*N barres (18) de bobines étant couplées électriquement les unes aux autres par une troisième série de bobines d'extrémités (74), et les barres de la troisième série de 16*N barres (18) de bobines étant séparées les unes des autres par deux dents statoriques (42) ; et une pluralité de cales magnétiques (46) en fer fritté disposées chacune sur une ouverture de chacune des encoches de la série d’encoches statoriques (44); N étant un entier positif; la machine (10) à AP ayant un nombre fractionnaire d'encoches statoriques par nombre de pôles à aimants permanents (16).
14. Machine (10) à AP selon la revendication 13, dans laquelle les barres de la première pluralité de barres (18) de bobines sont configurées pour être insérées dans une ouverture correspondante de la première série d’encoches statoriques (44) et brasées.
15. Machine (10) à ÀP selon la revendication 13, dans laquelle une perméabilité magnétique relative des cales magnétiques (26) en fer fritté est de 10 ou plus de 10.
16. Machine (10) à AP selon la revendication 13, dans laquelle la position interne et la position externe de chacune des encoches statoriques sont séparées par un isolant.