FR3059847A1 - Machine electrique tournante ayant un faible bruit acoustique d'origine electromagnetique - Google Patents

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Abstract

L'invention se rapporte à une machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant : - un stator (15) formé par un paquet de tôles empilées présentant une paroi externe et comportant une pluralité de dents statoriques (20) et une pluralité d'encoches (24), chaque encoche (24) étant disposée entre deux dents statoriques (20) adjacentes ; - un rotor (11) comportant une pluralité de pôles magnétiques, le rotor (11) étant configuré pour pouvoir être mis en rotation par rapport au stator (15), les tôles du paquet de tôles étant solidarisées entre elles par un nombre impair de soudures (40-1, 40-2, 40-3, 40-4, 40-5) ménagées sur la paroi externe du stator (15).

Description

Titulaire(s) : VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR Société par actions simplifiée.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR Société par actions simplifiée.
FR 3 059 847 - A1 © MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE AYANT ELECTROMAGNETIQUE.
©) L'invention se rapporte à une machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant:
- un stator (15) formé par un paquet de tôles empilées présentant une paroi externe et comportant une pluralité de dents statoriques (20) et une pluralité d'encoches (24), chaque encoche (24) étant disposée entre deux dents statoriques (20) adjacentes;
- un rotor (11 ) comportant une pluralité de pôles magnétiques, le rotor (11 ) étant configuré pour pouvoir être mis en rotation par rapport au stator (15), les tôles du paquet de tôles étant solidarisées entre elles par un nombre impair de soudures (40-1,40-2, 40-3, 40-4, 40-5) ménagées sur la paroi externe du stator (15).
UN FAIBLE BRUIT ACOUSTIQUE D'ORIGINE :
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MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE AYANT UN FAIBLE BRUIT ACOUSTIQUE D’ORIGINE ELECTROMAGNETIQUE
L’invention se rapporte au domaine général de l’automobile. Elle concerne plus particulièrement une machine électrique tournante dont les tôles du paquet de tôles formant le stator, sont solidarisées entre elles par des soudures ménagées sur la paroi externe du stator.
Les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d’un îo arbre, le rotor étant séparé du rotor par un entrefer. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes.
Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le stator comporte un corps formé par un empilement axial de feuilles de tôles solidarisées sous forme de paquet par des soudures, généralement six soudures réparties uniformément sur la circonférence du stator. En outre, le corps du stator est muni d'une pluralité de dents définissant des encoches, et un bobinage inséré dans les encoches du stator. Le bobinage est obtenu par exemple à partir de fils continus recouverts d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, les phases de la machine sont formées à partir de bobines individuelles enroulées chacune autour d'une dent statorique. Les phases connectées en étoile ou en triangle comportent des sorties reliées à un module électrique de commande.
Par ailleurs, le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités délimitées chacune par deux dents rotoriques adjacentes. Le rotor comporte un corps formé par un empilage axial de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet par des moyens de fixation.
Une des problèmes de ces machines électriques tournantes est la présence de bruit acoustique. Le bruit acoustique peut être d’origine mécanique, aérodynamique ou encore électromagnétique.
Des études réalisées sur les machines électriques tournantes ont permis d’identifier les paramètres les plus influents sur le bruit acoustique d’origine électromagnétique.
II s’agit notamment de la variation de l’épaisseur de l’entrefer entre le stator et le rotor. En effet, si théoriquement l’entrefer présente une épaisseur constante, en pratique, un retrait de certaines dents statoriques (vers l’extérieur du stator), provoqué par les soudures ménagées sur la paroi externe du stator, est observé. Un tel retrait des dents est ainsi responsable d’une variation de l’épaisseur de l’entrefer, augmentant alors le bruit acoustique mesuré dans les machines électriques tournantes.
Le bruit acoustique d’origine électromagnétique des machines électriques tournantes est directement lié à la présence d’harmoniques d’induction dans l’entrefer de la io machine électrique tournante. La figure 1 représente ainsi le niveau de puissance acoustique Y (exprimé en dBA) des harmoniques mesurés dans une machine électrique tournante A dans laquelle le stator ne présente aucune soudure et dans une machine électrique tournante B dans laquelle le stator présente un retrait de certaines dents. En référence à la figure 1, les niveaux de puissance acoustique des harmoniques mesurés dans la machine électrique tournante B sont plus élevés.
L’invention vise donc à fournir une solution permettant de réduire le bruit acoustique d’origine électromagnétique dans une machine électrique tournante.
Ainsi, l’invention concerne une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant :
- un stator formé par un paquet de tôles empilées, présentant une paroi externe, comportant une pluralité de dents statoriques et une pluralité d’encoches, chaque encoche étant disposée entre deux dents statoriques adjacentes ;
- un rotor comportant une pluralité de pôles magnétiques, le rotor étant configuré 25 pour pouvoir être mis en rotation par rapport au stator, les tôles du paquet de tôles étant solidarisées entre elles par un nombre impair de soudures ménagées sur la paroi externe du stator.
Les soudures peuvent comporter chacune un cordon de soudure ou une ligne de soudure qui s’étend le long de la paroi externe du stator.
De manière surprenante, un nombre impair de soudures ménagées sur la paroi externe du stator permet de réduire significativement le bruit acoustique d’origine électromagnétique.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le nombre de soudures est supérieur ou égal à 5.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le nombre de soudures est égal à 7 ou 9.
Selon un mode de réalisation non limitatif, les soudures sont réparties 5 circonférentiellement sur la paroi externe du stator de manière à ce qu’il existe au moins deux angles différents entre deux soudures adjacentes, chaque angle étant considéré dans un plan orthogonal à l’axe longitudinal du stator et mesuré entre deux rayons passant par ledit axe longitudinal et par les soudures adjacentes.
Selon un mode de réalisation non limitatif, chaque angle considéré entre deux io soudures adjacentes est différent des autres angles entre deux soudures adjacentes.
Selon un mode de réalisation non limitatif, les soudures sont réparties circonférentiellement sur la paroi externe du stator de sorte qu’il existe un nombre de dents statoriques différent entre deux soudures adjacentes.
Selon un mode de réalisation non limitatif, chaque angle considéré entre deux 15 soudures adjacentes est différent des autres angles entre deux soudures adjacentes.
Selon un mode de réalisation non limitatif, les soudures sont réparties circonférentiellement sur la paroi externe du stator de sorte que qu’il existe un nombre de dents statoriques différent entre deux soudures adjacentes.
Selon un mode de réalisation non limitatif, chaque encoche est délimitée par une 20 première face latérale et une deuxième face latérale, le prolongement desdites faces latérales sur la paroi externe du stator définissant une zone dans laquelle au moins une soudure est ménagée.
Selon un mode de réalisation non limitatif, au moins une soudure ménagée dans la paroi externe du stator est positionnée à équidistance de deux dents statoriques adjacentes.
Selon un mode de réalisation non limitatif, chaque soudure est positionnée dans une gorge ménagée sur la paroi externe du stator, ladite gorge s’étendant selon un axe parallèle à l’axe longitudinal du stator.
Selon un mode de réalisation non limitatif, chaque soudure s’étend selon un axe 30 parallèle à l’axe longitudinal du stator.
Selon un mode de réalisation non limitatif, chaque soudure s’étend selon un axe perpendiculaire au plan formé par une tôle du paquet de tôles.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1, déjà décrite, représente un spectre représentant les harmoniques mesurés dans une machine électrique tournante dont le stator ne présente pas de soudures et ceux mesurés dans une machine électrique tournante dont le stator présente des dents statoriques en retrait.
io La figure 2 est une vue en coupe transversale d’une machine électrique tournante selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 est une vue en perspective d’un stator sur lequel est ménagée une pluralité de gorges longitudinales ainsi qu’un agrandissement d’une partie dudit stator.
La figure 4 représente de manière schématique un cordon de soudure positionné dans une gorge longitudinale du paquet de tôles représenté sur la figure 3.
Les figures 5a et 5b représentent respectivement le spectre des forces magnétiques radiales sur le stator et le spectre du couple électromagnétique lorsque le nombre de soudures est pair (6 soudures) et lorsque le nombre de soudures est impair (5, 7 et 9 soudures).
La figure 6 est une vue en coupe transversale de la machine électrique tournante selon un autre mode de réalisation.
Les figures 7 et 8 représentent respectivement une vue en en coupe transversale et une vue en perspective d’une portion du stator représenté à la figure 3.
L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent.
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
En référence à la figure 2, la machine électrique tournante 10 selon l’invention comporte un rotor 11 ayant un axe de rotation XX’ et destiné à être monté sur un arbre 12. Un stator 15, qui pourra être polyphasé, entoure le rotor 11 avec présence d'un entrefer E entre la périphérie externe du rotor 11 et la périphérie interne du stator 15. Par « périphérie », on entend le pourtour d’une pièce. Par « interne », on entend la partie de la pièce située la plus proche de l’axe de rotation XX’ du rotor 11 ou de l’axe longitudinal YY’ du stator 15, par opposition à « externe » qui correspond à la partie de la pièce située la plus éloignée dudit axe de rotation XX’ du rotor 11 ou de l’axe longitudinal YY’ du stator 15. Le stator 15 est fixé sur un carter configuré io pour porter à rotation l’arbre 12 via des roulements à billes et/ou à aiguilles.
Plus précisément, le stator 15 comporte un corps 16 et un bobinage (non représenté sur la figure 2). Le corps 16 de stator 15 consiste en un empilement axial de tôles 39 planes. Par « axial», on entend que les tôles sont positionnées selon un plan orthogonal à l’axe longitudinal YY’ du stator 15. Le corps 16 comporte des dents statoriques 20 réparties angulairement de manière régulière sur une périphérie interne d'une culasse 21. Les dents statoriques 20 délimitent des encoches 24, de sorte que chaque encoche 24 est délimitée par deux dents 20 successives. Chaque encoche 24 est délimitée par une première face latérale 24-1 et une deuxième face latérale 24-2 qui s’étendent perpendiculairement à l’axe longitudinal YY’ du stator 15.
La culasse 21 correspond ainsi à la portion annulaire externe pleine du corps 16 qui s'étend entre le fond des encoches 24 et la périphérie externe du stator 15.
Les encoches 24 débouchent axialement dans les faces d'extrémité axiales du corps
16. Les encoches 24 sont également ouvertes radialement vers l'intérieur du corps
16.
Par ailleurs, le stator 15 est muni de pieds de dent 25 du côté des extrémités libres des dents 20 comme on peut le voir sur les figures 7 et 8. Chaque pied de dent 25 s'étend circonférentiellement de part et d'autre d'une dent 20 correspondante.
Pour obtenir le bobinage, plusieurs phases sont formées par des bobines enroulées chacune autour d'une dent 20. Chaque bobine est formée à partir d'un fil électriquement conducteur recouvert d'une couche de matériau électriquement isolant tel que de l'émail. Dans un exemple de réalisation, un isolant de bobine pourra être intercalé entre chaque bobine et la dent 20 correspondante.
Par ailleurs, le rotor 11 comporte un corps 31 formé par un empilement axial de tôles planes afin de diminuer les courants de Foucault. Le corps 31 est réalisé en matière ferromagnétique. Le corps 31 peut être lié en rotation à l’arbre 12 de la machine électrique tournante 10 de différentes manières, par exemple par emmanchement en force de l’arbre 12 cannelé à l’intérieur de l’ouverture centrale 32 du rotor 11 réalisée dans l'âme 33.
De plus, le rotor 11 comporte des cavités 36 destinées à recevoir des aimants permanents formant des pôles magnétiques 37. Chaque cavité 36 traverse le corps 31 d'une face d'extrémité axiale à l'autre et est ouverte du côté de la périphérie îo externe du rotor 11. En l'occurrence, les cavités 36 sont délimitées chacune par deux dents rotoriques adjacentes issues de l'âme centrale 33 du rotor 11. En variante, les cavités 36 pourront être borgnes.
Comme précisé précédemment, le corps 16 de stator 15 est formé par un empilement axial de tôles 39 planes, visible sur la figure 3, formant un paquet de tôles 41. Les tôles 39 empilées du paquet de tôle 41 sont fixées les unes aux autres au moyen de soudures 40 ménagées sur la paroi externe du stator 15. Par « soudures », on entend des lignes de soudures 40 ou des cordons de soudures 40 qui s’étendent sensiblement le long d’un axe parallèle à l’axe longitudinal YY’ du stator 15. Dans un autre mode de réalisation, les lignes de soudures 40 ou cordons de soudures 40 ne s’étendent pas selon un axe parallèle à l’axe longitudinal YY’ du stator 15.
Par ailleurs, avantageusement, une pluralité d’échancrures 43 est réalisée sur la périphérie externe 42 de chaque tôle 39, chaque échancrure 43 s’étendant vers la périphérie interne 39-1 de la tôle 39. Ainsi, lorsque les tôles 39 sont empilées axialement les unes sur les autres, les échancrures 43 se superposent pour former une pluralité de gorges longitudinales 44 adaptées pour recevoir des soudures 40.
Afin de réduire le bruit acoustique d’origine électromagnétique, la machine électrique tournante 10 selon l’invention comporte un nombre impair de soudures 40 ménagées sur la paroi externe du stator 15. En effet, de manière générale, le nombre de soudures 40 réalisées sur la paroi externe d’un stator 15 est pair, généralement au nombre de 6 soudures réparties uniformément sur la circonférence du stator 15.
Avantageusement, le nombre de soudures 40 est supérieur ou égal à 5. Par exemple, dans le mode de réalisation présenté à la figure 2, la machine électrique tournante 10 selon l’invention comporte cinq soudures 40-1,40-2, 40-3, 40-4 et 40-5. Dans un mode de réalisation préférentiel, le nombre de soudures 40 est égal à 7 ou
9.
Les figures 5a et 5b représentent respectivement le spectre des forces magnétiques radiales sur le stator et le spectre du couple électromagnétique lorsque le nombre de soudures est pair (6 soudures) et lorsque le nombre de soudures est impair (5, 7 et 9 soudures). En effet, les forces magnétiques radiales et le couple électromagnétique constituent la source du bruit acoustique d’origine électromagnétique.
Comme on peut le voir sur les figures 5a et 5b, les forces magnétiques radiales Z1 io (exprimé en N) et le couple électromagnétique Z2 (exprimé en N.m) mesurés pour une machine électrique tournante dont le stator 15 présente six soudures sont globalement plus élevés que pour des machines électriques tournantes dont le stator présente 5, 7 ou encore 9 soudures.
Par ailleurs, pour réduire d’avantage le bruit acoustique d’origine électromagnétique de la machine électrique tournante 10, outre un nombre impair de soudures 40, les soudures 40 ne sont pas réparties uniformément sur la circonférence de la paroi externe du stator 15. En d’autres termes, les soudures 40 sont réparties circonférentiellement sur la paroi externe du stator 15 de manière à ce qu’il existe au moins deux angles différents entre deux soudures adjacentes. On note que chaque angle est considéré dans un plan orthogonal à l’axe longitudinal YY’ du stator 15 et mesuré entre deux rayons r passant par ledit axe longitudinal YY’ et par les soudures adjacentes tel que représenté sur la figure 6. Ainsi, par exemple, un premier angle α-ι, mesuré entre un rayon r passant par une première soudure 40-1 et un rayon r passant par une deuxième soudure 40-2 n’a pas la même valeur qu’un deuxième angle a2 mesuré entre un rayon r passant par la deuxième soudure 40-2 et un rayon passant par une troisième soudure 40-3. Autrement dit, les soudures 40-1, 40-2, 403, 40-4 et 40-5 sont réparties circonférentiellement sur la paroi externe du stator 15 de sorte qu’il existe un nombre de dents statoriques 20 différent entre deux soudures adjacentes. On note que toutes les dents statoriques 20 du stator 15 sont globalement identiques (forme, dimensions etc.). Par ailleurs, on note que les encoches 24 du stator 15 sont également globalement identiques (forme, dimensions etc.). Comme on peut le voir sur la figure 2, le nombre de dents statoriques 20 entre la première soudure 40-1 et la deuxième soudure 40-2 est égal à 7 tandis que le nombre de dents statoriques 20 entre la deuxième soudure 40-2 et la troisième soudure 40-3 est égal à 8. Une telle répartition des soudures 40 sur la paroi externe du stator 15 permet de réduire d’avantage le bruit acoustique d’origine électromagnétique.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, chaque angle considéré entre deux soudures adjacentes est différent des autres angles entre deux soudures adjacentes. Dans ce mode de réalisation et en référence à la figure 6, le premier angle ai est différent du deuxième angle a2 qui est lui-même différent d’un troisième angle a3 (mesuré entre un rayon passant par la troisième soudure 40-3 et un rayon passant par une quatrième soudure 40-4), lui-même différent d’un quatrième angle îo a4 (mesuré entre un rayon passant par la quatrième soudure 40-4 et un rayon passant par une cinquième soudure 40-5), lui-même différent d’un cinquième angle a5 (mesuré entre un rayon passant par la cinquième soudure 40-5 et un rayon passant par la première soudure 40-1). En d’autres termes, le nombre de dents statoriques 20 entre deux soudures adjacentes 40 est différent du nombre de dents statoriques entre toutes les autres soudures adjacentes 40 du stator 15.
En outre, dans un autre mode de réalisation présenté aux figures 7 et 8, le prolongement des faces latérales 24-1 et 24-2 d’une encoche 24 sur la paroi externe du stator 15 définit une zone Z dans laquelle au moins une soudure 40 est ménagée. En effet, dans l’art antérieur, les soudures sont positionnées sur la paroi externe du stator, en vis-à-vis des dents statoriques. Or, un tel positionnement des soudures est responsable du retrait desdites dents et ainsi à une variation de l’épaisseur de l’entrefer qui augmente le bruit acoustique d’origine électromagnétique. Le positionnement des soudures 40 dans le prolongement d’une encoche 24 permet de limiter le retrait des dents statoriques et ainsi de réduire d’avantage le bruit acoustique d’origine électromagnétique.
Avantageusement, au moins une soudure 40 est positionnée à équidistance de deux dents statoriques 20-1 et 20-2 adjacentes soit à équidistance de la première face latérale 24-1 d’une encoche 24 et de la deuxième face 24-2 de ladite encoche 24. Comme on peut le voir sur la figue 7, une première dent statorique 20-1 comporte une première face latérale 20-3 et une deuxième face latérale 20-4 opposée à ladite première face latérale 20-3. De plus, une deuxième dent statorique 20-2, adjacente à la première dent statorique 20-1 comporte également une première face latérale 20-5 et une deuxième face latérale 20-6 opposées. On note que la deuxième face latérale 20-4 de la première dent statorique 20-1 est en vis-à-vis de la première face latérale
20-5 de la deuxième dent statorique 20-2. De plus, chaque soudure 40 présente un axe central G séparant une première paroi latérale 40-6 d’une deuxième paroi latérale 40-7 de ladite soudure 40. Ainsi, on considère que la soudure 40 est positionnée à équidistance de dents statoriques c’est-à-dire que l’axe central G est à équidistance de la deuxième face latérale 20-4 de la première dent statorique 20-1 et de la première face latérale 20-5 de la deuxième dent statorique 20-2. Cela signifie également que la première face latérale 24-1 de l’encoche 24 et la deuxième face latérale 24-2 de ladite encoche 24 se trouvent à équidistance de l’axe central G de la soudure 40.
îo Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
ίο

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant :
    - un stator (15) formé par un paquet de tôles empilées présentant une paroi externe et comportant une pluralité de dents statoriques (20) et une pluralité d’encoches (24), chaque encoche (24) étant disposée entre deux dents statoriques (20) adjacentes ;
    - un rotor (11) comportant une pluralité de pôles magnétiques, le rotor (11) étant configuré pour pouvoir être mis en rotation par rapport au stator (15), caractérisée en ce que les tôles (39) du paquet de tôles sont solidarisées entre elles par un nombre impair de soudures (40-1, 40-2, 40-3, 40-4, 40-5) ménagées sur la paroi externe du stator (15).
  2. 2. Machine électrique tournante (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le nombre de soudures est supérieur ou égal à 5.
  3. 3. Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le nombre de soudures est égal à 7 ou 9.
  4. 4. Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les soudures (40-1, 40-2, 40-3, 40-4, 405) sont réparties circonférentiellement sur la paroi externe du stator (15) de manière à ce qu’il existe au moins deux angles différents (α-ι, a2, a3, a4, a5) entre deux soudures adjacentes, chaque angle étant considéré dans un plan orthogonal à l’axe longitudinal (YY’) du stator (15) et mesuré entre deux rayons (r) passant par ledit axe longitudinal (YY’) et par les soudures adjacentes.
  5. 5. Machine électrique tournante (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque angle considéré entre deux soudures adjacentes est différent des autres angles (α-ι, a2, a3, a4, a5) entre deux soudures adjacentes.
  6. 6. Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les soudures soudures (40-1, 40-2, 40-3, 40-4, 40-5) sont réparties circonférentiellement sur la paroi externe du stator (15) de sorte qu’il existe un nombre de dents statoriques (20) différent entre deux soudures adjacentes.
  7. 7. Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque encoche est délimitée par une première face latérale (24-1) et une deuxième face latérale (24-2), le prolongement desdites faces latérales (24-1, 24-2) sur la paroi externe du stator (15) définissant une zone (Z) dans laquelle au moins une soudure (40) est ménagée.
  8. 8. Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’au moins une soudure (40) ménagée dans la paroi externe du stator (15) est positionnée à équidistance de deux dents statoriques (20) adjacentes.
  9. 9. Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée que chaque soudure (40) est positionnée dans une gorge (44) longitudinale ménagée sur la paroi externe du stator (15), chaque gorge (44) s’étendant selon un axe parallèle à l’axe longitudinal (YY’) du stator (15).
  10. 10. Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque soudure (40) s’étend selon un axe parallèle à l’axe longitudinal (YY’) du stator (15).
    1/4
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