FR3069114A1 - Machine electrique tournante munie d'un stator segmente a configuration amelioree - Google Patents

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Abstract

L'invention porte principalement sur une machine électrique tournante comportant un stator segmenté (9) comportant: - un corps comprenant une pluralité de segments (28), - chaque segment de stator (28) comportant une portion de culasse (29) et au moins une dent (20) autour de laquelle est montée une bobine (25), - chaque portion de culasse (29) comportant une première extrémité circonférentielle (291) et une deuxième extrémité circonférentielle (292), la première extrémité circonférentielle (291) comportant un moyen d'assemblage mâle (31) et la deuxième extrémité circonférentielle (292) comportant un moyen d'assemblage femelle (32), caractérisée en ce que le moyen d'assemblage mâle (31) comporte une portion arrondie mâle (35) et le moyen d'assemblage femelle (32) comporte une portion arrondie femelle (36).

Description

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UN STATOR SEGMENTÉ À CONFIGURATION AMÉLIORÉE
L’invention porte sur une machine électrique tournante munie d'un stator segmenté à configuration améliorée.
De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. 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 rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités réalisées dans la masse magnétique du rotor. Alternativement, dans une architecture dite à pôles saillants, les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor.
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 muni d'une pluralité de dents définissant des encoches, et un bobinage inséré dans les encoches du stator.
Dans le cas d'un stator segmenté, ce dernier est formé par un ensemble de segments munis chacun d'une portion de culasse et d'une dent autour de laquelle est montée une bobine. La portion de culasse comporte une première extrémité circonférentielle et une deuxième extrémité circonférentielle. La première extrémité circonférentielle comporte un moyen d'assemblage mâle et la deuxième extrémité circonférentielle comporte un moyen d'assemblage femelle. Le moyen d'assemblage mâle est destiné à coopérer avec un moyen d'assemblage femelle d'un segment de stator adjacent; tandis que le moyen d'assemblage femelle est destiné à coopérer avec un moyen d'assemblage mâle d'un segment de stator adjacent.
Dans l'état de la technique, le moyen d'assemblage mâle et le moyen d'assemblage femelle présentent des formes de section trapézoïdale. Une telle configuration peut toutefois engendrer des défauts de planéité liés aux moyens actuels de découpe des segments. Cela peut causer, d'une part, un entrefer parasite entre les segments, et d’autre part, un problème de cylindricité du stator assemblé. De tels défauts dégradent les performances de la machine électrique tournante.
La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant une machine électrique tournante munie d'un stator segmenté comportant:
- un corps comprenant une pluralité de segments,
- chaque segment comportant une portion de culasse et au moins une dent autour de laquelle est montée une bobine,
- chaque portion de culasse comportant une première extrémité circonférentielle et une deuxième extrémité circonférentielle, la première extrémité circonférentielle comportant un moyen d'assemblage mâle et la deuxième extrémité circonférentielle comportant un moyen d'assemblage femelle,
- le moyen d'assemblage mâle étant destiné à coopérer avec un moyen d'assemblage femelle d'un segment de stator adjacent, et
- le moyen d'assemblage femelle étant destiné à coopérer avec un moyen d'assemblage mâle d'un segment de stator adjacent, caractérisée en ce que le moyen d'assemblage mâle comporte une portion arrondie mâle et le moyen d'assemblage femelle comporte une portion arrondie femelle.
L'invention permet ainsi, grâce à la forme arrondie des moyens d'assemblage, d'optimiser le contact entre les segments du stator et donc le passage du flux magnétique entre les segments du stator. L'invention permet ainsi d'améliorer les performances électriques et acoustiques de la machine électrique.
Selon une réalisation, la portion arrondie femelle est concave et la portion arrondie mâle est convexe.
Selon une réalisation, la portion arrondie mâle et la portion arrondie femelle sont définies par des arcs de cercle.
Selon une réalisation, un rayon de concavité de la portion arrondie femelle est inférieur à un rayon de convexité de la portion arrondie mâle.
Selon une réalisation, le moyen d'assemblage mâle comporte une face de butée de part et d'autre de la portion arrondie mâle.
Selon une réalisation, dans un plan orthogonal à un axe dans lequel s'étend le corps de stator, un rayon du corps passant par une extrémité de la portion arrondie mâle forme un angle aigu avec une droite passant par la face de butée correspondante.
Selon une réalisation, le moyen d'assemblage femelle comporte une face de butée de part et d'autre de la portion arrondie femelle.
Selon une réalisation, dans un plan orthogonal à un axe dans lequel s'étend le corps de stator, un rayon du corps passant par une extrémité de la portion arrondie femelle forme un angle aigu avec une droite passant par la face de butée correspondante.
Selon une réalisation, la portion de culasse comprend une épaisseur de culasse mesurée sur un rayon du stator et tangentiellement à une extrémité de la portion arrondie femelle.
Selon une réalisation, le rayon de concavité de la portion arrondie femelle et le rayon de convexité de la portion arrondie mâle sont tous les deux inférieurs à la moitié de ladite épaisseur de culasse.
Selon une réalisation, le périmètre de la portion arrondie femelle est inférieur à la moitié d’un cercle dont le rayon est de même dimension que le rayon de concavité de la portion arrondie femelle.
Selon une réalisation, le périmètre de la portion arrondie mâle est supérieur à la moitié d’un cercle dont le rayon est de même dimension que le rayon de convexité de la portion arrondie mâle.
Selon une réalisation, un ratio entre le rayon de convexité de la portion arrondie mâle sur la moitié de l’épaisseur de la culasse est compris entre 75 et 95%.
Selon une réalisation, un ratio entre le rayon de concavité de la portion arrondie femelle sur la moitié de l’épaisseur de la culasse est compris entre et 95%.
Selon une réalisation, les moyens d'assemblage mâle et femelle sont dépourvus de face de butée.
Selon une réalisation, les segments sont assemblés au moyen d'un élément d'assemblage annulaire.
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 est une vue en coupe d'un turbocompresseur comportant une machine électrique tournante selon la présente invention;
La figure 2 montre une vue en perspective du rotor de la machine électrique tournante selon la présente invention;
Les figures 3a et 3b montrent des vues de dessus du stator segmenté de la machine électrique tournante selon la présente invention respectivement avant et après assemblage;
Les figures 4a et 4b sont respectivement des vue en perspective et de dessus d'un segment du stator selon la présente invention;
Les figures 5a et 5b sont des vues détaillées de dessus respectivement d'un moyen d'assemblage mâle et d'un moyen d'assemblage femelle.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d’une figure à l’autre.
Par ailleurs, dans la description qui suit, les faces d'un élément dites internes sont situées du côté de l'axe du rotor et les faces dites externes sont situées du côté de la culasse du stator de la machine électrique.
La figure 1 montre un compresseur électrique 1, comportant une turbine 2 munie d'ailettes 3 apte à aspirer, via une entrée 4, de l'air non-comprimé issu d'une source d'air (non représentée) et à refouler de l'air comprimé via la sortie 5 après passage dans une volute référencée 6. La sortie 5 pourra être reliée à un répartiteur d’admission (non représenté) afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur thermique.
En l'occurrence, l'aspiration de l'air est réalisée suivant une direction axiale, c’est-à-dire suivant l'axe de la turbine 2, et le refoulement est réalisé suivant une direction radiale perpendiculaire à l'axe de la turbine 2. En variante, l'aspiration est radiale tandis que le refoulement est axial. Alternativement, l'aspiration et le refoulement sont réalisés suivant une même direction par rapport à l'axe de la turbine (axiale ou radiale).
A cet effet, la turbine 2 est entraînée par une machine électrique 7 montée à l'intérieur du carter 8. Cette machine électrique 7 comporte un stator 9, qui pourra être polyphasé, entourant un rotor 10 avec présence d'un entrefer. Ce stator 9 est monté dans le carter 8 configuré pour porter à rotation un arbre 11 par l'intermédiaire de roulements 14. L'arbre 11 est lié en rotation avec la turbine 2 ainsi qu'avec le rotor 10. Le stator 9 est de préférence monté dans le carter 8 par frettage.
La machine électrique 7 présente un temps de réponse court compris entre 100 ms et 600 ms, notamment compris entre 200 ms et 400 ms, par exemple étant de l’ordre de 250 ms pour passer de 5000 à 100000 tours/min. De préférence, la tension d’utilisation est de 12 V ou 48 V et un courant en régime permanent est de l’ordre de 150 A à 260A. De préférence, la machine électrique 7 est apte à fournir un pic de courant, c’est-à-dire un courant délivré sur une durée continue inférieure à 3 secondes, compris entre 150 A et 800A, notamment entre 180 A et 220 A. En variante, la machine électrique 7 est apte à fonctionner en mode alternateur, ou est une machine électrique de type réversible.
Plus précisément, comme on peut le voir sur la figure 2, le rotor 10 comporte un corps formé par un empilement axial de tôles les unes sur les autres. Les tôles sont maintenues par des moyens de fixation, par exemple des rivets, traversant axialement de part en part l'empilement des tôles via des trous de fixation 22.
Le corps de rotor 15 peut être lié en rotation à l’arbre 11 de différentes manières, par exemple par emmanchement en force de l’arbre 11 cannelé à l’intérieur de l’ouverture centrale 23 du paquet de tôles 16 ou à l’aide d’un dispositif à clavette.
Le corps de rotor 15 présente une périphérie interne délimitant l'ouverture centrale 23 ayant un diamètre interne par exemple de l'ordre de 10mm, et une périphérie externe ayant un diamètre externe compris entre 20 mm et 50 mm, notamment compris entre 24mm et 34mm, et de préférence de l’ordre de 28mm. Par ailleurs, un diamètre externe du stator 9 est compris entre 35mm et 80mm, notamment entre 45mm et 55mm, par exemple entre 48mm et 52mm.
Le rotor 10 comporte une pluralité de cavités 26 destinées à recevoir chacune au moins un aimant permanent 27. Dans le cas présent, les aimants permanents 27, au nombre de quatre, ont une forme de parallélépipède rectangle dont les angles pourront être biseautés. Les aimants 27 sont à aimantation radiale, c’est-à-dire que les deux faces parallèles l'une par rapport à l'autre ayant une orientation orthoradiale sont magnétisées de manière à pouvoir générer un flux magnétique suivant une orientation radiale par rapport à l'axe du rotor.
Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 3b, le stator 9 d'axe X comporte un corps 91 et un bobinage 92. Le corps de stator 91 est réalisé dans un matériau ferromagnétique. Le corps 91 comporte des dents 20 réparties angulairement de manière régulière sur une périphérie interne d'une culasse 24. Ces dents 20 délimitent des encoches 21, de telle façon que chaque encoche 21 est délimitée par deux dents 20 successives. La culasse 24 correspond ainsi à la portion annulaire externe pleine du corps 91 qui s'étend entre le fond des encoches 21 et la périphérie externe du corps 91.
Le bobinage 92 est de type concentrique, c’est-à-dire qu'il comporte des enroulements de phase constitués par un ensemble de bobines 25 reliées électriquement entre elles. Dans l'exemple représenté, le stator 9 porte six bobines 25. Chaque bobine 25 est montée autour d'une dent 20 correspondante du stator 9. Chaque dent 20 est prolongée par un rebord 19 s'étendant circonférentiellement de part et d'autre de la dent 20, afin d'assurer une retenue radiale de la bobine 25.
La protection électrique entre le corps de stator 91 et le fil des bobines 25 est assurée soit par un isolant de type papier, soit par du plastique par surmoulage ou au moyen d'une pièce rapportée. Les enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à une électronique de commande.
Plus précisément, le corps de stator 91 est formé par une pluralité de segments 28 assemblés les uns avec les autres. Chaque segment 28 consiste en un empilement axial de tôles planes maintenues ensemble notamment par collage, soudage, ou au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets.
Comme cela est illustré sur les figures 3a, 4a, et 4b, chaque segment 28 comporte une portion de culasse 29 et au moins une dent 20 autour de laquelle est montée une bobine 25 formée à partir d'un fil continu recouvert d'émail. En l'occurrence, les segments 28 comportent chacun une seule dent
20. Toutefois, en variante, un segment 28 pourrait comporter plus d'une dent 20, notamment deux dents 20 chacun.
En outre, chaque portion de culasse 29 présente une première extrémité circonférentielle 291 et une deuxième extrémité circonférentielle 292. La première extrémité circonférentielle 291 comporte un moyen d'assemblage mâle 31 et la deuxième extrémité circonférentielle 292 comporte un moyen d'assemblage femelle 32.
Le moyen d'assemblage mâle 31 est destiné à coopérer avec un moyen d'assemblage femelle 32 d'un segment 28 adjacent et le moyen d'assemblage femelle 32 est destiné à coopérer avec un moyen d'assemblage mâle 31 d'un segment 28 adjacent. A cet effet, le moyen d'assemblage mâle 31 comporte une portion arrondie mâle 35 et le moyen d'assemblage femelle 32 comporte une portion arrondie femelle 36.
La portion arrondie mâle 35 est convexe et la portion arrondie femelle 36 est concave. Ces deux portions arrondies 35, 36 sont définies par des arcs de cercle.
Suivant un exemple de réalisation, un rayon de concavité R1 de la portion arrondie femelle 36 est inférieur à un rayon de convexité R2 de la portion arrondie mâle 35, tel que montré sur la figure 4b.
La portion de culasse comprend une épaisseur de culasse E mesurée sur un rayon du stator et tangentiellement à une extrémité de la portion arrondie femelle. Suivant une réalisation, cette épaisseur est comprise entre 4 et 5mm et vaut de préférence 4,6mm.
Le rayon de concavité R1 de la portion arrondie femelle 36 et le rayon de convexité R2 de la portion arrondie mâle 35 sont tous les deux inférieurs à la moitié de ladite épaisseur de culasse E.
Le périmètre de la portion arrondie femelle 36 est avantageusement inférieur à la moitié d’un cercle dont le rayon est de même dimension que le rayon de concavité de la portion arrondie femelle 36. Autrement dit, la portion arrondie femelle 36 s'étend suivant un secteur angulaire inférieur à 180 degrés.
Le périmètre de la portion arrondie mâle est avantageusement supérieur à la moitié d’un cercle dont le rayon est de même dimension que le rayon de convexité de la portion arrondie mâle 35. Autrement dit, la portion arrondie mâle 35 s'étend suivant un secteur angulaire supérieur à 180 degrés.
Le segment 28 peut être configuré de telle façon qu'un ratio entre le rayon de convexité R2 de la portion arrondie mâle 35 sur la moitié de l’épaisseur de la culasse E est compris entre 75 et 95%. En outre, un ratio entre le rayon de concavité R1 de la portion arrondie femelle 36 sur la moitié de l’épaisseur de la culasse E est compris entre 75 et 95%.
Par ailleurs, comme cela est visible sur la figure 5a, le moyen d'assemblage mâle 31 comporte une face de butée 37 de part et d'autre de la portion arrondie mâle 35. Dans un plan P orthogonal à l'axe X dans lequel s'étend le corps de stator 91, un rayon R du corps 91 passant par une extrémité de la portion arrondie mâle 35 forme un angle aigu A avec une droite D passant par la face de butée 37 correspondante.
Comme cela est visible sur la figure 5b, le moyen d'assemblage femelle 32 comporte une face de butée 38 de part et d'autre de la portion arrondie femelle 36. Dans le plan P orthogonal à l'axe X dans lequel s'étend le corps de stator 91, un rayon R' du corps 91 passant par une extrémité de la portion arrondie femelle 36 forme un angle aigu A' avec une droite D' passant par la face de butée 38 correspondante.
Afin d'assurer l'assemblage du stator 9, les segments 28 sont positionnés les uns à côté des autres, de telle façon que chaque segment 28 présente sa portion arrondie mâle 35 insérée à l'intérieur d'une portion arrondie femelle 36 d'un segment adjacent et que sa portion arrondie femelle 36 reçoive une portion arrondie mâle 35 d'un segment adjacent.
En outre, un élément d'assemblage annulaire 40 est positionné autour de la périphérie externe de l'ensemble des segments 28 afin d'assurer leur maintien, tel que montré sur la figure 3b. L'élément d'assemblage 40 pourra être mis en place par frettage autour des segments 28 ou assuré par le carter 8.
En variante, les moyens d'assemblage mâle 31 et femelle 32 sont dépourvus de face de butée 37, 38.
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.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Machine électrique tournante (7) munie d'un stator segmenté (9) comportant:
    - un corps (91) comprenant une pluralité de segments (28),
    - chaque segment de stator (28) comportant une portion de culasse (29) et au moins une dent (20) autour de laquelle est montée une bobine (25),
    - chaque portion de culasse (29) comportant une première extrémité circonférentielle (291) et une deuxième extrémité circonférentielle (292), la première extrémité circonférentielle (291) comportant un moyen d'assemblage mâle (31) et la deuxième extrémité circonférentielle (292) comportant un moyen d'assemblage femelle (32),
    - le moyen d'assemblage mâle (31) étant destiné à coopérer avec un moyen d'assemblage femelle (32) d'un segment de stator (28) adjacent, et
    - le moyen d'assemblage femelle (32) étant destiné à coopérer avec un moyen d'assemblage mâle (31) d'un segment de stator (28) adjacent, caractérisée en ce que le moyen d'assemblage mâle (31) comporte une portion arrondie mâle (35) et le moyen d'assemblage femelle (32) comporte une portion arrondie femelle (36).
  2. 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portion arrondie femelle (36) est concave et la portion arrondie mâle (35) est convexe.
  3. 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la portion arrondie mâle (35) et la portion arrondie femelle (36) sont définies par des arcs de cercle.
  4. 4. Machine électrique tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un rayon de concavité (R1) de la portion arrondie femelle (36) est inférieur à un rayon de convexité (R2) de la portion arrondie mâle (35).
  5. 5. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le moyen d'assemblage mâle (31) comporte une face de butée (37) de part et d'autre de la portion arrondie mâle (35).
  6. 6. Machine électrique tournante selon la revendication 5, caractérisée en ce que, dans un plan orthogonal (P) à un axe (X) dans lequel s'étend le corps de stator (91), un rayon (R) du corps (91) passant par une extrémité de la portion arrondie mâle (35) forme un angle aigu (A) avec une droite (D) passant par la face de butée (37) correspondante.
  7. 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le moyen d'assemblage femelle (32) comporte une face de butée (38) de part et d'autre de la portion arrondie femelle (36).
  8. 8. Machine électrique tournante selon la revendication 7, caractérisée en ce que, dans un plan orthogonal (P) à un axe (X) dans lequel s'étend le corps de stator (91), un rayon (R1) du corps (91) passant par une extrémité de la portion arrondie femelle (36) forme un angle aigu (A1) avec une droite (D1) passant par la face de butée (38) correspondante.
  9. 9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens d'assemblage mâle (31 ) et femelle (32) sont dépourvus de face de butée.
  10. 10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les segments de stator (28) sont maintenus au moyen d'un élément d'assemblage annulaire (40).
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