FR3079685A1 - Stator de machine electrique tournante muni d'un bobinage a epingles ameliore. - Google Patents

Stator de machine electrique tournante muni d'un bobinage a epingles ameliore. Download PDF

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    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings

Abstract

L'invention porte principalement sur un stator (1) de machine électrique tournante comportant: - un corps de stator (2) muni d'encoches (3), chaque encoche (3) étant délimitée par deux dents (7) successives du corps de stator (2), - un bobinage (5) formé par des épingles (12) insérées à l'intérieur des encoches (3) du corps de stator (2), chaque encoche (3) contenant quatre conducteurs (C1-C4) correspondant chacun à une portion axiale d'épingle, - le bobinage (5) comportant une pluralité de phases associées chacune à une série d'encoches (S1-Sn), caractérisé en ce que chaque encoche (3) comportant un premier niveau (N1) de deux conducteurs (C3, C4) disposé du côté le plus proche d'un entrefer (11) de la machine et un deuxième niveau (N2) de deux conducteurs (C1-C2) disposé du côté le plus éloigné de l'entrefer (11), - et en ce que deux encoches (3) successives d'une série d'encoches (S1-Sn) associées à une phase contiennent des conducteurs (C1-C4; C1'-C4') qui sont croisés à l'intérieur d'un même niveau de conducteurs (N1, N2) ou à l'intérieur de deux niveaux de conducteurs (N1, N2) différents.

Description

STATOR DE MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNI D'UN BOBINAGE À ÉPINGLES AMÉLIORÉ
La présente invention porte sur un stator de machine électrique tournante muni d'un bobinage à épingles amélioré. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les machines électriques tournantes, telles que par exemple un alternateur, un alterno-démarreur, voire un démarreur de véhicule automobile.
La figure 1 montre un stator 1 de machine électrique classique comportant un corps 2 sensiblement annulaire constitué classiquement par un empilement axial de tôles d'acier. Le corps 2 comporte des encoches 3 qui sont prévues pour recevoir des conducteurs C1-C2 formant un bobinage 5. Chaque encoche 3 est délimitée par deux dents 7 successives. Ces dents 7 sont de préférence munies chacune d'un pied de dent 8 pour améliorer les performances magnétiques de la machine.
Il est connu de réaliser un bobinage 5 à partir d'épingles 12 globalement en forme de U visibles sur la figure 2. Ces épingles 12 sont réalisées par exemple en cuivre recouvert d'une couche de matériau isolant, tel que de l'émail. Ces épingles 12 présentent chacune deux branches 13 axiales reliées entre elles par une portion de liaison 14.
Suivant une configuration à deux conducteurs C1-C2 par encoche 3, on insère deux branches 13 axiales différentes par encoche 3. L'empilage radial des branches 13 à l'intérieur des encoches 3 comporte une couche externe de conducteurs C1 et une couche interne de conducteurs C2.
Le bobinage 5 comportant plusieurs phases, chaque encoche 3 reçoit les épingles 12 d'une même phase. Ainsi lorsqu'il y a N phases, les épingles 12 d'une phase sont insérées toutes les N encoches. Chaque phase est associée à une série d'encoches qui ne sont pas adjacentes les unes par rapport aux autres. Pour un bobinage triphasé, les épingles 12 d'une phase sont insérées toutes les 3 encoches et on distingue trois séries d'encoches S1-S3 correspondant chacune à une phase.
Les pertes électriques, dites pertes AC, d'un bobinage 5 sont dues à la variation du champ magnétique qui traverse les encoches 3 du stator 1. Plus la fréquence de variation augmente, plus les pertes joules AC et les ondulations de couple deviennent importantes.
Il est connu que le fait de connecter les épingles 12 en parallèle dans la même encoche 3 permet de diminuer les pertes AC. Comme cela est représenté sur la figure 3, on pourra disposer quatre conducteurs C1-C4 par encoches 3.
L'invention vise à proposer une distribution améliorée des conducteurs C1C4 du bobinage permettant de minimiser les pertes AC ainsi que les ondulations de couple.
A cet effet, l'invention a pour objet un stator de machine électrique tournante comportant:
- un corps muni d’encoches, chaque encoche étant délimitée par deux dents successives du corps de stator,
- un bobinage formé par des épingles insérées à l’intérieur des encoches du corps de stator, chaque encoche contenant quatre conducteurs correspondant chacun à une portion axiale d’épingle,
- le bobinage comportant une pluralité de phases associées chacune à une série d’encoches, caractérisé en ce que chaque encoche comportant un premier niveau de deux conducteurs disposé du côté le plus proche d’un entrefer de la machine et un deuxième niveau de deux conducteurs disposé du côté le plus éloigné de l’entrefer,
- et en ce que deux encoches successives d’une série d’encoches associées à une phase contiennent des conducteurs qui sont croisés à l’intérieur d’un même niveau de conducteurs ou à l’intérieur de deux niveaux de conducteurs différents.
Selon une réalisation, dans une même encoche, dans un niveau de ladite encoche, les deux conducteurs dudit niveau sont connectés électriquement en parallèle.
Selon une réalisation, dans le cas d'un croisement des conducteurs à l’intérieur de deux niveaux différents de conducteurs:
- le conducteur le plus proche de l’entrefer à l’intérieur du premier niveau d’une encoche donnée est relié au conducteur le plus éloigné de l’entrefer à l’intérieur du deuxième niveau d’une encoche successive de la série d’encoches,
- le conducteur le plus éloigné de l’entrefer à l’intérieur du premier niveau de l'encoche donnée est relié à un conducteur le plus proche de l’entrefer à l’intérieur du deuxième niveau de l'encoche successive de la série d’encoches,
- le conducteur le plus proche de l’entrefer à l’intérieur du deuxième niveau de l'encoche donnée est relié au conducteur le plus éloigné de l’entrefer à l’intérieur du premier niveau de l'encoche successive de la série d’encoches, et
- le conducteur le plus éloigné de l’entrefer à l’intérieur du deuxième niveau de l'encoche donnée est relié au conducteur le plus proche de l’entrefer à l’intérieur du premier niveau de l'encoche successive de la série d’encoches.
Selon une réalisation, dans le cas d'un croisement des conducteurs à l’intérieur d’un même niveau de conducteurs:
- le conducteur le plus proche de l’entrefer à l’intérieur du premier niveau d’une encoche donnée est relié au conducteur le plus éloigné de l’entrefer à l’intérieur du premier niveau d’une encoche successive de la série d’encoches,
- le conducteur le plus éloigné de l’entrefer à l’intérieur du premier niveau de l'encoche donnée est relié à un conducteur le plus proche de l’entrefer à l’intérieur du premier niveau de l'encoche successive de la série d’encoches,
- le conducteur le plus proche de l’entrefer à l’intérieur du deuxième niveau de l'encoche donnée est relié au conducteur le plus éloigné de l’entrefer à l’intérieur du deuxième niveau de l'encoche successive de la série d’encoches, et
- le conducteur le plus éloigné de l’entrefer à l’intérieur du deuxième niveau de l'encoche donnée est relié au conducteur le plus proche de l’entrefer à l’intérieur du deuxième niveau de l'encoche successive de la série d’encoches.
Selon une réalisation, les conducteurs présentent une section sensiblement rectangulaire.
Selon une réalisation, les quatre conducteurs sont empilés radialement les uns sur les autres à l’intérieur d’une même encoche.
Selon une réalisation, le bobinage comprend un nombre de phases compris entre 3 et 7.
Selon une réalisation, le nombre d’encoches par pôle et par phase compris entre 1 et 3.
L'invention a également pour objet une machine électrique tournante notamment pour véhicule automobile caractérisée en ce qu’elle comporte un stator tel que précédemment défini.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un rotor ayant un nombre de paires de pôles compris entre 3 et 10.
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 partielle d'un stator de machine électrique tournante selon l'état de la technique à deux conducteurs par encoche;
La figure 2 est une vue en perspective partielle montrant les épingles insérées à l'intérieur d'une encoche;
La figure 3 est une vue en coupe partielle d'un stator de machine électrique tournante à bobinage triphasé selon l'état de la technique à quatre conducteurs par encoche;
La figure 4 est une vue en coupe partielle illustrant un premier mode de réalisation d'un stator de machine électrique tournante à bobinage triphasé selon l'invention à quatre conducteurs par encoche;
La figure 5 est une vue en coupe partielle illustrant un deuxième mode de réalisation d'un stator de machine électrique tournante à bobinage triphasé selon l'invention à quatre conducteurs par encoche;
La figure 6 est une représentation graphique d'un ratio des pertes AC et DC en fonction de la vitesse de rotation de la machine électrique pour différents types de stators bobinés.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La figure 4 montre un stator 1 de machine électrique selon l'invention comportant un corps 2 sensiblement annulaire constitué par un empilement axial de tôles d'acier. Le corps 2 comporte des encoches 3 axiales qui sont prévues pour recevoir des conducteurs C1-C4 formant un bobinage 5. Chaque encoche 3 est délimitée par deux dents 7 successives. Ces dents 7 sont de préférence munies chacune d'un pied de dent 8 pour améliorer les performances magnétiques de la machine. La périphérie interne du stator 1 est destinée à être séparée de la périphérie externe du rotor 10 de la machine électrique par un entrefer 11. Ce rotor 10 comporte un nombre de paires de pôles de préférence compris entre 3 et 10.
Il est connu de réaliser un bobinage 5 à partir d'épingles 12 globalement en forme de U, visibles sur la figure 2. Ces épingles 12 sont réalisées par exemple en cuivre recouvert d'une couche de matériau isolant, tel que de l'émail. Ces épingles 12 présentent chacune deux branches 13 axiales reliées entre elles par une portion de liaison 14.
Chaque encoche 3 contient quatre conducteurs C1-C4 correspondant chacun à une portion axiale d’épingle 12. Les conducteurs C1-C4 présentent avantageusement une section sensiblement rectangulaire. Par sensiblement rectangulaire, on entend le fait que les coins du rectangle pourront être arrondis pour éviter de blesser les conducteurs C1-C4 lors de leur insertion dans les encoches 3. Les quatre conducteurs C1-C4 sont empilés radialement les uns sur les autres à l’intérieur d’une même encoche 3.
Le bobinage 5 comportant plusieurs phases, chaque encoche 3 reçoit les épingles 12 d'une même phase. Ainsi lorsqu'il y a N phases, les épingles 12 d'une phase sont insérées toutes les N encoches. Ainsi, chaque phase est associée à une série d'encoches qui ne sont pas adjacentes les unes par rapport aux autres. Dans l'exemple représenté, la machine étant triphasée, on distingue trois séries d'encoches S1, S2; S3 associées chacune à une phase. Plus généralement, le bobinage 5 pourra comprendre un nombre de phases compris entre 3 et 7 et avantageusement égal à 3, 5, 6 ou 7. Le nombre d’encoches 3 par pôle et par phase est avantageusement compris entre 1 et 3.
On définit, dans chaque encoche 3, un premier niveau N1 de deux conducteurs C3, C4 disposé du côté le plus proche de l'entrefer 11 et un deuxième niveau N2 de deux conducteurs C1-C2 disposé du côté le plus éloigné de l’entrefer 11.
Les conducteurs C1-C2 du même niveau N2 d’une encoche 3 sont de préférence connectés électriquement en parallèle. Les conducteurs C3-C4 du même niveau N1 d’une encoche 3 sont de préférence connectés électriquement en parallèle.
Conformément à l'invention, dans l’exemple illustré à la figure 3, deux encoches 3 successives d’une série d’encoches S1-S3 associées à une phase contiennent des conducteurs C1-C4 qui sont croisés à l’intérieur d’un même niveau de conducteurs N1, N2 ou à l’intérieur de deux niveaux de conducteurs N1, N2 différents.
Comme cela est illustré par la figure 4, dans le cas d'un croisement des conducteurs C1-C4 à l’intérieur de deux niveaux différents de conducteurs N1, N2:
- le conducteur C4 le plus proche de l’entrefer 11 à l’intérieur du premier niveau N1 d’une encoche donnée est relié au conducteur C1' le plus éloigné de l’entrefer 11 à l’intérieur du deuxième niveau N2 d’une encoche successive de la série d’encoches S1 par exemple,
- le conducteur C3 le plus éloigné de l’entrefer 11 à l’intérieur du premier niveau N1 de l'encoche donnée est relié à un conducteur C2' le plus proche de l’entrefer 11 à l’intérieur du deuxième niveau N2 de l'encoche successive de la série d’encoches S1,
- le conducteur C2 le plus proche de l’entrefer 11 à l’intérieur du deuxième niveau N2 de l'encoche donnée est relié au conducteur C3' le plus éloigné de l’entrefer 11 à l’intérieur du premier niveau N1 de l'encoche successive de la série d’encoches S1, et
- le conducteur C1 le plus éloigné de l’entrefer 11 à l’intérieur du deuxième niveau N2 de l'encoche donnée est relié au conducteur C4' le plus proche de l’entrefer 11 à l’intérieur du premier niveau N1 de l'encoche successive de la série d’encoches S1.
Cette distribution de conducteurs est reproduite dans chaque série d'encoches S1, S2, S3.
Comme cela est illustré par la figure 5, dans le cas d'un croisement des conducteurs C1-C4 à l’intérieur d’un même niveau de conducteurs N1 ou N2:
- le conducteur C4 le plus proche de l’entrefer 11 à l’intérieur du premier niveau N1 d’une encoche donnée est relié au conducteur C3' le plus éloigné de l’entrefer 11 à l’intérieur du premier niveau N1 d’une encoche successive de la série d’encoches S1 par exemple,
- le conducteur C3 le plus éloigné de l’entrefer 11 à l’intérieur du premier niveau N1 de l'encoche donnée est relié à un conducteur C4' le plus proche de l’entrefer 11 à l’intérieur du premier niveau N1 de l'encoche successive de la série d’encoches S1,
- le conducteur C2 le plus proche de l’entrefer 11 à l’intérieur du deuxième niveau N2 de l'encoche donnée est relié au conducteur C1' le plus éloigné de l’entrefer 11 à l’intérieur du deuxième niveau N2 de l'encoche successive de la série d’encoches S1, et
- le conducteur C1 le plus éloigné de l’entrefer 11 à l’intérieur du deuxième niveau N2 de l'encoche donnée est relié au conducteur C2' le plus proche de l’entrefer 11 à l’intérieur du deuxième niveau N2 de l'encoche successive de la série d’encoches S1.
Cette distribution de conducteurs est reproduite dans chaque série d'encoches S1, S2, S3.
Dans tous les cas, les conducteurs C1-C4 et CT-C4' sont reliés entre eux par des portions de liaison 14 des épingles 12 ou par des liaisons soudées entre les extrémités libres de deux épingles 12 adjacentes. Ces liaisons sont disposées alternativement d'un côté axial du stator 1 et de l'autre.
La figure 6 montre l’augmentation des pertes Joules pour un courant d’excitation fixé à 170Arms en fonction de la vitesse de rotation W de la machine électrique. Les pertes supplémentaires sont indiquées sous forme d'un ratio R_DC+AC car à faible vitesse (quasi statique), il n'y a pas de pertes AC supplémentaires.
On observe que le fait de mettre deux conducteurs en parallèle sans croisement de fil (cf. losanges correspondant au mode de réalisation de la figure 1) ou de mettre quatre conducteurs C1-C4 en parallèle sans croisement de fils (cf. carrés correspondant au mode de réalisation de la figure 3) ne permet pas de réduire les pertes AC.
La mise en parallèle des conducteurs C1-C4 doit être suivie par un croisement des conducteurs afin de pouvoir obtenir une diminution significative des pertes AC (cf. triangles correspondant au mode de réalisation de la figure 4 et les croix correspondant au mode de réalisation de la figure 5.
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. Stator (1) de machine électrique tournante comportant:
    - un corps (2) muni d’encoches (3), chaque encoche (3) étant délimitée par deux dents (7) successives du corps de stator (2),
    - un bobinage (5) formé par des épingles (12) insérées à l’intérieur des encoches (3) du corps de stator (2), chaque encoche (3) contenant quatre conducteurs (C1-C4) correspondant chacun à une portion axiale d’épingle,
    - le bobinage (5) comportant une pluralité de phases associées chacune à une série d’encoches (S1-Sn), où n est le nombre de phases, caractérisé en ce que chaque encoche (3) comportant un premier niveau (N1) de deux conducteurs (C3, C4) disposé du côté le plus proche d’un entrefer (11) de la machine et un deuxième niveau (N2) de deux conducteurs (C1-C2) disposé du côté le plus éloigné de l’entrefer (11),
    - et en ce que deux encoches (3) successives d’une série d’encoches (S1-Sn) associées à une phase contiennent des conducteurs (C1-C4; C1'C4') qui sont croisés à l’intérieur d’un même niveau de conducteurs (N1, N2) ou à l’intérieur de deux niveaux de conducteurs (N1, N2) différents.
  2. 2. Stator selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans une même encoche (3), dans un niveau (N1, N2) de ladite encoche (3), les deux conducteurs (C1-C4) dudit niveau (N1, N2) sont connectés électriquement en parallèle.
  3. 3. Stator selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que, dans le cas d'un croisement des conducteurs (C1-C4; C1 '-C4') à l’intérieur de deux niveaux différents de conducteurs (N1, N2):
    - le conducteur (C4) le plus proche de l’entrefer (11) à l’intérieur du premier niveau (N1) d’une encoche donnée est relié au conducteur (C1') le plus éloigné de l’entrefer (11) à l’intérieur du deuxième niveau (N2) d’une encoche successive de la série d’encoches (S1 - Sn),
    - le conducteur (C3) le plus éloigné de l’entrefer (11) à l’intérieur du premier niveau (N1) de l'encoche donnée est relié à un conducteur (C2') le plus proche de l’entrefer (11) à l’intérieur du deuxième niveau (N2) de l'encoche successive de la série d’encoches (S1 - Sn),
    - le conducteur (C2) le plus proche de l’entrefer (11) à l’intérieur du deuxième niveau (N2) de l'encoche donnée est relié au conducteur (C3') le plus éloigné de l’entrefer (11) à l’intérieur du premier niveau (N1) de l'encoche successive de la série d’encoches (S1 - Sn), et
    - le conducteur (C1) le plus éloigné de l’entrefer (11) à l’intérieur du deuxième niveau (N2) de l'encoche donnée est relié au conducteur (C4') le plus proche de l’entrefer (11) à l’intérieur du premier niveau (N1) de l'encoche successive de la série d’encoches (S1 - Sn).
  4. 4. Stator selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que, dans le cas d'un croisement des conducteurs (C1-C4; C1'-C4') à l’intérieur d’un même niveau de conducteurs (N1, N2):
    - le conducteur (C4) le plus proche de l’entrefer (11) à l’intérieur du premier niveau (N1) d’une encoche donnée est relié au conducteur (C3') le plus éloigné de l’entrefer (11) à l’intérieur du premier niveau (N1) d’une encoche successive de la série d’encoches (S1 -Sn),
    - le conducteur (C3) le plus éloigné de l’entrefer (11) à l’intérieur du premier niveau (N1) de l'encoche donnée est relié à un conducteur (C4') le plus proche de l’entrefer (11) à l’intérieur du premier niveau (N1) de l'encoche successive de la série d’encoches (S1 ),
    - le conducteur (C2) le plus proche de l’entrefer (11) à l’intérieur du deuxième niveau (N2) de l'encoche donnée est relié au conducteur (C1') le plus éloigné de l’entrefer (11) à l’intérieur du deuxième niveau (N2) de l'encoche successive de la série d’encoches (S1 ), et
    - le conducteur (C1) le plus éloigné de l’entrefer (11) à l’intérieur du deuxième niveau (N2) de l'encoche donnée est relié au conducteur (C2') le plus proche de l’entrefer (11) à l’intérieur du deuxième niveau (N2) de l'encoche successive de la série d’encoches (S1 ).
  5. 5. Stator selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les conducteurs (C1-C4) présentent une section sensiblement rectangulaire.
  6. 6. Stator selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les quatre conducteurs (C1-C4) sont empilés radialement les uns sur les autres à l’intérieur d’une même encoche (3).
  7. 7. Stator selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le bobinage (5) comprend un nombre de phases compris entre 3 et 7.
  8. 8. Stator selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le nombre d’encoches (3) par pôle et par phase est
    5 compris entre 1 et 3.
  9. 9. Machine électrique tournante notamment pour véhicule automobile caractérisée en ce qu’elle comporte un stator (1) tel que défini selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  10. 10. Machine électrique tournante selon la revendication 9, ίο caractérisée en ce qu’elle comporte un rotor (10) ayant un nombre de paires de pôles compris entre 3 et 10.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20170324294A1 (en) * 2014-11-13 2017-11-09 Volkswagen Aktiengesellschaft Wave Winding Having A Low Cogging Torque, Stator And Electric Machine Comprising A Wave Winding Of Said Type

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