FR3080500A1 - Rotor de machine electrique tournante - Google Patents

Abstract

Rotor (1) de machine électrique, tournant autour d'un axe de rotation (X), le rotor comportant : - des pôles saillants (13) ménageant entre eux des encoches (11), les pôles saillants étant chacun de forme générale dissymétrique par rapport à un plan radial médian contenant l'axe de rotation (X) de la machine, - des bobines (12), chaque bobine (12) étant disposée sur un pôle saillant (13) correspondant, dans les encoches adjacentes à ce pôle saillant.

Description

La présente invention concerne le domaine des machines électriques tournantes, notamment des machines synchrones, et plus particulièrement les rotors de telles machines. L’invention s’intéresse plus particulièrement aux rotors à pôles saillants ménageant entre eux des encoches dans lesquelles sont reçues des bobines.

Il est connu de réaliser un rotor à pôles saillants, dans lequel les pôles saillants sont symétriques par rapport à un axe radial du pôle. Les pôles peuvent comporter chacun deux épanouissements polaires symétriques, disposés de part et d’autre du pôle vers son extrémité libre. La présence de tels épanouissements polaires rend plus difficile le bobinage sur le pôle et quasiment impossible l’insertion de bobines déjà fabriquées.

Il existe donc un besoin pour bénéficier d’un rotor de machine électrique tournante permettant une mise en place aisée des bobines dans les encoches, tout en assurant de bonnes performances électromagnétiques.

L’invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, grâce à un rotor de machine électrique, tournant autour d’un axe de rotation X, le rotor comportant :

- des pôles saillants ménageant entre eux des encoches, les pôles saillants étant chacun de forme générale dissymétrique par rapport à un plan radial médian contenant l’axe de rotation X de la machine,

- des bobines, chaque bobine étant disposée sur un pôle saillant correspondant, dans les encoches adjacentes à ce pôle saillant.

Par « dissymétrique », on entend que le pôle saillant n’est symétrique par rapport à aucun plan radial contenant l’axe de rotation de la machine. De préférence, tous les pôles saillants sont de forme générale dissymétrique.

Le plan radial considéré peut être un plan médian pour le pôle correspondant. Le plan médian peut passer par le milieu de la surface du pôle au niveau de l’entrefer et/ou par le milieu du pôle au niveau de son rattachement à la masse rotorique.

L’enveloppe convexe de chacun des pôles peut avoir un plan de symétrie lorsqu’observée en section transversale, perpendiculairement à l’axe de rotation.

Par « enveloppe convexe », on entend la forme convexe la plus petite dans laquelle le pôle est inscrit. L’enveloppe convexe est la ligne fermée tendue qui suit le contour du pôle, en reliant les contours convexes du pôle entre eux. L’enveloppe convexe est la ligne fermée de longueur minimale, qui se superpose aux portions convexes ou rectilignes du périmètre du pôle et suit des cordes rejoignant chaque fois deux portions convexes ou rectilignes séparées par une portion concave (vu de l’extérieur). Une enveloppe convexe correspond à la région qui serait délimitée par un élastique tendu qui s’appuierait exclusivement sur le périmètre du pôle.

Le pôle saillant peut s’étendre selon un axe radial du pôle, lequel peut être contenu dans le plan radial mentionné ci-dessus. Par « axe radial du pôle », on désigne un axe Y du pôle orienté radialement, c’est-à-dire selon un rayon du rotor. Dans l’invention, il ne s’agit pas d’un axe de symétrie pour le pôle. Cet axe radial peut intersecter le sommet du pôle. H peut s’agir d’un axe médian.

Grâce à l’invention, le noyau du pôle saillant peut être plus large qu’un noyau de pôle symétrique, de sorte que la saturation y est moins rapidement atteinte. Par « noyau », on désigne la partie du pôle autre que les épanouissements polaires.

Le rotor selon l’invention permet d’obtenir une machine ayant des performances électromagnétiques, une compacité et un coût amélioré.

Chaque pôle saillant peut comporter un épanouissement polaire latéral, notamment sur une première face latérale du pôle saillant, lorsque le rotor est observé selon l’axe de rotation X. L’épanouissement polaire latéral sur le pôle saillant permet d’augmenter la largeur du pôle saillant vers son extrémité libre, de sorte que l’on a plus de flux dans les pôles, et on obtient ainsi une puissance plus élevée. On peut également minimiser le risque de saturation dans les pôles saillants.

L’épanouissement polaire latéral peut être situé vers l’extrémité libre du pôle saillant et de la première face latérale. L’épanouissement polaire latéral peut être situé à l’avant du pôle ou à l’arrière du pôle. On définit l’avant et l’arrière d’un pôle par rapport au sens de rotation du rotor. Chaque pôle saillant comporte une face latérale avant et une face latérale arrière.

L’épanouissement polaire latéral est situé de préférence sur la face arrière, la première face latérale étant la face arrière du pôle, lorsque le rotor est destiné à être inclus dans une machine électrique tournante utilisée comme moteur. Pour un moteur, le rotor tourne de préférence dans le sens trigonométrique. Ainsi, la circulation du flux est décalée vers l’avant du pôle. Dans ce cas, la première face latérale est la face latérale arrière du pôle saillant.

L’épanouissement polaire latéral est situé de préférence sur la face avant, la première face latérale étant la face avant du pôle, lorsque le rotor est destiné à être inclus dans une machine électrique tournante utilisée comme générateur. Pour un générateur, le rotor tourne de préférence dans le sens horaire. Ainsi, la circulation du flux est décalée vers l’arrière du pôle. Dans ce cas, la première face latérale est la face latérale avant du pôle saillant. Une telle configuration présente l’avantage de diminuer le couple de freinage lorsque l’on fonctionne en mode générateur, ce qui peut être particulièrement avantageux dans la traction automobile.

Chaque pôle saillant peut comporter une deuxième face latérale opposée à la première face latérale, cette deuxième face latérale étant dépourvue d’épanouissement polaire. Le bobinage est facilité, et l’insertion des bobines sur les pôles est plus aisée, grâce à l’absence d’épanouissement polaire d’un côté du pôle saillant.

En variante, chaque pôle saillant peut comporter un deuxième épanouissement polaire, de forme autre que celle de l’épanouissement polaire latéral situé sur la première face latérale du pôle saillant. Le deuxième épanouissement polaire peut être plus petit que le premier épanouissement polaire. Ainsi, les pôles saillants peuvent être plus large que s’ils comportaient deux épanouissements polaires de même taille, notamment au niveau de leur noyau.

La deuxième face latérale peut s’étendre dans un plan Z radial ou faisant un angle γ avec un plan radial passant par sa base, notamment par le point d’intersection du fond de l’encoche adjacente audit pôle saillant avec la deuxième face latérale.

Une telle configuration permet de maximiser la largeur du pôle saillant à sa base, tout en permettant le logement des bobines.

Les encoches sont ouvertes radialement vers l’extérieur et vers l’entrefer. Le rotor est un rotor intérieur, destiné à être reçu dans un stator extérieur.

La deuxième face latérale peut faire un angle β avec la première face latérale. Cet angle β peut être non nul. Les première et deuxième faces latérales ne sont alors pas parallèles entre elles.

Les bobines peuvent avoir été insérées sur les pôles saillants correspondants après leur bobinage. Les bobines peuvent être préparées à part. Dans l’invention, le rotor n’est pas bobiné directement sur dent. Le rotor selon l’invention est de préférence un rotor à bobinage concentré, c’est-à-dire que chaque bobine du rotor s’étend dans deux encoches consécutives autour d’un seul pôle saillant du rotor.

Une bobine, mieux toutes les bobines, peuvent comporter des première et deuxième portions reçues dans deux encoches adjacentes, lesdites première et deuxième portions étant situées respectivement à des distances dl et d2 de l’axe de rotation X. Les distances dl et d2 peuvent être égales ou différentes.

Lorsque les distances dl et d2 sont différentes, la bobine est dite « déformée », ses première et deuxième portions étant reliées par une portion de bobine qui peut présenter une inflexion.

En variante, une bobine peut comporter des première et deuxième portions reçues dans deux encoches adjacentes, lesdites première et deuxième portions étant situées à une même distance dl de l’axe de rotation X. Une autre bobine peut comporter des première et deuxième portions reçues dans deux encoches adjacentes, lesdites première et deuxième portions étant situées à une même distance d2 de l’axe de rotation X. Ainsi, deux bobines différentes, notamment deux bobines adjacentes, peuvent comporter des première et deuxième portions situées respectivement à des distances dl et d2 de l’axe de rotation X, qui sont différentes. Dans un mode de réalisation, le rotor comporte une alternance de bobines dont les première et deuxième portions sont situées à une même distance dl de l’axe de rotation X, et de bobines dont les première et deuxième portions sont situées à une même distance d2 de l’axe de rotation X.

Une bobine, mieux toutes les bobines, peuvent être maintenues sur le pôle saillant correspondant par une bobine adjacente et/ou par un épanouissement polaire.

Dans un premier mode de réalisation, une bobine peut être maintenue sur le pôle saillant correspondant par les deux bobines adjacentes.

Dans un deuxième mode de réalisation, une bobine peut être maintenue sur le pôle saillant correspondant par deux épanouissements polaires des deux pôles saillants adjacents.

Dans un troisième mode de réalisation, une bobine peut être maintenue sur le pôle saillant correspondant d’un côté par une bobine adjacente et de l’autre par un épanouissement polaire du pôle saillant correspondant.

Dans un quatrième mode de réalisation, une bobine peut être maintenue sur le pôle saillant correspondant d’un côté par une bobine adjacente et de l’autre par un épanouissement polaire du pôle saillant adjacent.

Par « bobine adjacente », on désigne la bobine disposée sur le pôle saillant adjacent au pôle saillant correspondant à la bobine considérée. Les deux bobines adjacentes s’étendent en partie dans une même encoche. Ladite encoche est ménagée entre les deux pôles saillants portant les deux bobines adjacentes considérées.

L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un rotor de machine électrique, tournant autour d’un axe de rotation X, le rotor comportant :

- des pôles saillants ménageant entre eux des encoches, les pôles saillants pouvant être chacun par exemple de forme générale dissymétrique par rapport à un plan radial contenant l’axe de rotation X de la machine, mieux tous les pôles saillants pouvant être de forme générale dissymétrique,

- des bobines, chaque bobine étant disposée sur un pôle saillant correspondant, dans les encoches adjacentes audit pôle saillant, rotor dans lequel au moins une bobine comporte des première et deuxième portions reçues dans deux encoches adjacentes, lesdites première et deuxième portions étant situées respectivement à des distances dl et d2 de l’axe de rotation X, les distances dl et d2 étant différentes.

Dans un exemple de réalisation, toutes les bobines du rotor comportent des première et deuxième portions reçues dans deux encoches adjacentes, lesdites première et deuxième portions étant situées respectivement à des distances dl et d2 de l’axe de rotation X, les distances dl et d2 étant différentes.

Masse rotorique et arbre

Le rotor peut comporter un arbre s’étendant selon l’axe de rotation, sur lequel est disposée une masse magnétique rotorique comportant les pôles saillants.

L’arbre peut être réalisé dans un matériau magnétique, ce qui permet avantageusement de diminuer le risque de saturation dans la masse rotorique et d’améliorer les performances électromagnétiques du rotor.

En variante, le rotor comporte un arbre amagnétique sur lequel est disposée la masse rotorique. L’arbre peut être réalisé au moins en partie dans un matériau de la liste suivante, qui n’est pas limitative : acier, inox, titane ou tout autre matériau amagnétique

La masse rotorique peut dans un mode de réalisation être disposée directement sur l’arbre amagnétique, par exemple sans jante intermédiaire. En variante, notamment dans le cas où l’arbre n’est pas amagnétique, le rotor peut comporter une jante entourant l’arbre du rotor et venant prendre appui sur ce dernier.

La masse rotorique s’étend selon l’axe de rotation et elle est disposée autour de l’arbre. L’arbre peut comporter des moyens de transmission de couple à la masse rotorique.

La masse rotorique peut être formée d’un empilement de tôles magnétiques. Chaque tôle magnétique peut être d’un seul tenant. Une tôle peut comporter une succession de secteurs reliés par des ponts de matière tangentiels.

Les pôles peuvent être d’un seul tenant avec le reste de la masse rotorique, ou rapportés sur celle-ci.

Chaque tôle rotorique est par exemple découpée dans une feuille d’acier magnétique, par exemple de l’acier de 0,1 à 1,5 mm d’épaisseur. Les tôles peuvent être revêtues d’un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein de l’empilement. L’isolation peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles.

En variante, la masse rotorique peut comporter une pluralité de pièces polaires assemblées sur l’arbre du rotor, lequel est dans ce cas de préférence amagnétique. L’assemblage peut être effectué par des queues d’aronde sur un arbre de la machine, ou en variante au moyen de tirants. Chaque pièce polaire peut comporter un empilement de tôles magnétiques.

La masse rotorique peut comporter un ou plusieurs trous pour alléger le rotor, permettre son équilibrage ou pour l’assemblage des tôles rotoriques la constituant. Des trous peuvent permettre le passage de tirants maintenant solidaires entre elles les tôles.

Les tôles peuvent être découpées dans un outil à la suite les unes des autres. Elles peuvent être empilées et clipsées ou collées dans l’outil, en paquets complets ou sous-paquets. Les tôles peuvent être encliquetées les unes sur les autres. En variante, le paquet de tôles peut être empilé et soudé en dehors de l’outil.

La masse rotorique peut présenter un contour extérieur qui est circulaire ou multilobé, une forme multilobée pouvant être utile par exemple pour réduire les ondulations de couple ou les harmoniques de courant ou de tension.

Le rotor peut être monté en porte à faux ou non, par rapport aux roulements utilisés pour guider l’arbre.

Le rotor peut être réalisé en plusieurs tronçons alignés suivant la direction axiale, par exemple au moins deux tronçons. Chacun des tronçons peut être décalé angulairement par rapport aux morceaux adjacents (« step skew » en anglais).

Les encoches peuvent être droites ou hélicoïdales.

Bobines du rotor

Les bobines du rotor sont disposées dans les encoches de manière concentrée. Par « concentré », en comprend que chaque bobine est enroulée autour d’un seul pôle saillant du rotor.

Les bobines comportent des conducteurs électriques. Les conducteurs électriques peuvent être en section transversale de forme circulaire, ou aplatie, ou sensiblement polygonale, notamment rectangulaire.

Lorsque les conducteurs sont de section transversale circulaire, ils peuvent être disposés dans l’encoche selon un empilement hexagonal. Lorsque les conducteurs sont de section transversale aplatie, ils peuvent être disposés dans l’encoche en une ou plusieurs rangées, notamment en une rangée unique, étant adjacents les uns aux autres par leurs grands côtés, autrement appelé le plat. L’optimisation de l’empilement peut permettre de disposer dans les encoches une plus grande quantité de conducteurs électriques, et parallèlement de diminuer la surface utile de l’encoche, donc d’obtenir ainsi un rotor de plus grande puissance, à volume constant. Une bobine peut contenir une ou plusieurs rangées de conducteurs électriques, par exemple une, deux, trois ou quatre rangées.

Les conducteurs électriques dans les encoches peuvent être sensiblement rectangulaires en section transversale. De préférence, les conducteurs électriques peuvent être de section transversale aplatie, avec un grand axe parallèle à la face de la dent. Les conducteurs électriques peuvent ainsi être bobinés sur plat.

Les conducteurs électriques d’une bobine peuvent être bobinés sur chant ou sur plat. Par « chant », on entend la face étroite du conducteur électrique de la bobine, par opposition à « plat ». Une bobine bobinée sur chant est une bobine dont le conducteur électrique, de section transversale rectangulaire, comportant une direction d’élongation, est enroulé perpendiculairement à cette direction d’élongation. Le conducteur électrique est ainsi bobiné autour d’un axe de bobinage de préférence parallèle à la direction d’élongation de sa section transversale.

Les bobines peuvent être disposées en une grappe de plusieurs bobines. Autrement dit, un même conducteur électrique forme plusieurs bobines reliées entre elles. [

Les bobines peuvent être bobinées seules ou en grappe, puis déformées.

Les conducteurs électriques peuvent être disposés de manière aléatoire dans les encoches ou de manière rangée. De préférence, les conducteurs électriques sont rangés dans les encoches. Par « rangés », on entend que les conducteurs ne sont pas disposés dans les encoches en vrac mais de manière ordonnée. Ils sont empilés dans les encoches de manière non aléatoire, étant par exemple disposés en rangées de conducteurs électriques alignés. L’empilement des conducteurs électriques est par exemple un empilement selon un réseau hexagonal dans le cas de conducteurs électriques de section transversale circulaire ou un empilement selon une ou plusieurs rangées dans le cas de conducteurs électriques de section transversale rectangulaire.

Les conducteurs électriques sont préférentiellement en métal, notamment cuivre ou aluminium.

Les conducteurs électriques sont isolés par un revêtement de surface. Ils peuvent être émaillés. L’émail peut être thermodurcissable. Les conducteurs électriques peuvent être émaillés et guipés. Le guipage consiste à entourer le conducteur électrique d’un ruban isolant de fibres de verre, afin de lui conférer une protection mécanique, ce qui peut notamment être avantageux pour les machines de taille importante.

Les bobines peuvent avoir une forme permettant de favoriser les échanges thermique avec un fluide de refroidissement. Par exemple, une bobine peut avoir un chignon asymétrique. Un chignon de bobine est dit asymétrique s’il est asymétrique par l’un au moins de sa longueur, angle par rapport à l’axe de rotation, forme, cette liste n’étant pas limitative.

Afin de favoriser le refroidissement de la bobine, celle-ci peut comporter une ou plusieurs ouvertures axiales.

Les entrée et sortie de chaque bobine peuvent être situées de part et d’autre de la bobine ou du même côté. Les connexions sont de préférence situées en partie basse des bobines, au plus près de l’arbre, ce qui permet d’améliorer la tenue mécanique en rotation. Dans ce cas, il faut un nombre pair de couches de conducteurs dans la bobine.

Variante entrée et sortie en haut et en bas respectivement

De préférence, les bobines sont séparées des parois de l’encoche par un isolant, notamment par au moins une feuille d’isolant.

Les bobines sont recouvertes d’un isolant avant leur installation sur la masse ro torique.

L’isolant peut être de type Nomex™, à base de fibres d’aramide, ou triplexe, comportant un empilement de couches tel que par exemple une couche de Nomex™ , une couche de Mylar™ , puis une couche de Nomex™. L’isolant peut être encollé ou non.

Les bobines recouvertes d’isolant peuvent être ensuite imprégnées avec une résine ou un vernis, en particulier avant leur insertion sur les pôles saillants.

Les bobines peuvent être imprégnées chacune individuellement, ou le rotor complet peut être imprégné.

L’imprégnation peut être fait en trempé ou en VPI (« Vacuum Pressure Imprégnation » en anglais).

Les têtes de chignon peuvent dans une variante de réalisation subir un ficelage mécanique, par exemple avec un ruban de Dacron™ (polyamide).

Les bobines peuvent être calées dans les encoches, afin de les bloquer en position dans le pôle. On peut à cet effet utiliser des cales, par exemple des cales vissées ou clipsées dans les encoches. Les cales peuvent être réalisées en aluminium ou en plastique et avoir différentes formes. Les cales peuvent avoir un rôle de dissipateur pour améliorer les échanges thermiques avec le fluide de refroidissement. Les cales peuvent être aménagées pour laisser passer des canaux de circulation du fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement peut être de l’air, de l’eau, de l’huile.

Machine et stator

L’invention a encore pour objet une machine électrique tournante, comportant un rotor tel que défini précédemment. La machine peut être utilisée comme moteur ou comme générateur. La machine peut être à réluctance. Elle peut constituer un moteur synchrone ou en variante un générateur synchrone. En variante encore, elle constitue une machine asynchrone.

La machine comporte un stator. Ce dernier comporte des dents définissant entre elles des encoches. Ces encoches peuvent être fermées vers l’entrefer.

Dans un mode de réalisation, le stator peut comporter une culasse d’un seul tenant portant les dents. Les encoches peuvent être fermées, aussi bien vers la culasse que vers l’entrefer.

Dans une variante de réalisation, le stator comporte une couronne dentelée comportant des dents définissant entre elles des encoches ouvertes radialement vers l’extérieur, et une culasse rapportée sur la couronne dentelée.

Le stator peut comporter des bobinages disposés de manière répartie dans les encoches, ayant notamment des conducteurs électriques disposés de manière rangée dans les encoches.

Par « réparti », on entend qu’au moins l’un des bobinages passe successivement dans deux encoches non adjacentes.

Par « culasse rapportée », il faut comprendre que la culasse n’est pas réalisée d’un seul tenant avec la couronne dentelée mais fixée à cette dernière au cours de la fabrication du stator.

Les conducteurs électriques peuvent ne pas être disposés dans les encoches en vrac mais de manière ordonnée. Ils sont empilés dans les encoches de manière non aléatoire, étant par exemple disposés en rangées de conducteurs électriques alignés. L’empilement des conducteurs électriques est par exemple un empilement selon un réseau hexagonal dans le cas de conducteurs électriques de section transversale circulaire.

L’installation des bobinages peut être facilitée d’une part en ce que l’accès à l’intérieur des encoches est plus aisé, s’agissant d’encoches ouvertes plus largement et en direction de l’extérieur plutôt que vers l’entrefer, et d’autre part en ce que l’espace disponible autour de la couronne dentelée, pour les outillages nécessaires voire même pour une machine à bobiner, est bien plus important que l’espace disponible dans l’alésage du stator. Par ailleurs, l’opération de bobinage est relativement peu coûteuse, dans la mesure où elle peut être effectuée de manière analogue au bobinage d’un rotor d’une machine à courant continu ou asynchrone à rotor bobiné.

La couronne dentelée est formée de l’ensemble des dents du stator réunies à leur base du côté de l’entrefer. Les dents sont réunies par des ponts tangentiels.

Au moins une encoche peut être fermée du côté de l’entrefer par un pont tangentiel reliant entre elles deux dents consécutives de la couronne dentelée, mieux toutes les encoches peuvent être fermées du côté de l’entrefer chacune par un pont tangentiel reliant entre elles deux dents consécutives de la couronne dentelée. Le ou les ponts tangentiels sont de largeur constante. En variante, le ou les ponts tangentiels sont de largeur décroissante puis croissante.

Au moins une encoche peut être à bords radiaux parallèles entre eux, mieux toutes les encoches.

Au moins une encoche peut être en section transversale, perpendiculairement à l’axe de rotation, de forme choisie dans la liste suivante : rectangulaire, hexagonale, cette liste n’étant pas limitative. De préférence, au moins une encoche est en section transversale à fond se rétrécissant en direction de l’entrefer, notamment de forme hexagonale. De préférence, la forme de l’encoche correspond à la forme de l’empilement des conducteurs électriques disposés dans cette dernière, ce qui peut être le cas notamment lorsque l’encoche est de section transversale hexagonale. En outre, les ponts tangentiels sont dans ce cas de largeur non constante, diminuant puis augmentant linéairement. Une telle configuration des ponts tangentiels permet de minimiser les harmoniques, d’obtenir plus de couple par désaturation des dents et de la culasse, et d’améliorer les transferts thermiques.

Au moins une dent, mieux toutes les dents, peuvent être de forme générale trapézoïdale en section transversale.

Les conducteurs électriques dans les encoches peuvent être en section transversale de forme circulaire, ou polygonale, notamment rectangulaire, cette liste n’étant pas limitative. Lorsque les conducteurs sont de section transversale circulaire, ils peuvent être disposés dans l’encoche selon un empilement hexagonal. Lorsque les conducteurs sont de section transversale rectangulaire, ils peuvent être disposés dans l’encoche en une rangée unique, étant adjacents les uns aux autres par leurs grands côtés. L’optimisation de l’empilement peut permettre de disposer dans les encoches une plus grande quantité de conducteurs électriques, et parallèlement de diminuer la surface utile de l’encoche, donc d’obtenir ainsi un stator de plus grande puissance, à volume constant.

La couronne dentelée peut être réalisée par enroulement en hélice d’une bande rectiligne de dents reliées par des ponts tangentiels, les dents de la bande rectiligne ménageant entre elles des encoches qui ont des bords convergents, les bords des encoches devenant sensiblement parallèles entre eux lorsque la bande est enroulée sur elle-même pour former la couronne dentelée. La bande peut en variante être formée de secteurs comportant chacun plusieurs dents, les secteurs étant reliés par des ponts de matière, ces secteurs étant découpés dans une bande de tôle rectiligne.

La culasse peut également être réalisée de manière similaire, soit en enroulant directement en hélice une bande de tôle si sa largeur le permet, soit en formant dans ladite bande de tôle des fentes adaptées lors de la découpe, de manière à faciliter cet enroulement.

La culasse peut être rapportée sur la couronne dentelée après l’installation des bobinages dans les encoches.

Dans une variante de réalisation, le stator est à bobinage concentré. Le stator peut comporter des dents et des bobines disposées sur les dents. Le stator peut ainsi être bobiné sur dents, autrement dit à bobinage non réparti.

Les dents du stator peuvent comporter des épanouissements polaires. En variante, les dents du stator sont dépourvues d’épanouissements polaires.

Le stator peut comporter une carcasse extérieure entourant la culasse.

Les dents du stator peuvent être réalisées avec un empilage de tôles magnétiques, recouvertes chacune d’un vernis isolant, afin de limiter les pertes par courants induits.

La machine peut fonctionner à une vitesse périphérique nominale (vitesse tangentielle prise au diamètre extérieur du rotor) qui peut être supérieure ou égale à 100 mètres par seconde. Ainsi, la machine selon l’invention permet un fonctionnement à des vitesses importantes si cela est souhaité.

La machine électrique tournante selon l’invention peut avoir un diamètre extérieur par exemple compris entre 100 et 500 mm, mieux entre 120 et 400 mm, étant par exemple de l’ordre de 200 mm. Le diamètre intérieur est par exemple inférieur ou égal à 300 mm, étant notamment compris ente 60 mm et 180 mm.

La puissance de la machine peut être comprise entre 1 et 300 kW, étant par exemple de l’ordre de 100 kW, cette valeur n’étant nullement limitative.

La machine peut comporter un seul rotor intérieur ou, en variante, un seul rotor extérieur, ou en variante encore un rotor intérieur et un rotor extérieur, disposés radialement de part et d’autre du stator et accouplés en rotation.

Le nombre d’encoches par pôle et par phase peut être entier ou fractionnaire.

Le nombre de pôles P au rotor est par exemple compris entre 4 et 48, étant par exemple de 4, 6, 8, 10 ou 12, et le nombre de dents S au stator est par exemple compris entre 6 et 48.

Procédé de fabrication

L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un rotor tel que défini plus haut, comportant les étapes suivantes :

a) préparer une bobine sur un noyau, ladite bobine comportant des première et deuxième portions destinées à être reçues dans des encoches du rotor,

b) insérer une première portion de la bobine dans une première encoche adjacente à la première face latérale d’un pôle saillant, ladite première face latérale comportant un épanouissement polaire latéral,

c) insérer une deuxième portion de la bobine dans une deuxième encoche adjacente à la deuxième face latérale dudit pôle saillant.

Une bobine peut comporter ainsi des première et deuxième portions reçues dans deux encoches adjacentes. Les première et deuxième portions sont insérées de manière à être situées respectivement à des distances dl et d2 de l’axe de rotation X, les distances dl et d2 étant égales ou différentes.

Chaque bobine peut être formée d’au moins un fil de section transversale rectangulaire enroulé sur lui-même, notamment sur chant ou sur plat. Le fil est de préférence enroulé de manière jointive.

Dans un mode de réalisation, on maintient une bobine sur le pôle saillant correspondant par une bobine adjacente et/ou par un épanouissement polaire. On peut maintenir la première portion de la bobine sous l’épanouissement polaire du pôle saillant correspondant portant la bobine ou sous une deuxième bobine insérée ultérieurement. En variante, on peut maintenir la deuxième portion de la bobine sous l’épanouissement polaire d’un pôle saillant adjacent au pôle saillant portant la bobine ou sous une deuxième bobine insérée ultérieurement.

On peut déformer la bobine lors de son insertion. On peut déformer la bobine de manière à obtenir une bobine comportant des première et deuxième portions, destinées à être reçues dans deux encoches adjacentes, qui sont situées respectivement à des distances dl et d2 de l’axe de rotation X, les distances dl et d2 étant différentes. Les première et deuxième portions sont alors reliées par une portion de bobine qui peut présenter une inflexion.

On peut décaler la bobine lors de son insertion, notamment circonférentiellement, de manière à maintenir celle-ci sous un épanouissement polaire. Dans un mode de réalisation, on décale la bobine pour maintenir sa première portion sous l’épanouissement polaire du pôle saillant correspondant portant la bobine. Dans un autre mode de réalisation, on décale la bobine pour maintenir sa deuxième portion sous l’épanouissement polaire d’un pôle saillant adjacent au pôle saillant portant la bobine.

Dans un mode de réalisation, les bobines sont insérées sur les pôles saillants du rotor individuellement.

En variante, elles sont insérées toutes à la fois. L’invention ainsi pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un rotor, notamment tel que défini plus haut, comportant les étapes suivantes :

i) on insert les premières portions de toutes les bobines à la fois dans les encoches correspondantes, puis ii) on insert les deuxièmes portions de toutes les bobines à la fois dans les encoches correspondantes, iii) on décale les bobines circonférentiellement, notamment de manière à maintenir une bobine sur le pôle saillant correspondant par une bobine adjacente et/ou par un épanouissement polaire.

Description détaillée

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

- la figure 1 est une vue schématique et partielle, en coupe transversale, d’une machine électrique tournante conforme à l’invention,

- les figures 2a et 2b sont des vues en coupe transversale de la machine de la figure 1, montrant respectivement l’induction et les lignes de flux dans la machine,

- les figures 3a à 3c sont des vues analogue à la figure 1 de variantes de positionnement des bobines sur les pôles saillants,

- la figure 4 est une vue analogue à la figure 1 d’une variante de réalisation de stator,

- la figure 5 est une vue en perspective, schématique et partielle, d’une variante de machine, et

- la figure 6 est une vue analogue à la figure 1 d’une variante de réalisation.

On a illustré à la figure 1 une machine électrique tournante 10, comportant un rotor 1 intérieur et un stator 2 extérieur. Le stator permet de générer un champ magnétique tournant d’entraînement du rotor 1 en rotation, dans le cadre d’un moteur synchrone, et dans le cas d’un alternateur, la rotation du rotor induit une force électromotrice dans les bobinages du stator.

Le stator 2 comporte des bobinages 22, comme illustré, lesquels sont disposés dans des encoches 21 ménagées entre des dents 23 d’une couronne dentelée 25. En outre, le stator comporte une culasse 29 rapportée sur la couronne dentelée 25.Le stator comporte encore une carcasse extérieure entourant la culasse, non représentée.

Les bobinages 22 sont disposés de manière répartie dans les encoches 21 et ont des conducteurs électriques disposés de manière rangée dans les encoches 21.

Les encoches 21 sont dans l’exemple décrit à bords radiaux parallèles entre eux, et sont en section transversale de forme générale rectangulaire.

Les encoches 21 sont fermées vers l’entrefer par des ponts tangentiels 27 reliant entre elles deux dents consécutives de la couronne dentelée 25. Les ponts tangentiels 27 sont de largeur non constante, diminuant puis augmentant.

La couronne dentelée 25 est réalisée par enroulement en hélice d’une bande de dents reliées par des ponts tangentiels 27. Les dents 23 de la bande ménagent entre elles les encoches 21 qui ont des bords convergents, les bords des encoches étant parallèles entre eux lorsque la bande est enroulée sur elle-même pour former la couronne dentelée.

Chaque encoche 21 comporte deux bobinages empilés, donc deux étages de bobinage.

L’épaisseur e de la culasse peut être relativement importante, par rapport aux machines connues. H en est de même de la largeur l des dents-On peut ainsi obtenir une réduction importante de la consommation de champ électrique (ou ampère-tours) au stator, ou encore une augmentation significative du flux parcourant le stator.

Le rotor 1 représenté à la figure 1 comporte une masse magnétique rotorique 3 s’étendant axialement selon l’axe de rotation X du rotor, cette masse rotorique étant par exemple formée par un paquet de tôles magnétiques empilées selon l’axe X, les tôles étant par exemple identiques et superposées exactement. Elles peuvent être maintenues entre elles par clipsage, par des rivets, par des tirants, des soudures ou toute autre technique. Les tôles magnétiques sont de préférence en acier magnétique. Toutes les nuances d’acier magnétique peuvent être utilisées.

La masse rotorique 3 comporte une ouverture centrale pour le montage sur un arbre 5. L’arbre peut, dans l’exemple considéré, être réalisé dans un matériau amagnétique, par exemple en inox amagnétique ou en aluminium, ou au contraire être magnétique.

Conformément à l’invention, le rotor 1 comporte des pôles saillants 13 ménageant entre eux des encoches 11. Le rotor 1 comportent en outre des bobines 12, chaque bobine étant disposée sur un pôle saillant 13 correspondant, dans les encoches 11 adjacentes audit pôle saillant.

Les pôles saillants 13 sont de forme générale dissymétrique par rapport à un plan radial médian contenant l’axe de rotation X de la machine. Les pôles saillants 13 comportent chacun un épanouissement polaire latéral 14, situé sur une première face latérale 14a du pôle saillant, lorsque le rotor est observé selon l’axe de rotation X, vers l’extrémité libre du pôle saillant. Dans l’exemple décrit, l’épanouissement polaire latéral est situé sur la face latérale arrière du pôle saillant. Les pôles saillants comportent une deuxième face latérale 14b opposée à la première face latérale 14a, laquelle est dépourvue d’épanouissement polaire, et peut présenter à son extrémité un chanfrein 14c facilitant l’insertion des bobines.

La circulation du flux est dans cet exemple décalée vers la l’avant du sens de rotation du rotor, comme illustré sur les figures 2a et 2b. La saturation dans le pôle saillant est moins rapidement atteinte.

La deuxième face latérale 14b s’étend dans un plan faisant un angle γ avec un plan radial Z.

La deuxième face latérale 14b fait un angle β avec la première face latérale 14a. Cet angle β est non nul. Les première et deuxième faces latérales ne sont pas parallèles entre elles.

On va maintenant décrire en référence aux figures 3a à 3c le positionnement des bobines dans les encoches 11.

Chaque bobine 12 comporte des première 12a et deuxième 12b portions reçues respectivement dans deux encoches adjacentes 11.

Ces première et deuxième portions 12a et 12b peuvent être situées respectivement à des distances dl et d2 de l’axe de rotation X qui sont différentes, comme illustré aux figures 3a et 3b. Lorsque les distances dl et d2 sont différentes, la bobine est déformée, ses première et deuxième portions étant reliées par une portion de bobine courbe. Dans l’exemple de la figure 3a, la bobine est maintenue sur le pôle saillant correspondant d’un côté par une bobine adjacente et de l’autre par un épanouissement polaire 14 du pôle saillant adjacent. Dans l’exemple de la figure 3b, la bobine est maintenue sur le pôle saillant correspondant d’un côté par une bobine adjacente et de l’autre par un épanouissement polaire 14 du pôle saillant correspondant.

En variante, la bobine comporte des première et deuxième portions reçues dans deux encoches adjacentes, lesdites première et deuxième portions étant situées à une même distance dl de l’axe de rotation X. Cette bobine est maintenue sur le pôle saillant correspondant par les deux bobines adjacentes.

Une autre bobine comporte des première et deuxième portions reçues dans deux encoches adjacentes, lesdites première et deuxième portions étant situées à une même distance d2 de l’axe de rotation X. Cette bobine est maintenue sur le pôle saillant correspondant par deux épanouissements polaires des deux pôles saillants adjacents.

Ainsi, le rotor comporte une alternance de bobines dont les première et deuxième portions sont situées à une même distance dl de l’axe de rotation X, et de bobines dont les première et deuxième portions sont situées à une même distance d2 de l’axe de rotation X.

Toutes les bobines sont de cette manière maintenues sur le pôle saillant correspondant par une bobine adjacente et/ou par un épanouissement polaire.

Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 4, le stator diffère de celui de la figure 1 par la forme des encoches 21 ménagées entre les dents 23 du stator. Celles-ci sont de forme générale hexagonale, étant en pointe de diamant. Les conducteurs électriques dans ces encoches sont de forme circulaire en section transversale. L’arrangement de ces derniers est un arrangement hexagonal, En outre, dans cet exemple, la culasse 29 est équipée de nervures longitudinales semi-circulaires 31 destinées à loger des conduits 30 de circulation d’un liquide de refroidissement.

Les bobines du rotor peuvent comporter une pluralité de spires. Les spires d’une bobine peuvent être décalées, comme illustré sur la figure 5, ce qui peut permettre de favoriser leur refroidissement. Le refroidissement peut également être favorisé par l’espace ménagé dans les bobines et entre les bobines, dans les encoches.

Par ailleurs, la machine peut comporter un ventilateur 40 disposé sur l’arbre au niveau des têtes de bobines, de façon à encore favoriser leur refroidissement.

Dans l’exemple de la figure 1, le nombre de pôles au rotor est de 8. On ne sort pas du cadre de la présente invention si ce nombre est différent. La machine peut par exemple comporter 6 pôles saillants au rotor, comme illustré à la figure 6.

Le rotor est obtenu au moyen du procédé de fabrication qui va maintenant être décrit en détails.

Dans une étape préparatoire, on prépare les bobines sur des noyaux. Chaque bobine comporte des première et deuxième portions destinées à être reçues dans des encoches de rotor.

Puis on insère la première portion de la bobine dans une première encoche adjacente à la première face latérale d’un pôle saillant, cette première face latérale comportant l’épanouissement polaire latéral.

Enfin on insère la deuxième portion de la bobine dans une deuxième encoche adjacente à la deuxième face latérale du pôle saillant.

En particulier, on insère les premières portions de toutes les bobines à la fois dans les encoches correspondantes, puis on insert les deuxièmes portions de toutes les bobines à la fois dans les encoches correspondantes.

Enfin on décale les bobines circonférentiellement, notamment de manière à maintenir une bobine sur le pôle saillant correspondant par une bobine adjacente et/ou par un épanouissement polaire.

L’ensemble obtenu peut être imprégné avant d’être inséré dans le stator préparé par ailleurs.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits.

Claims (18)

1. Rotor (1) de machine électrique, tournant autour d’un axe de rotation (X), le rotor comportant :

- des pôles saillants (13) ménageant entre eux des encoches (11), les pôles saillants étant chacun de forme générale dissymétrique par rapport à un plan radial médian contenant l’axe de rotation (X) de la machine,

- des bobines (12), chaque bobine (12) étant disposée sur un pôle saillant (13) correspondant, dans les encoches adjacentes à ce pôle saillant.

2. Rotor selon la revendication précédente, dans lequel chaque pôle saillant comporte un épanouissement polaire latéral (14), notamment sur une première face latérale (14a) du pôle saillant, lorsque le rotor est observé selon l’axe de rotation (X).

3. Rotor selon la revendication précédente, ledit pôle saillant comportant une deuxième face latérale (14b) opposée à la première face latérale (14a), laquelle est dépourvue d’épanouissement polaire.

4. Rotor selon la revendication précédente, la deuxième face latérale (14b) s’étendant dans un plan (Z) radial ou faisant un angle (γ) avec un plan radial (Z) passant par sa base.

5. Rotor selon l’une des deux revendications précédentes, la deuxième face latérale (14b) faisant un angle non nul (β) avec la première face latérale.

6. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, les bobines (12) ayant été insérées sur les pôles saillants (13) correspondants après leur bobinage.

7. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une bobine (12) comporte des première et deuxième portions (12a, 12b) reçues dans deux encoches adjacentes, lesdites première et deuxième portions étant situées respectivement à des distances (dl, d2) de l’axe de rotation (X), les distances (dl, d2) étant égales ou différentes.

8. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une bobine (12) est maintenue sur le pôle saillant correspondant par une bobine adjacente et/ou par un épanouissement polaire (14).

9. Rotor de machine électrique, le rotor comportant :

- des pôles saillants (13) ménageant entre eux des encoches (11), les pôles saillants étant chacun de préférence de forme générale dissymétrique par rapport à un plan radial contenant un axe de rotation (X) de la machine, mieux tous les pôles saillants étant notamment de forme générale dissymétrique,

- des bobines (12), chaque bobine (12) étant disposée sur un pôle saillant (13) correspondant, dans les encoches adjacentes audit pôle saillant, rotor dans lequel au moins une bobine comporte des première et deuxième portions (12a, 12b) reçues dans deux encoches adjacentes, lesdites première et deuxième portions (12a, 12b) étant situées respectivement à des distance (dl, d2) de l’axe de rotation (X), les distances (dl, d2) étant différentes.

10. Machine électrique tournante (10) comportant un rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un stator (2).

11. Machine selon la revendication précédente, le stator comportant

- une couronne dentelée (25) comportant des dents (23) définissant entre elles des encoches (21) ouvertes radialement vers l’extérieur, et

- une culasse (29) rapportée sur la couronne dentelée.

12. Machine selon l’une des deux revendications précédentes, le stator (2) comportant des bobinages (22) disposés de manière répartie dans les encoches (21), ayant notamment des conducteurs électriques (28) disposés de manière rangée dans les encoches (21).

13. Procédé de fabrication d’un rotor (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comportant les étapes suivantes :

a) préparer une bobine (12) sur un noyau, ladite bobine comportant des première et deuxième portions (12a, 12b) destinées à être reçues dans des encoches du rotor,

b) insérer une première portion (12a) de la bobine dans une première encoche adjacente à la première face latérale (14a) d’un pôle saillant, ladite première face latérale comportant un épanouissement polaire latéral,

c) insérer une deuxième portion (12b) de la bobine dans une deuxième encoche adjacente à la deuxième face latérale (14b) dudit pôle saillant.

14. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on maintient la première portion (12a) de la bobine sous l’épanouissement polaire (14) du pôle saillant (13) correspondant portant la bobine ou sous une deuxième bobine insérée ultérieurement.

15. Procédé selon l’une des deux revendications précédentes, dans lequel on maintient la deuxième portion (12b) de la bobine sous l’épanouissement polaire d’un pôle saillant adjacent au pôle saillant portant la bobine ou sous une deuxième bobine insérée ultérieurement.

16. Procédé selon l’une des trois revendications précédentes, dans lequel on déforme la bobine (12) lors de son insertion.

17. Procédé selon l’une des quatre revendications précédentes, dans lequel on décale la bobine lors de son insertion, notamment circonférentiellement, de manière à maintenir celle-ci sous un épanouissement polaire.

18. Procédé selon l’une quelconque des revendications 13 à 17, comportant les étapes suivantes :

i) on insert les premières portions (12a) de toutes les bobines à la fois dans les encoches correspondantes, puis ii) on insert les deuxièmes portions (12b) de toutes les bobines à la fois dans les encoches correspondantes, iii) on décale les bobines (12) circonférentiellement, notamment de manière à maintenir une bobine sur le pôle saillant (13) correspondant par une bobine adjacente et/ou par un épanouissement polaire.