FR3103653A1 - Machine électrique tournante avec blocage axial du stator - Google Patents

Abstract

La présente invention propose une machine électrique tournante comportant un stator (15) s’étendant autour d’un axe (X) et comportant un corps de stator (27) présentant une culasse annulaire (40) à partir de laquelle s’étendent des dents formant une succession d’encoches et un bobinage électrique (28) logé au moins partiellement dans lesdites encoches, un boitier (11) agencé pour entourer, au moins partiellement, le stator et comprenant un premier flasque et un second flasque, chaque flasque présentant un plateau (37) s’étendant globalement transversalement par rapport à l’axe et une jupe (38) s’étendant globalement axialement à partir du plateau, la jupe présentant une rainure (39). L’élément d’arrêt (41) est agencé entre la culasse et la jupe du premier flasque de manière à former un blocage dans une direction axiale du stator par rapport audit flasque, l’élément d’arrêt étant en appui dans la rainure de ladite jupe. Figure pour l’abrégé : Figure 2

Description

Machine électrique tournante avec blocage axial du stator

L’invention concerne notamment une machine électrique tournante avec un blocage axial du stator dans le boitier de ladite machine, notamment pour un véhicule automobile.

L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les alternateurs, les alterno-démarreurs ou encore les machines réversibles ou les moteurs électriques. On rappelle qu’une machine réversible est une machine électrique tournante apte à travailler de manière réversible, d’une part, comme générateur électrique en fonction alternateur et, d’autre part, comme moteur électrique par exemple pour démarrer le moteur thermique du véhicule automobile.

Une machine électrique tournante comprend un rotor mobile en rotation autour d’un axe et un stator fixe. En mode alternateur, lorsque le rotor est en rotation, il induit un champ magnétique au stator qui le transforme en courant électrique afin d’alimenter les consommateurs électriques du véhicule et de recharger la batterie. En mode moteur, le stator est alimenté électriquement et induit un champ magnétique entraînant le rotor en rotation par exemple pour démarrer le moteur thermique.

Le stator comporte un corps formant une série d’encoche traversée par un bobinage électrique s’étendant axialement de part et d’autre du corps pour former des parties appelées chignons. Le corps de stator est monté dans deux flasques formant le boitier de la machine électrique tournante. De manière classique, chacun des flasques présente une portion de maintien s’étendant sur toute la circonférence du corps de stator.

Lorsque l’encombrement de la machine électrique est limité et que le stator présente un gros diamètre, les chignons peuvent être radialement très proche des flasques et cela peut engendrer des courts-circuits durant le fonctionnement de la machine électrique tournante.

La présente invention vise à permettre d’éviter les inconvénients de l’art antérieur. En particulier, l’invention vise à proposer une machine électrique tournante à faible encombrement radial dont les chignons sont suffisamment éloignés des flasques pour ne pas créer de court-circuit tout en assurant un maintien efficace du stator par les flasques.

A cet effet, la présente invention a donc pour objet une machine électrique tournante comportant un stator s’étendant autour d’un axe et comportant un corps de stator présentant une culasse annulaire à partir de laquelle s’étendent des dents formant une succession d’encoches et un bobinage électrique logé au moins partiellement dans lesdites encoches, un boitier agencé pour entourer, au moins partiellement, le stator et comprenant un premier flasque et un second flasque, chaque flasque présentant un plateau s’étendant globalement transversalement par rapport à l’axe et une jupe s’étendant globalement axialement à partir du plateau, la jupe présentant une rainure. Selon l’invention, un élément d’arrêt est agencé entre la culasse et la jupe du premier flasque de manière à former un blocage dans une direction axiale du stator par rapport audit flasque, l’élément d’arrêt étant en appui dans la rainure de ladite jupe.

L’élément d’arrêt permet d’éviter tout mouvement du corps de stator dans une direction axiale par rapport au flasque ainsi que toute rotation du corps de stator autour de son axe. De plus, l’élément d’arrêt permet également d’éloigner le stator du flasque ce qui évite la création de court-circuit tout en garantissant une immobilisation axiale du stator par rapport au boitier sans pour autant augmenter l’encombrement radial de la machine. En effet, l’ajout de cet élément supplémentaire permet de compenser le faible encombrement radial disponible qui peut engendrer des courts-circuits en permettant d’utiliser un stator de diamètre plus important dans un flasque de diamètre réduit pour ainsi optimiser les performances de la machine électrique tournante.

Selon une réalisation, l’élément d’arrêt présente une forme annulaire. Cela permet de répartir les efforts de maintien axial sur toute la circonférence du stator et évite de déséquilibrer la machine.

Selon une réalisation, l’élément d’arrêt est formé d’un matériau métallique ou d’un alliage de matériaux métalliques. Cela permet d’améliorer la rigidité de la pièce et d’éviter les phénomènes de fluage. Cela permet également d’améliorer l’évacuation de la chaleur du corps de stator vers l’élément d’arrêt par conduction.

Selon une réalisation, l’élément d’arrêt est interposé entre une portion de la culasse du corps de stator et une portion de la jupe du premier flasque. En particulier, au moins une portion de l’élément d’arrêt est agencée radialement entre la culasse et la rainure.

Selon une réalisation, l’élément d’arrêt est en contact dans une direction axiale et dans une direction radiale avec la jupe du premier flasque.

Selon une réalisation, l’élément d’arrêt est une pièce rapportée dans ladite machine électrique tournante. Cela permet de simplifier la fabrication du corps de stator et des flasques en conservant des éléments génériques tout en permettant d’optimiser les performances de la machine électrique tournante et en conservant un faible encombrement.

Selon une réalisation, l’élément d’arrêt présente une section, dans un plan comprenant l’axe, en forme de L. Plus précisément, l’élément d’arrêt comprend une première portion s’étendant radialement entre la culasse et la rainure et une deuxième portion s’étendant axialement entre ladite culasse et ladite rainure. Cela permet d’améliorer la précision du blocage axial de la culasse tout en simplifiant le montage de l’élément d’arrêt dans la machine avant l’assemblage final.

Selon une réalisation alternative, l’élément d’arrêt est issu de matière avec la culasse. L’élément d’arrêt forme alors un épaulement venant coopérer avec la rainure pour bloquer axialement le corps de stator. Cela permet de diminuer la durée du procédé d’assemblage de la machine en évitant d’avoir une pièce supplémentaire.

Par exemple dans cette réalisation alternative, une extrémité axiale de l’élément d’arrêt est en appui contre la jupe du second flasque. Cela permet d’éviter un déplacement axial de l’élément d’arrêt et améliore la transmission d’effort de blocage.

Selon une réalisation, la machine comporte, en outre, un ensemble électronique comportant au moins un module de puissance, ledit ensemble électronique étant monté sur le premier flasque. Autrement dit, l’élément d’arrêt est agencé entre la culasse du stator et le flasque arrière de la machine. Cela permet, d’améliorer le refroidissement de la machine comparé à une architecture où ledit élément est monté entre la culasse et le flasque avant, notamment en cas de frettage de la culasse dans l’un des flasques.

Selon une réalisation, la culasse du corps de stator présente une zone de frettage avec le second flasque. La force de maintien exercée par le frettage associée à celle exercée par l’élément d’arrêt permettent d’améliorer le blocage dans une direction axiale ainsi que le blocage en rotation du corps de stator tout en améliorant le refroidissement dudit corps.

La machine électrique tournante peut, avantageusement, former un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou un moteur électrique.

La présente invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de l’invention et de l’examen des dessins annexés.

La représente, schématiquement et partiellement, une vue en coupe d’une machine électrique tournante selon un exemple de mise en œuvre de l’invention.

La représente, schématiquement et partiellement, une vue en coupe de la machine selon un exemple d’un premier mode de réalisation de l’invention.

La représente, schématiquement et partiellement, une vue en perspective de l’élément d’arrêt de la figure 2.

La représente, schématiquement et partiellement, une vue en perspective en coupe d’une partie de l’élément d’arrêt de la figure 3a.

La représente, schématiquement et partiellement, une vue en coupe de la machine selon un exemple d’un deuxième mode de réalisation de l’invention.

La représente, schématiquement et partiellement, une vue de côté du corps de stator comprenant l’élément d’arrêt de la figure 4.

Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent les mêmes références d’une figure à l’autre. On notera également que les différentes figures ne sont pas nécessairement à la même échelle. De plus, les modes de réalisation qui sont décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs ; on pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites.

La figure 1 représente un exemple de machine électrique tournante 10 compacte et polyphasée, notamment pour véhicule automobile. Cette machine 10 transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique, en mode alternateur, et peut fonctionner en mode moteur pour transformer de l’énergie électrique en énergie mécanique. Cette machine électrique tournante 10 est, par exemple, un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou un moteur électrique.

Dans cet exemple, la machine 10 comporte un boitier 11. A l'intérieur de ce boitier 11, elle comporte, en outre, un arbre 13, un rotor 12 solidaire en rotation de l’arbre 13 et un stator 15 entourant le rotor 12. Le mouvement de rotation du rotor 12 se fait autour d’un axe de rotation X. Dans la suite de la description, la direction axiale correspond à l'axe X, traversant en son centre l’arbre 13, alors que les orientations radiales correspondent à des plans concourants, et notamment perpendiculaires, à l'axe X. Pour les directions radiales, la dénomination intérieure correspondant à un élément orienté vers l’axe, ou plus proche de l’axe par rapport à un second élément, la dénomination extérieure désignant un éloignement de l’axe.

Dans cet exemple, le boitier 11 comporte un flasque avant 16 et un flasque arrière 17 qui sont assemblés ensemble notamment via des moyens de fixation tels que des tirants. Ces flasques 16, 17 sont de forme creuse et portent, chacun, centralement un palier accouplé à un roulement à billes 18, 19 respectif pour le montage à rotation de l'arbre 13. En outre, le boitier 11 comporte des moyens de fixation 14 permettant le montage de la machine électrique tournante 10 dans le véhicule.

Un organe d’entraînement tel qu’une poulie 20 peut être fixé sur une extrémité avant de l’arbre 13. Cet organe permet de transmettre le mouvement de rotation à l’arbre ou à l’arbre de transmettre son mouvement de rotation à la courroie. Dans la suite de la description, les dénominations avant/arrière se réfèrent à cet organe. Ainsi une face avant est une face orientée en direction de l’organe alors qu’une face arrière est une face orientée en direction opposée dudit organe.

L’extrémité arrière de l’arbre 13 porte, ici, des bagues collectrices 21 appartenant à un collecteur 22. Des balais 23 appartenant à un porte-balais 24 sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices 21. Le porte-balais 24 est relié à un régulateur de tension (non représenté).

Le flasque avant 16 et le flasque arrière 17 peuvent comporter des ouvertures sensiblement latérales pour le passage d’un flux d’air en vue de permettre le refroidissement de la machine 10 par circulation d'air engendrée par la rotation d’un ventilateur avant 25 agencé sur une face axiale avant du rotor 12 et d’un ventilateur arrière 26 agencé sur une face axiale arrière dudit rotor. Alternativement, le boitier 11 peut comporter une chambre permettant le passage d’un liquide de refroidissement et comporter des ouvertures permettant le passage d’un flux d’air en complément ou ne pas comporter desdites ouvertures.

Dans cet exemple, le rotor 12 est un rotor à griffe comportant deux roues polaires 31. Chaque roue polaire 31 est formée d’un plateau 32 orienté transversalement, d’une pluralité de griffes 33 formants des pôles magnétiques et d’un noyau 34 cylindrique. Le rotor comporte une bobine 35 enroulée autour du noyau. Par exemple, les bagues collectrices 21 appartenant au collecteur 22 sont reliées par des liaisons filaires à ladite bobine 35. Le rotor 12 peut également comporter des éléments magnétiques, tels que des aimants permanents, interposés entre deux griffes 33 adjacentes. Alternativement, le rotor peut être formé d’un paquet de tôles logeant des aimants permanents formant les pôles magnétiques.

Dans cet exemple de réalisation, le stator 15 comporte un corps 27 formé d'un paquet de tôles. Le corps de stator comporte une culasse 40 de forme globalement annulaire à partir de laquelle s’étendent radialement des dents. Chacun des espaces entre deux dents adjacentes forme une encoche. Chaque encoche est équipée d’isolant d’encoche et est traversée par une portion d’un bobinage électrique 28. Le bobinage présente une portion insérée dans les différentes encoches du corps 27 et une portion s’étendant à l’extérieur desdites encoches formant un chignon avant 29 et un chignon arrière 30 de part et d'autre du corps du stator. Par ailleurs, le bobinage 28 est formé d’une ou plusieurs phase(s) comportant au moins un conducteur électrique et étant reliée(s) électriquement à un ensemble électronique 36.

L’ensemble électronique 36 qui est ici monté sur le boitier 11, comporte au moins un module électronique de puissance permettant de piloter au moins une phase du bobinage 28. Le module de puissance forme un pont redresseur de tension pour transformer la tension alternative générée en une tension continue et inversement.

Chacun des flasques 16,17 du boitier 11 comporte un plateau 37 s’étendant transversalement par rapport à l’axe X suivant une forme globalement de disque avec une ouverture centrale pour le passage de l’arbre 13. Chacun desdites flasques comporte également une jupe 38 s’étendant axialement à partir d’une extrémité radiale externe du plateau associé. La jupe présente globalement une forme de cylindre creux. La jupe 38 du flasque arrière 17, dit premier flasque, comporte une rainure 39 formant une encoche dans la surface interne de ladite jupe.

La rainure s’étend au niveau d’une extrémité axiale de la jupe et notamment au niveau de l’extrémité axiale en regard de la jupe 38 du flasque avant 16, dit second flasque. Ainsi, l’extrémité axiale de la jupe présente une épaisseur dans une direction radiale réduite, du fait de la rainure 39, par rapport au reste de la jupe. La rainure forme une gorge qui s’étend circonférentiellement, notamment, sur toute la périphérie de la jupe.

La machine comporte au moins un élément d’arrêt 41 permettant d’éviter tout mouvement, en particulier dans une direction axiale, du corps de stator 27. L’élément d’arrêt 41 est agencé entre la culasse 40 et la jupe 38 du flasque arrière 17. En particulier, l’élément d’arrêt est logé dans la rainure 39 de ladite jupe. Par exemple, ledit élément d’arrêt présente une forme complémentaire de la forme de la rainure 39.

Les figures 2, 3a et 3b illustrent un premier mode de réalisation de l’élément d’arrêt 41. Dans ce premier mode de réalisation, l’élément d’arrêt est une pièce rapportée dans ladite machine électrique tournante. Autrement dit, l’élément d’arrêt est une pièce additionnelle au corps de stator et au flasque qui n’est pas monobloc avec l’un desdits éléments.

Dans l’exemple décrit ici, l’élément d’arrêt 41 présente une forme annulaire. L’élément d’arrêt 41 peut présenter une section, dans un plan comprenant l’axe X, en forme de L. Plus précisément, l’élément d’arrêt comprend une première portion 42 s’étendant radialement entre la culasse 40 et la rainure 39 et une deuxième portion 43 s’étendant axialement entre ladite culasse et ladite rainure. La première portion s’étend dans une direction radiale à partir d’une extrémité de la seconde portion afin de forme la section en forme de L. De préférence, la première portion et la seconde portion sont monoblocs.

Dans l’exemple illustré, l’élément d’arrêt 41 est agencé radialement et axialement entre la culasse 40 et la rainure 39 de la jupe du flasque arrière 17.

La première portion 42 s’étend dans une direction radiale en saillie par rapport à la jupe 38 du flasque de manière à former une butée contre laquelle une extrémité axiale de la culasse 40 est en appui.

La seconde portion 43 présente, de préférence, une épaisseur dans une direction radiale supérieure à l’épaisseur radiale de la rainure 39. Ainsi, une face interne de la seconde portion est agencée radialement plus proche de l’axe de rotation X qu’une surface interne de la jupe 38 et notamment qu’une surface interne de ladite jupe s’étendant en regard du chignon arrière 30. L’extrémité axiale libre de la seconde partie 43 de l’élément d’arrêt s’étend, de préférence, à distance de la jupe 38 du flasque avant 16.

L’extrémité axiale de la jupe 38 du flasque arrière 17 est de préférence en contact avec l’extrémité axiale de la jupe 38 du flasque avant 16 après l’assemblage et serrage final des deux flasques entre eux.

La seconde portion 43 présente une hauteur, dans une direction axiale, supérieure à une longueur, dans une direction radiale, de la première portion 42.

L’élément d’arrêt 41 peut être formé d’un matériau métallique ou d’un alliage de matériaux métalliques tel que de l’acier ou de l’aluminium.

L’élément d’arrêt 41 peut être monté serré notamment par emmanchement dans la rainure 39 du flasque arrière 17.

Les figures 4 et 5 illustrent un second mode de réalisation de l’élément d’arrêt 41. Dans ce second mode de réalisation, l’élément d’arrêt 41 est issu de matière avec la culasse 40 de manière à être monobloc. L’élément d’arrêt forme alors un épaulement s’étendant en saillie radialement de la culasse et venant coopérer avec la rainure pour bloquer axialement le corps de stator. La culasse 40 associée à l’élément d’arrêt 41 présente alors une épaisseur dans une direction radiale supérieure à l’épaisseur radiale de la culasse seule.

Dans l’exemple décrit ici, l’élément d’arrêt 41 s’étend sur toute la circonférence de la culasse 40. L’élément d’arrêt 41 peut présenter une section rectangulaire, dans un plan comprenant l’axe X. Une hauteur, dans une direction axiale, de l’élément d’arrêt 41 peut être supérieure à une longueur, dans une direction radiale, dudit élément. Cela permet de simplifier la fabrication du corps de stator comprenant un tel élément.

Dans l’exemple illustré, l’élément d’arrêt 41 est agencé uniquement radialement entre la culasse 40 et la rainure 39 de la jupe du flasque arrière 17.

L’extrémité axiale avant de l’élément d’arrêt 41, c’est-à-dire l’extrémité axiale opposée axialement à l’extrémité axiale en appui contre la rainure 39, peut être en appui contre la jupe 38 du flasque avant 16. Dans cet exemple, l’élément d’arrêt 41 est ainsi enserré entre la rainure 39 de la jupe 38 du flaque arrière 17 et l’extrémité axiale libre de la jupe 38 du flasque avant 16.

L’élément d’arrêt 41 est ici formé dans la même matière que le corps de stator. Ladite matière est notamment un matériau métallique ou un alliage de matériaux métalliques tel que de l’acier. Par exemple, l’élément d’arrêt 41 est formé par plusieurs excroissances réalisées chacune sur une tôle et empilées axialement les unes sur les autres pour former le corps de stator 27. Alternativement, l’élément d’arrêt 41 peut être formé par usinage de la surface externe du corps de stator.

Dans un exemple de réalisation applicable au premier et au second mode de réalisation décrit précédemment, la culasse 40 du corps de stator 27 présente une zone de frettage 44 avec le flasque avant 16. En particulier, une portion de la surface externe de la culasse 40 est frettée dans une portion de la surface interne de la jupe 38 du flasque avant.

La présente invention trouve des applications en particulier dans le domaine des alternateurs ou machine réversible ou moteur électrique mais elle pourrait également s’appliquer à tout type de machine tournante.

Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de la présente invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. Dans la description qui précède, la rainure est agencée dans la jupe du flasque arrière. Alternativement, la rainure pourrait être agencée dans le flasque avant et l’élément d’arrêt pourrait alors être agencé entre le corps de stator et le flasque avant sans sortir du cadre de l’invention. Le flasque arrière pourrait alors présenter la zone de frettage avec le corps de stator. Dans une autre alternative, les deux flasques avant et arrière pourrait chacun comporter une rainure. La machine pourrait alors comporte deux éléments d’arrêt chacun agencé entre l’un des flasques respectifs et le corps de stator.

Claims (10)

1. Machine électrique tournante comportant:

   1. un stator (15) s’étendant autour d’un axe (X) et comportant un corps de stator (27) présentant une culasse annulaire (40) à partir de laquelle s’étendent des dents formant une succession d’encoches et un bobinage électrique (28) logé au moins partiellement dans lesdites encoches,
   2. un boitier (11) agencé pour entourer, au moins partiellement, le stator et comprenant un premier flasque et un second flasque, chaque flasque présentant un plateau (37) s’étendant globalement transversalement par rapport à l’axe (X) et une jupe (38) s’étendant globalement axialement à partir du plateau, la jupe présentant une rainure (39);
   3. la machine (10) étant caractérisée en ce qu’un élément d’arrêt (41) est agencé entre la culasse (40) et la jupe (38) du premier flasque de manière à former un blocage dans une direction axiale du stator par rapport audit flasque, l’élément d’arrêt (41) étant en appui dans la rainure (39) de ladite jupe.
2. Machine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’élément d’arrêt (41) présente une forme annulaire.
3. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’élément d’arrêt (41) est formé d’un matériau métallique ou d’un alliage de matériaux métalliques.
4. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’au moins une portion de l’élément d’arrêt (41) est agencée radialement entre la culasse (40) et la rainure (39).
5. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’élément d’arrêt (41) est une pièce rapportée dans ladite machine électrique tournante.
6. Machine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’élément d’arrêt (41) présente une section, dans un plan comprenant l’axe (X), en forme de L.
7. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l’élément d’arrêt (41) est issu de matière avec la culasse (40).
8. Machine selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’une extrémité axiale de l’élément d’arrêt (41) est en appui contre la jupe (38) du second flasque.
9. Machine selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte, en outre, un ensemble électronique (36) comportant au moins un module de puissance, ledit ensemble électronique étant monté sur le premier flasque.
10. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la culasse (40) du corps de stator présente une zone de frettage (44) avec le second flasque.