FR3128073A1

FR3128073A1 - Stator de machine électrique tournante

Info

Publication number: FR3128073A1
Application number: FR2110772A
Authority: FR
Inventors: Moustafa AL EIT; Sara BAZHAR; Mohand Ou Ramdane Hamiti
Original assignee: Nidec PSA Emotors SAS
Current assignee: Nidec PSA Emotors SAS
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2023-04-14

Abstract

S tator de machine électrique tournante Stator (1) de machine électrique tournante, comportant une masse statorique (2) formée d’un empilement de tôles, notamment de tôles chacune d’un seul tenant, comportant des dents (4) ménageant entre elles des encoches (3), et des conducteurs électriques logés dans les encoches (3), au moins une partie des conducteurs électriques étant en forme d'épingle en U ou en I, au moins l’une des tôles de la masse statorique (2) comportant une pluralité de crans (10) ménagés dans les dents (4), à leur extrémité faisant face à l’entrefer (E), un cran (10) d’une dent étant situé circonférentiellement entre deux bords radiaux (12) de ladite dent (4). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Stator de machine électrique tournante

La présente invention concerne les machines électriques tournantes et plus particulièrement les stators de telles machines. L’invention porte plus particulièrement sur la masse statorique du stator et la machine électrique tournante correspondante.

L’invention porte plus particulièrement sur les machines synchrones ou asynchrones, à courant alternatif. Elle concerne notamment les machines de traction ou de propulsion de véhicules automobiles électriques (Battery Electric Vehicle) et/ou hybrides (Hybrid Electric Vehicle – Plug-in Hybrid Electric Vehicle), telles que voitures individuelles, camionnettes, camions ou bus. L’invention s’applique également à des machines électriques tournantes pour des applications industrielles et/ou de production d’énergie, notamment navales, aéronautiques ou éoliennes.

Il est connu de prévoir des crans à la surface du stator, au niveau de l’entrefer avec le rotor.

On connait notamment par la demande EP 3 288 155 un stator comportant des crans disposés radialement face à des lunules ménagées dans les encoches du stator.

Dans les demandes WO 2019/234031, WO 2019/233739, WO 2020/260567 et JP 2020 010553, on a des crans au niveau de l’entrefer qui sont centrés sur les encoches du stator.

Dans la demande EP 3 509 187 et dans la demande CN 110350746, des crans sont disposés sur des épanouissements polaires des dents, lesquelles reçoivent un bobinage sur dent, le cas échéant à fil rond.

Dans les documents qui viennent d’être cités, les crans du stator ne sont pas placés dans le prolongement des dents de celui-ci.

Dans la demande CN 205453325, les dents du stator peuvent comporter trois crans sur une dent recevant un bobinage concentré avec des dents rapportées assemblées entre elles.

Dans les demandes FR 2 809 547, CN 11091294, CN 108512320, CN 208571728 et CN 107634633, les dents du stator comportent des encoches qui logent des fils ronds. Le rotor de CN 107634633 comporte une cage de démarrage.

Il existe un besoin pour améliorer les performances électromagnétiques et de refroidissement de machines électriques tournantes, et notamment de réduire les ondulations de couple, les harmoniques et le bruit et de limiter les pertes fer.

L’invention vise à répondre à tout ou partie de ces besoins et a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un stator de machine électrique tournante, comportant une masse statorique formée d’un empilement de tôles, notamment de tôles chacune d’un seul tenant, comportant des dents ménageant entre elles des encoches, et des conducteurs électriques logés dans les encoches. Au moins une partie des conducteurs électriques peuvent être de section transversale sensiblement rectangulaire, dite en méplat, notamment en forme d'épingle en U ou en I. Les conducteurs électriques peuvent ne pas comporter de fil rond.

Au moins l’une des tôles de la masse statorique, mieux une majorité des tôles, voire toutes les tôles, comportent une pluralité de crans ménagés dans les dents, à leur extrémité faisant face à l’entrefer, un cran d’une dent étant situé circonférentiellement entre deux bords radiaux de ladite dent.

On désigne par ‘cran’ une entaille ou encoche ménagée dans la dent, au niveau de l’entrefer de la machine comportant le stator.

Dans l’invention, un cran d’une dent est de préférence situé entre les deux bords radiaux de ladite dent, et non pas radialement au-dessus d’une encoche, notamment dans le cas où les encoches sont fermées. Ainsi, un cran est placé dans le prolongement de la dent. En particulier, un cran n’est pas situé au-dessus de possibles épanouissements polaires de ladite dent, ou au-dessus d’un pont de matière pouvant relier deux dents consécutives entre elles. Un cran peut ne pas être situé radialement au-dessus d’une encoche, notamment pas radialement au-dessus d’une lunule ménagée dans une encoche.

Dans un mode de réalisation, un cran est situé circonférentiellement sur une étendue angulaire centrale de la dent, notamment dans les 80% les plus centraux de la dent, étant par exemple situé à plus de 5%, voire à plus de 10%, mieux à plus de 15% d’un bord radial de la dent, mesuré par rapport à la largeur maximale de ladite dent.

La présence de ces crans au stator permet une meilleure modulation des harmoniques sources des ordres mécaniques temporelles critiques qui sont susceptibles de résonner sous des modes spatiales données.

Cette solution peut permettre d’éviter de recourir à une solution connue pour réduire le niveau des pressions électromagnétiques liées à ces ordres mécaniques qui est le vrillage du rotor afin de moduler les harmoniques du rotor.

La présence de ces crans au stator peut également permettre de réduire ou même d’éviter un vrillage au stator afin de réduire globalement le bruit de vibration lié à la résonnance de ces ordres mécaniques ou le cas échéant de réduire en cas de vrillage du stator le niveau de ces ordres mécaniques localement par paquet de rotor vrillé.

La présence des crans peut permettre de diminuer le bruit de la machine comportant le stator.

Le brouillage des harmoniques de dentures en vue de réduire les interactions entre les harmoniques du rotor et ceux dus à la variation de réluctance d’encoche peut permettre de réduire les harmoniques de pression d’entrefer et ainsi de réduire le bruit.

L’invention peut également permettre de réduire les ondulations de couple et de limiter les pertes fer.

Grâce à l’invention, il est possible d’envisager d’éviter un vrillage du rotor, ce qui peut permettre de simplifier la machine résultante.

Chaque tôle de la masse statorique peut être d’un seul tenant. Les dents peuvent ne pas être rapportées ou assemblées entre elles.

La pluralité de crans peut comporter au moins 2k crans, avec au moins k crans régulièrement répartis autour de l’axe longitudinal du stator,
où k est le plus grand commun diviseur entre le nombre de dents Ns et le nombre de pôles 2p de la machine comportant le stator. On désigne par p le nombre de paires de pôles de la machine.

La pluralité de crans peut comporter au moins 2k crans,
où k est le plus grand commun diviseur entre le nombre de dents Ns et le nombre de pôles 2p de la machine comportant le stator. On désigne par p le nombre de paires de pôles de la machine.

La pluralité de crans peut comporter au moins k crans régulièrement répartis autour de l’axe longitudinal du stator.

Dans un exemple de réalisation, les tôles peuvent comporter une pluralité de crans répartis avec un motif se répétant tous les 120°. Une telle configuration peut notamment être choisie lorsque le nombre de dents est de 63 et le nombre de pôles de 6. Par exemple, les tôles peuvent comporter trois crans répartis à 120°, ou six crans répartis par paires à 120°.

Dans un autre exemple de réalisation, les tôles peuvent comporter une pluralité de crans répartis avec un motif se répétant tous les 45°, par exemple huit crans répartis à 45° les uns des autres. Une telle configuration peut notamment être choisie lorsque le nombre de dents est de 48 et le nombre de pôles de 8.

La pluralité de crans peut comporter au moins 3k crans, voire au moins 4k crans, mieux encore au moins 5k crans.

La pluralité de crans peut comporter au moins 2pk crans, mieux au moins 3pk crans, voire au moins 4pk crans, voire même au moins 6pk crans.

La pluralité de dents peut par exemple comporter Ns crans, par exemple 2 Ns crans ou même 3 Ns crans.

La pluralité de crans peut comporter au moins trois crans, mieux au moins six crans, par exemple au moins 10 crans, notamment sur trois ou six dents différentes, par exemple consécutives ou en variante régulièrement réparties autour d’un axe longitudinal du stator, par exemple par paires de crans.

La pluralité de crans peut comporter au moins un cran sur au moins un quart des dents, mieux sur au moins un tiers des dents, voire sur au moins la moitié des dents, mieux encore sur toutes les dents du stator.

Dans un mode de réalisation, toutes les dents du stator peuvent être pourvues d’au moins un cran. Le stator peut être dépourvu de dent ne comportant pas de cran.

En variante, le stator peut comporter des dents dépourvues de crans, par exemple au moins un quart des dents, mieux au moins un tiers des dents, voire au moins la moitié des dents du stator peuvent être dépourvues de cran.

De préférence, les crans sont répartis sur l’ensemble des dents du stator avec une régularité, par exemple ils sont un par un régulièrement répartis, ou par paires régulièrement réparties, ou par groupe de trois crans ou de quatre crans, les groupe étant régulièrement répartis.

Tous les crans d’une même tôle peuvent être identiques. En variante, une tôle peut comporter des crans de formes différentes.

Au moins un cran, voire une majorité des crans, mieux tous les crans, peuvent être situés circonférentiellement au milieu des deux bords radiaux de ladite dent.

En variante, au moins un cran, voire une majorité des crans, mieux tous les crans, peuvent être situés circonférentiellement excentrés par rapport au milieu des deux bords radiaux de ladite dent. Ils peuvent tous être excentrés dans le même sens, par exemple tous à droite ou tous à gauche, ou en variante alternativement excentrés à droite et à gauche, ou avec une autre configuration encore.

Deux dents peuvent comporter des crans ayant des positions différentes. Chacune des dents ayant au moins un cran peut comporter un cran à une position quelconque.

Une dent peut comporter au moins un cran, notamment un unique cran, ou en variante plusieurs crans, par exemple deux crans ou trois crans. Les crans peuvent être disposés symétriquement ou non sur la dent. La symétrie peut s’observer par rapport à un axe longitudinal de la dent, qui peut être un axe de symétrie pour la dent.

Une dent peut comporter plusieurs crans, notamment deux crans ou trois crans, lesdits crans étant notamment disposés symétriquement sur la dent.

Le nombre de crans d’une dent peut varier d’une dent à une autre dent. Dans un mode de réalisation, chaque dent peut comporter au moins un cran.

Les crans peuvent être situés sur une seule dent ou sur plusieurs dents, voir sur toutes les dents. La répartition des crans peut avoir une périodicité des crans sur 2π/k ou 2π/p. La périodicité de 2π/p peut s’appliquer notamment dans le cas d’un bobinage entier. Par périodicité, on entend celle formée par le motif de tous les crans disposés sur une étendue angulaire égale à 2π/k ou 2π/p.

Dans un autre exemple de réalisation, les tôles peuvent comporter une pluralité de crans avec des motifs différents sur une même tôle.

On désigne par Nc le nombre de crans par dent.

La configuration des crans peut être répétable chaque 2π/k.

Sur une étendue angulaire de 2π/k, le nombre des dents g sur lesquelles on peut ajouter des crans appartient à l’ensemble suivant {1, 2, … Ns/k}. On a notamment
1≤g≤ Ns/k. Le nombre total des crans dans une machine est alors Nc*g*k.

Dans un exemple de réalisation, la machine peut être à bobinage fractionnaire et comporter Ns=63 et p=3. On a alors k=3. On souhaite ajouter un cran par dent, avec Nc=1. Le nombre des dents g sur lesquelles on souhaite ajouter des crans sur un angle 2π/3 est 1≤g≤21.
Si g=1, alors le nombre total de crans est Nc*g*k =1*1*3=3.
Si g=2, alors le nombre total de crans est 1*2*3=6.
Si g=21. Le nombre total de crans est 1*21*3=63.

Dans un autre exemple de réalisation, la machine peut être à bobinage entier avec Ns=48 et p=4. On a alors k=8. On souhaite ajouter un cran par dent, avec Nc=1. Le nombre des dents g sur lesquelles on souhaite ajouter des crans sur un angle 2π/8 est 1≤g≤6.
Si g=1, alors le nombre total de crans est 1*1*8=8.
Si g=2, alors le nombre total de crans est 1*2*8=16.
Si g=6, alors le nombre total de crans est 1*6*8=48.

Dans le cas particulier d’un bobinage entier, la configuration des crans peut être répétable chaque 2π/p. Sur une étendue angulaire de 2π/p, le nombre de dents g sur lesquelles on peut ajouter des crans appartient à l’ensemble suivant {1, 2, … Ns/p}. On a notamment
1≤g≤Ns/p. Le nombre total des crans dans une machine est alors Nc*g*p.

Dans un exemple de réalisation, la machine peut être à bobinage entier et comporter Ns=48 et p=4. On considère le cas où on souhaite faire la répétabilité des crans sur un angle 2π/p=2π/4 avec p=4. On souhaite ajouter un cran par dent, avec Nc=1. Le nombre des dents g sur lesquelles on souhaite ajouter des crans sur un angle 2π/4 est 1≤g≤12.
Si g=1, le nombre total de crans est 1*1*4=4.
Si g=2, le nombre total de crans est 1*2*4=8.
Si g=12, le nombre total de crans est 1*12*4=48.

Encoches

Les encoches peuvent être de forme rectangulaire en section transversale.

Les encoches peuvent être définies par deux grands côtés radiaux parallèles entre eux.

Les dents peuvent être définies par deux grands côtés radiaux qui peuvent ne pas être parallèles entre eux.

Au moins une partie des encoches peuvent être fermées, notamment au moins au quart, voire au moins un tiers, notamment au moins la moitié des encoches peuvent être fermées. Par « encoche fermée », on désigne des encoches qui ne sont pas ouvertes radialement vers l’entrefer. Dans un mode de réalisation, toutes les encoches du stator peuvent être fermées.

La fermeture des encoches permet de minimiser les harmoniques d’entrefer. On a une synergie avec la présence des crans, qui renforce cet effet de minimisation.

Dans un mode de réalisation, au moins une encoche, voire chaque encoche, peut être continûment fermée du côté de l’entrefer par un pont de matière venu d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. Toutes les encoches peuvent être fermées du côté de l’entrefer par des ponts de matière fermant les encoches. Les ponts de matière peuvent être venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. La masse statorique est alors dépourvue de découpe entre les dents et les ponts de matière fermant les encoches, et les encoches sont alors continûment fermées du côté de l’entrefer par les ponts de matière venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche.

En outre, les encoches peuvent également être fermées du côté opposé à l’entrefer par une culasse rapportée ou d’un seul tenant avec les dents. Les encoches ne sont alors pas ouvertes radialement vers l’extérieur. La masse statorique peut être dépourvue de découpe entre les dents et la culasse.

Dans un mode de réalisation, chacune des encoches est de contour continûment fermé. Par « continûment fermé », on entend que les encoches présentent un contour fermé continu lorsqu’elles sont observées en section transversale, prise perpendiculairement à l’axe de rotation de la machine. On peut faire le tour complet de l’encoche sans rencontrer de découpe dans la masse statorique.

En variante, au moins une partie des encoches peuvent être ouvertes, notamment au moins au quart, voire au moins un tiers, notamment au moins la moitié des encoches peuvent être ouvertes. Toutes les encoches du stator peuvent être ouvertes, avec ou sans épanouissements polaires. On peut parler d’encoches partiellement ouvertes ou entièrement ouvertes.

En variante encore, le stator peut comporter des encoches fermées et des encoches ouvertes.

Crans

Les crans peuvent être tous identiques d’une dent à l’autre.

En variante, les crans peuvent différer d’une dent à l’autre, par exemple par leur taille et/ou par leur forme.

Au moins un cran peut avoir une forme, dans le plan de la tôle, choisie dans la liste suivante, qui n’est pas limitative : partiellement circulaire, semi-circulaire, oblongue, partiellement en ellipse, polygonale, carrée, rectangulaire, rectangulaire avec ou sans des coins arrondis, triangulaire, en trapèze, en queue d’aronde, en forme de V ou de W.

Dans le cas où le cran comporte une portion partiellement circulaire, par exemple semi-circulaire, son rayon de courbure peut être compris entre 0,1 et 2 mm, mieux entre 0,36 et 1,8 mm, voire entre 0,63 et 1,26 mm, étant par exemple de l’ordre de 0,36 mm ou de 0,4 mm ou de 0,6 mm ou de 0,63 mm ou de 0,8 mm ou de 0,9 mm ou de 1 mm ou de 1,2 mm ou de 1,26 mm ou de 1,4 mm ou de 1,6 mm ou de 1,8 mm.

Le rayon de courbure d’un coin arrondi peut être inférieur à la moitié de la largeur a d’un cran, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle. Le rayon de courbure d’un coin arrondi peut être inférieur ou égale au minimum de la moitié de la largeur a d’un cran et de sa profondeur b, mesurée radialement dans le plan de la tôle, à savoir min (b, a/2).

Au moins un cran peut comporter une portion partiellement circulaire, voire semi-circulaire, son rayon de courbure R étant compris entre 0,4 e et 2 e, mieux entre 0,7 e et 1,4 e, étant par exemple de l’ordre de e, où e désigne la largeur de l’entrefer de la machine comportant le stator.

Au moins un cran peut avoir une profondeur b, mesurée radialement dans le plan de la tôle, inférieure à sa largeur a, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle.

En variante, la profondeur, mesurée radialement dans le plan de la tôle, peut être supérieure à la largeur du cran, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle.

Un rapport α entre la largeur a du cran et la profondeur b du cran étant compris entre 0,1 et 20, voire entre 0,15 et 10, entre 0,20 et 4, mieux entre 0,25 et 3, voire entre 0,5 et 2, étant par exemple de 0,5, 1 ou 2.

On a la relation a = α b. Le rapport α peut être plus petit que 1 ou plus grand que 1 ou encore égal à 1.

La largeur a d’un cran, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle, peut être comprise entre 0,1 et 3,2 mm, voire entre 0,5 et 3 mm, voire encore entre 0,7 et 2,7 mm, mieux entre 1,2 et 2,4 mm, étant par exemple de l’ordre de 0,9 ou 1 mm ou de 1,35 mm ou encore de 1,8 mm.

La largeur a d’un cran, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle, peut être comprise entre 0,01 A et 0,45 A, mieux entre 0,07 A et 0,42 A, voire entre 0,1 A et 0,38 A, mieux entre 0,17 A et 0,34 A étant par exemple de l’ordre de 0,13 A ou 0,14 A ou 0,19 A, où A désigne la largeur du pas dentaire du stator.

Dans un mode de réalisation, on peut avoir A=2πRs/Ns, et en particulier
A = 7,01 mm ou A = 7,08 mm, où Rs est le rayon d’alésage du stator.

La largeur a d’un cran, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle, peut être inférieure au pas dentaire, qui dépend du rayon du stator et du nombre d’encoches du stator.

On peut avoir a < [(2π Rs)/Ns]
où Rs est le rayon du stator et Ns est le nombre d’encoches du stator.

La largeur a d’un cran, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle, peut être comprise entre 0,25 e et 6 e, mieux entre 0,5 e et 4 e, étant par exemple de l’ordre de 2 e, où e désigne la largeur de l’entrefer de la machine comportant le stator.

La profondeur b d’un cran, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle, peut être comprise entre 0,1 et 4 mm, voire entre 0,2 et 2,5 mm, voire encore entre 0,3 et 2 mm, mieux entre 0,4 et 1,5 mm, voire entre 0,63 et 1,26 mm, étant par exemple de l’ordre de 0,54 mm ou de 0,9 mm ou de 1,35 mm ou encore de 2 mm.

La profondeur b d’un cran, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle, peut être comprise entre 0,4 e et 3 e, mieux entre 0,7 e et 1,4 e, étant par exemple de l’ordre de e, où e désigne la largeur de l’entrefer de la machine comportant le stator.

Un ratio b / a peut être compris entre 0,25 et 4.

Dans un mode de réalisation, un cran peut être de forme rectangulaire, avec la profondeur b étant comprise entre 0,63 et 1,26 mm, ou entre 0,7 e et 1,4 e. La largeur a peut être de préférence comprise entre b et 3b, à savoir b ≤ a ≤ 3b.
Enfin, quand les coins sont arrondis, on peut avoir leur rayon de courbure R qui vérifie la relation
min(a/2,b)/4 ≤ R ≤ min(a/2,b)
En particulier, on peut avoir b = e, a = 2b=2e, e/4≤R≤e, avec b = 0,9 mm et a = 1,8 mm par exemple, et
par exemple R=1/3 e=0,3 mm ou R=0,5 e.
Quand on a R = e, c’est le cas d’un cran semi-circulaire de rayon e.

Dans une autre variante de réalisation, on peut avoir la largeur a comprise entre 0,5 e et 3 e. Pour la profondeur b, on peut avoir a ≤ b ≤ 3 a, et pour les coins arrondis on peut avoir le rayon de courbure R qui vérifie
min(a/2,b)/4 ≤ R ≤ min(a/2,b), voire par exemple 0,5 e ≤ R ≤ e.
En particulier, a = e, b = 2 a = 2 e, R ≤ e, et par exemple R=0,5 e.

Dans une autre variante de réalisation, on peut avoir la profondeur b = a ; et pour les coins arrondis on peut avoir le rayon de courbure R qui vérifie
min(a/2,b)/4 ≤ R ≤ min(a/2,b),
en particulier a/8 ≤ R ≤a /2, notamment R = a/2 ou R = a/4.
La largeur a peut être comprise dans l’intervalle [0,72 mm ; 2,07 mm] ou dans l’intervalle [0,8 e ; 2,3 e].
En particulier, on peut avoir a=1,5 e = 1,35 mm,
b = 1,5 e = 1,35 mm
où e = 0,9 mm
et 0,75 e/4 ≤ R ≤ 0,75 e ; notamment R = 0,75 e = 0,675 mm.

La masse statorique peut être réalisée par empilement de tôles magnétiques, les encoches étant venues par découpage des tôles. La fermeture des encoches du côté de l’entrefer peut être obtenue par des ponts de matière venus d’un seul tenant avec le reste des tôles formant la masse statorique.

Le stator peut être dépourvu de cales magnétiques rapportées de fermeture des encoches. On élimine ainsi le risque de détachement accidentel de ces cales.

Le stator peut comporter deux conducteurs électriques par encoche. Le stator peut dans un mode de réalisation comporter deux colonnes de brins de conducteurs électriques.

Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage distribué. Le bobinage peut être ondulé ou imbriqué. Le bobinage peut ne pas être concentré ou bobiné sur dent. Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage entier ou fractionnaire. Le bobinage peut être entier à pas avec ou sans raccourcissement, ou en variante fractionnaire. Dans un mode de réalisation, les conducteurs électriques forment un bobinage fractionnaire, notamment à pas raccourci.

On parle de bobinage fractionnaire lorsque le nombre d’encoches par pôle et par phase est un nombre fractionnaire. Le nombre d’encoches par pôle et par phase est défini par le ratio suivant : Ns / (Nph x 2p), où Ns est le nombre de dents, Nph le nombre de phases et 2p le nombre de pôles de la machine.

Lorsque le bobinage est fractionnaire, le plus petit commun multiple entre le nombre de dents Ns et le nombre de pôles 2p de la machine comportant le stator est augmenté. Cela entraîne l’éloignement en fréquence des premières ondulations de couple. La création de la modulation d’harmoniques liés à la présence des crans permet de diminuer les ondulations de couple.

La création de la modulation d’harmoniques liés à la présence des crans permet de diminuer les harmoniques de pression radiale et donc de diminuer les vibrations et bruits acoustiques d’origine électromagnétique.

Le nombre de phases peut être de 3, 5, 6, 7, 9, 11, 13, 15 ou autre.

Pour un bobinage fractionnaire, le nombre d’encoches par pôle et par phase est fractionnaire, c’est-à-dire que le rapportqdéfini parZ=Ns/(2pq) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductiblez/m,zetmétant deux nombres entiers non nuls,métant différent de 1, où Ns est le nombre d’encoches du stator,qle nombre de phases du bobinage etple nombre de paires de pôles.

Le nombre d’encoches du stator peut être compris entre 18 et 96, mieux entre 30 et 84, étant par exemple de 18, 24, 27, 30, 36, 42, 45, 48, 54, 60, 63, 72, 81, 92, 96, mieux étant de 48 ou 60 ou 63. Le nombre de pôles du stator peut être compris entre 2 et 24, voire entre 4 et 12, étant par exemple de 6 ou de 8.

La combinaison nombre d’encoches/nombre de pôles du stator peut être choisie parmi les combinaisons de la liste suivante, qui n’est pas limitative : 30/4, 42/4, 45/6, 48/8, 63/6, 60/8, 84/8.

Au moins un premier conducteur électrique logé dans une première encoche peut être relié électriquement à un deuxième conducteur électrique logé dans une deuxième encoche, à la sortie desdites encoches.

Tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre située à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale, peuvent être reliés électriquement ensemble.

Le stator peut comporter un connecteur de phases comportant des éléments métalliques connectés à des conducteurs électriques du stator. Les éléments métalliques peuvent être disposés radialement extérieurement ou intérieurement par rapport aux conducteurs électriques auxquels ils sont connectés. Les éléments métalliques connectés à des conducteurs des bobinages du stator peuvent être maintenus par un support isolant. Par ailleurs, le connecteur de phases peut présenter des pattes de connexion à un bus d’alimentation. La machine peut ainsi être reliée à un onduleur, connecté électriquement aux pattes de connexion du connecteur.

Epingles

Des conducteurs électriques au moins, voir une majorité des conducteurs électriques, mieux tous les conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingles, de U ou de I. L’épingle peut être en forme de U («U-pin» en anglais) ou droite, étant en forme de I («I-pin» en anglais).

Les conducteurs électriques peuvent ne pas former un bobinage concentré, dit bobiné sur dent.

Les conducteurs électriques peuvent ne pas comporter de fil rond.

Les conducteurs électriques en épingle et méplat permettent d’augmenter le coefficient de remplissage de l’encoche, rendant la machine plus compacte. Grâce à un coefficient de remplissage élevé, les échanges thermiques entre les conducteurs électriques et la masse statorique sont améliorés, ce qui permet de réduire la température des conducteurs électriques à l’intérieur des encoches.

En outre, la fabrication du stator peut être facilitée grâce aux conducteurs électriques en forme d'épingles. Enfin, les épingles ne nécessitant pas d’avoir des encoches ouvertes, on peut avoir des encoches fermées qui permettent de tenir les épingles et on peut donc ainsi supprimer l’étape d’insertion des cales du stator.

Des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, s’étendent axialement dans les encoches. Les conducteurs électriques peuvent être introduits dans les encoches correspondantes par l’une ou les deux extrémités axiales de la machine.

Un conducteur électrique en forme de I a deux extrémités axiales chacune placées à l’une des extrémités axiales du stator. Il passe dans une encoche unique, et peut être soudé à chacune de ses extrémités axiales à deux autres conducteurs électriques, au niveau des extrémités axiales du stator. Le stator peut par exemple comporter 6, 10, 12, 14, 18, 22 ou 26 conducteurs électriques en forme de I, les autres conducteurs électriques pouvant tous être en forme de U.

Le stator peut être dépourvu de conducteur électrique en forme de I.

Un conducteur électrique en forme de U a deux extrémités axiales toutes deux placées à l’une des extrémités axiales du stator. Ces deux extrémités axiales sont définies par les deux jambes du U. Il passe dans deux encoches différentes, et peut être soudé à chacune de ses extrémités axiales à deux autres conducteurs électriques, au niveau d’un même côté axial du stator. Le bas du U, c’est-à-dire le côté du U formant le chignon ou tête de bobine, est disposé de l’autre côté axial du stator.

Au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingle en U.

En outre, l’encombrement des conducteurs électriques au niveau des têtes de bobines est diminué. Cela facilite l’imbrication des conducteurs électriques.

On peut disposer un même conducteur électrique en forme de U dans deux encoches différentes non consécutives de la masse statorique du stator. Dans le cas où un conducteur électrique est en forme de U, il peut être soudé à deux autres conducteurs électriques d’un même côté de la machine.

On peut relier entre eux deux conducteurs électriques en forme de I préalablement introduits dans deux encoches différentes non consécutives de la masse statorique du stator. Dans le cas où un conducteur électrique est en forme de I, il peut être soudé à un autre conducteur électrique et au connecteur, des deux côtés opposés de la machine.

Dans l’invention, on peut relier électriquement ensemble tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre située à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale.

Chaque conducteur électrique peut comporter un ou plusieurs brins («wire» ou «strand» en anglais). Par « brin », on entend l’unité la plus élémentaire pour la conduction électrique. Un brin peut être de section transversale ronde, on peut alors parler de ‘fil’, ou en méplat. Les brins en méplat peuvent être mis en forme en épingles, par exemple en U ou en I. Chaque brin est revêtu d’un émail isolant.

Les conducteurs électriques peuvent être réalisés en cuivre ou aluminium, ou tout autre matériau conducteur émaillé ou revêtu de tout autre revêtement isolant adapté.

La masse statorique peut être réalisée par empilement de tôles. Les dents peuvent être reliées entre elles par des ponts de matière, et du côté opposé par une culasse. Les encoches peuvent être fermées. Elles peuvent être réalisées entièrement par découpage dans les tôles. Chaque tôle de l’empilement de tôles peut être monobloc.

Chaque tôle est par exemple découpée dans une feuille d’acier magnétique ou contenant de l’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 électrique peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles, le cas échéant.

Le stator peut comporter une carcasse extérieure entourant la culasse.

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

Machine

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, une machine électrique tournante comportant un stator tel que défini ci-dessus.

La machine électrique tournante peut être synchrone ou asynchrone. La machine peut être utilisée comme moteur ou comme générateur. La machine peut être à reluctance. Elle peut constituer un moteur synchrone ou en variante un générateur synchrone. En variante encore, elle constitue une machine asynchrone.

La vitesse maximale de rotation de la machine peut être élevée, étant par exemple supérieure à 10 000 tr/min, mieux supérieure à 12 000 tr/min, étant par exemple de l’ordre de 14 000 tr/min à 15 000 tr/min, voire même de 20 000 tr/min ou de 24 000 tr/min ou de 25 000 tr/min. La vitesse maximale de rotation de la machine peut être inférieure à 100 000 tr/min, voire à 60 000 tr/min, voire encore inférieure à 40 000 tr/min, mieux inférieure à 30 000 tr/min.

L’invention peut convenir tout particulièrement pour des machines de forte puissance.

Rotor

La machine électrique tournante peut comporter un rotor. Le rotor peut comporter une masse rotorique et des aimants permanents insérés dans celle-ci. Le rotor peut être à aimants permanents, avec des aimants surfaciques ou enterrés. Le rotor peut être à concentration de flux. Il peut comporter une ou plusieurs couches d’aimants disposées en I, en U ou en V. Le rotor peut être dépourvu de cage d’écureuil.

En variante, il peut s’agir d’un rotor bobiné ou à cage d’écureuil, ou d’un rotor à réluctance variable.

La masse rotorique peut s’étendre selon l’axe de rotation et être disposée autour d’un arbre. L’arbre peut comporter des moyens de transmission de couple pour l’entraînement en rotation de la masse rotorique.

Le rotor peut comporter des aimants permanents insérés dans la masse rotorique. La masse rotorique peut comporter des tôles rotoriques. Les logements des aimants permanents peuvent être réalisés entièrement par découpage dans les tôles. Chaque tôle de l’empilement de tôles peut être monobloc.

Le nombre de paires de pôles au rotor est par exemple compris entre 1 et 24, étant par exemple de 1, 2, 3, 4, 5 ou 6.

Le diamètre du rotor peut être inférieur à 600 mm, voire inférieur à 400 mm, mieux inférieur à 300 mm, mieux encore inférieur à 200 mm, et supérieur à 40 mm, mieux supérieur à 60 mm, étant par exemple compris entre 80 et 160 mm.

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 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 des 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.

Dans un mode de réalisation, le rotor n’est pas vrillé, étant droit.

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

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

La machine peut être insérée seule dans un carter ou insérée dans un carter de boite de vitesse. Dans ce cas, elle est insérée dans un carter qui loge également une boîte de vitesse.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’un exemple de réalisation non limitatif de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

La est une vue, schématique et partielle, d’une tôle de stator de machine électrique tournante selon l’invention,

la est une vue de détail de la ,

la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation,

Claims

Stator (1) de machine électrique tournante, comportant une masse statorique (2) formée d’un empilement de tôles, notamment de tôles chacune d’un seul tenant, comportant des dents (4) ménageant entre elles des encoches (3), et des conducteurs électriques logés dans les encoches (3), au moins une partie des conducteurs électriques étant de section transversale sensiblement rectangulaire, notamment en forme d'épingle en U ou en I,
au moins l’une des tôles de la masse statorique (2) comportant une pluralité de crans (10) ménagés dans les dents (4), à leur extrémité faisant face à l’entrefer (E), un cran (10) d’une dent étant situé circonférentiellement entre deux bords radiaux (12) de ladite dent (4).
Stator selon la revendication précédente, la pluralité de crans (10) comportant au moins 2k crans, avec au moins k crans régulièrement répartis autour de l’axe longitudinal du stator,
où k est le plus grand commun diviseur entre le nombre de dents N_set le nombre de pôles 2p de la machine comportant le stator.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pluralité de crans (10) comportant au moins trois crans, mieux au moins six crans, notamment sur trois ou six dents différentes, par exemple consécutives ou en variante régulièrement réparties autour d’un axe longitudinal du stator.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pluralité de crans (10) comportant au moins un cran sur au moins un quart des dents (4), mieux sur au moins un tiers des dents, voire sur au moins la moitié des dents, mieux encore sur toutes les dents du stator.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins un cran (10), voire une majorité des crans, mieux tous les crans, étant situé circonférentiellement au milieu des deux bords radiaux (12) de ladite dent (4).
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, une dent (4) comportant plusieurs crans (10), notamment deux crans ou trois crans, lesdits crans étant notamment disposés symétriquement sur la dent.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, les encoches (3) étant de forme rectangulaire en section transversale.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, les encoches (3) étant définies par deux grands côtés radiaux (12) parallèles entre eux.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins une partie des encoches (3) étant fermées, notamment au moins au quart, voire au moins un tiers, notamment au moins la moitié des encoches étant fermées.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins un cran (10) ayant une forme, dans le plan de la tôle, choisie dans la liste suivante, qui n’est pas limitative : partiellement circulaire, semi-circulaire, oblongue, partiellement en ellipse, polygonale, carrée, rectangulaire, rectangulaire avec ou sans des coins arrondis, triangulaire, en trapèze, en queue d’aronde, en forme de V ou de W.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins un cran (10) comportant une portion partiellement circulaire, voire semi-circulaire, son rayon de courbure R étant compris entre 0,4 e et 2 e, mieux entre 0,7 e et 1,4 e, où e désigne la largeur de l’entrefer (E) de la machine comportant le stator.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins un cran (10) ayant une profondeur b, mesurée radialement dans le plan de la tôle, inférieure à sa largeur a, mesurée circonférentiellement dans le plan de la tôle.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, un rapport α entre la largeur a du cran et la profondeur b du cran étant compris entre 0,20 et 4, mieux entre 0,25 et 3, étant notamment de 0,5, 1 ou 2.
Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, une majorité des conducteurs électriques, voire tous les conducteurs électriques, étant en forme d'épingle en U ou en I.
Machine électrique tournante comportant un stator (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un rotor.