FR3138585A1 - Stator pour une machine électrique tournante - Google Patents

Abstract

La présente invention propose un stator de machine électrique tournante, d’axe X, comportant une culasse, des dents réparties sur une périphérie interne de ladite culasse s’étendant d’une face radialement intérieure de la culasse vers l’intérieur dudit stator et délimitant deux à deux des encoches s’ouvrant sur une périphérie interne du stator, le stator comprenant un bobinage comportant des enroulements de phase comportant chacun des structures de segments insérés dans les encoches et des structures de boucles reliant les segments, formant des chignons de bobinage s’étendant de part et d’autre de la culasse, le stator comprenant un volume de vernis réparti de sorte que 60 à 95% du volume de vernis est réparti dans les encoches et 5 à 40% du volume de vernis est réparti dans les chignons. Figure pour l’abrégé : Fig. 4

Description

Stator pour une machine électrique tournante

L’invention concerne notamment un stator pour une machine électrique tournante.

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 tel qu’un 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 rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets traversant axialement le rotor de part en part. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor.

Le stator 15 comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces ainsi qu'un bobinage des phases comprenant des conducteurs reçus dans des encoches du stator ouvertes vers l'intérieur.

Les phases sont généralement au nombre de trois ou six. Dans les stators d'alternateurs de ce genre, les types de bobinages les plus couramment utilisés sont, d'une part, les bobinages dits "concentriques" constitués par des bobines fermées sur elles-mêmes qui sont enroulées autour des dents du stator, et d'autre part, les bobinages du type dit "ondulé".

Les conducteurs de bobinage logés dans les encoches ne remplissent que partiellement les encoches, et sont susceptibles de bouger, de se frotter et éventuellement de se dénuder.

La présente invention vise à permettre d’éviter les inconvénients de l’art antérieur en proposant de recouvrir les conducteurs d’un vernis réparti dans les encoches et au niveau des chignons dans des proportions définies pour permettre une bonne protection des conducteurs sans alourdir la machine.

A cet effet, la présente invention a donc pour objet un stator de machine électrique tournante, d’axe X, comportant une culasse, des dents réparties sur une périphérie interne de ladite culasse s’étendant d’une face radialement intérieure de la culasse vers l’intérieur dudit stator et délimitant deux à deux des encoches s’ouvrant sur une périphérie interne du stator, le stator comprenant un bobinage comportant des enroulements de phase comportant chacun des structures de segments insérés dans les encoches et des structures de boucles reliant les segments, formant des chignons de bobinage s’étendant de part et d’autre de la culasse, le stator comprenant un volume de vernis réparti de sorte que 60 à 95% du volume de vernis est réparti dans les encoches et 5 à 40% du volume de vernis est réparti dans les chignons.

Le vernis forme ainsi une gaine autour du conducteur pour éviter les micro-blessures. Par ailleurs un bobinage ainsi couvert de vernis résiste mieux au brouillard salin. Les performances acoustiques sont également améliorées et le bruit électromagnétique réduit.

Un pourcentage de 80% à 90% du volume de vernis peut être réparti dans les encoches et préférentiellement 83% du volume de vernis peut être réparti dans les encoches.

Le stator peut comporter une pluralité de cales de fermeture d’encoche, chaque cale étant disposée à l’intérieur d’une encoche de sorte à maintenir le bobinage dans l’encoche, au moins une des cales étant micro perforée.

La présente invention concerne également un ensemble pour machine électrique tournant comprenant un rotor solidaire en rotation d’un arbre et un tel stator bobiné fixe, monté autour du rotor.

L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un tel stator dans lequel le vernis est injecté radialement sur la culasse et le bobinage.

Au moins une buse d’injection de vernis utilisée pour injecter radialement le vernis peut être disposée axialement sensiblement au milieu de la culasse d’axe X.

L’axe de la culasse peut être incliné d’un angle compris entre 20° et 50° par rapport à l’axe X et avantageusement d’un angle compris entre 40° et 50° et préférentiellement d’un angle de 45°.

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 illustre le corps du stator.

La illustre l’insertion du bobinage muni de cales dans les encoches.

La illustre le stator bobiné.

La est un schéma du principe d’injection de vernis dans les encoches.

La illustre l’inclinaison du stator lors de l’injection de vernis.

La illustre les cales micro-perforées.

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 exemples 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. En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.

Dans l’ensemble de la description et dans les revendications, on entend par « radial » une direction s’étendant depuis l’axe X, perpendiculairement à l’axe X. De même, on entend par « axial » une direction selon l’axe X.

La machine tournante est par exemple un alternateur ou un alterno-démarreur. Cette machine est de préférence destinée à être mise en œuvre dans un véhicule automobile. On rappelle qu'un alterno-démarreur 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, notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule automobile.

Comme cela est montré sur la , le corps 16 du stator 15 a une forme cylindrique annulaire d'axe X et consiste en un empilement axial de tôles planes. Le corps 16 de stator 15 est délimité radialement par une face cylindrique intérieure 20 et par une face cylindrique extérieure 21. Le corps 16 est par ailleurs délimité axialement par une face radiale d'extrémité axiale inférieure 22 et par une face radiale d'extrémité axiale supérieure 23.

Le corps du stator 16 comporte des dents 25 réparties angulairement de manière régulière sur une périphérie radialement interne d'une culasse 26. Ces dents 25 délimitent deux à deux des encoches 10. La culasse 26 correspond à la portion annulaire extérieure pleine du corps qui s'étend entre le fond des encoches 10 et la périphérie radialement externe du corps 16. Le fond des encoches est la face radialement intérieure de la culasse 24.

Les encoches 10 débouchent axialement dans les faces radiales d'extrémité axiales inférieure 22 et supérieure 23 de la culasse 16. Les encoches 10 sont ouvertes radialement dans la face cylindrique intérieure du corps 16, sur une périphérie interne du stator. Les encoches 10 du stator 15 sont de préférence à bords parallèles, c’est-à-dire que les faces intérieures en vis-à-vis l'une de l'autre des encoches 10 sont parallèles l'une par rapport à l'autre. Les encoches 10 sont par exemple au nombre de 36, 48, 60, 72, 84, ou 96. Dans l'exemple de réalisation, le stator 15 comporte 96 encoches. Elles sont réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe X du corps 16.

Pour former le bobinage 17 du stator 15, plusieurs enroulements de phase E1-E6 sont montés dans la culasse 16. En l'occurrence, le stator 15 "hexaphasé" comporte six enroulements de phase E1-E6. L'invention est cependant applicable à des stators 15 comportant un nombre différent d'enroulements de phase, et notamment à des stators 15 "triphasés" comportant trois enroulements de phase E1-E3, ou des stators pentaphasés comportant cinq enroulements de phase E1-E5 ou heptaphasés comportant sept enroulements de phase E1-E7. La culasse 16 de stator 15 comporte alors par exemple trente-six ou quarante-huit encoches 10.

Comme illustré à la , chaque conducteur 37 appartenant à un enroulement de phase E1-E6 comporte une série de structures de segment 38 qui sont reçues dans une série d'encoches 10 associées. Chaque conducteur 37 comporte aussi des structures de boucle 39 qui relient entre elles les structures de segment 38 consécutives d'un enroulement donné E1-E6, et qui s'étendent alternativement en saillie par rapport à la face d'extrémité axiale supérieure 23 et en saillie par rapport à la face d'extrémité axiale inférieure 22. Un ensemble de structures de boucle 39 agencées au niveau d'une extrémité axiale du corps 16 de stator 15 constitue un chignon de bobinage.

Afin d'optimiser le remplissage d'encoches 10, chaque conducteur 37 pourra présenter une section transversale rectangulaire ou carrée dont la largeur est sensiblement égale à la largeur d'une encoche 10. Suivant une réalisation, les conducteurs 37 présentent une section rectangulaire ou carrée sur toute leur longueur. Alternativement, les structures de segment 38 présentent une section carrée ou rectangulaire; tandis que des structures de boucle 39 reliant deux structures de segment 38 adjacentes présentent une section ronde. Les conducteurs 37 sont de préférence réalisés en cuivre recouvert d'émail. En variante, les conducteurs 37 pourront être réalisés en aluminium.

Le stator 15 peut comprendre des pieds de dents situés au niveau des extrémités libres des dents 25 constitués par des portions en saillie s’étendant en direction de la cavité interne des encoches de sorte à réduire la largeur de l’encoche au niveau de son ouverture radiale. Les pieds de dent de deux dents adjacentes tournées l'une vers l'autre s'étendent sensiblement parallèlement au fond de l'encoche correspondante.

Les encoches sont munies, intérieurement, d’un isolant de fond d’encoche 13 illustré à la , recouvrant la paroi interne desdites encoches sur la périphérie utile de remplissage des fils conducteurs. Cet isolant 13 présente une section en forme de U dont les branches latérales sont plaquées contre les parois radiales des deux dents adjacentes délimitant une encoche, jusqu’au niveau des extrémités supérieures des pieds de dent.

Les encoches 10 d'une série d'encoches reçoivent les structures de segment 38 des conducteurs 37 constituant un enroulement de phase E1-E6. Chaque série d'encoches 10 est associée à un des six enroulements de phase. Deux encoches 10 consécutives d'une série d'encoches sont séparées par des encoches 10 adjacentes correspondant chacune à une autre série d'encoches 10 associée à l'un des cinq autres enroulements de phase. Ainsi, pour un stator 15 hexaphasé, cinq encoches 10 adjacentes sont laissées libres entre deux encoches 10 de chaque série. En d'autres termes, les conducteurs 37 d'un enroulement sont insérés dans une encoche sur six encoches 10 adjacentes. Ainsi, pour un stator 15 comportant K enroulements de phase, les structures de segment 38 sont reçues dans une encoche sur K encoches 10 adjacentes.

Après insertion du bobinage dans les encoches, comme illustré à la , un vernis liquide est coulé dans les encoches et au niveau des chignons, qui, une fois durci, immobilise les fils les uns par rapport aux autres et évite qu'ils ne se dénudent par frottement les uns sur les autres.

Le vernis pourra être par exemple un vernis contenant à l'état liquide un solvant et un polyesterimide, ou bien un solvant et un polyimide. En variante le vernis pourra être à base de polyester et comprendre de l'acrylate ou du vinyltoluène. Ce dernier vernis est par exemple celui commercialisé sous la marque DOLPHON EX-88094 par société ALBESIANO.

Pour la mise en place du vernis, on dispose au moyen de buses 260, 390 injectant radialement, une certaine quantité de vernis liquide, quelques gouttes par exemple, sur une portion adaptée de la zone à recouvrir. Cette portion pourra avoir une superficie inférieure à celle de la zone à recouvrir. En effet, on constate que le vernis à l'état liquide s'étend ensuite spontanément par capillarité sur toute la zone à recouvrir. En particulier, suffit de disposer convenablement le vernis liquide a l'entrée des encoches pour que celui-ci migre dans encoches 10 correspondantes.

Le vernis est placé avantageusement au moyen d’une buse 260 injectant radialement au niveau des encoches et d’une buse 390 injectant radialement au niveau de chaque chignon, comme schématisé à la . Pour un volume de vernis à injecter donné, V, les performances seront optimales si 60 à 95% du volume de vernis est réparti dans les encoches et 5 à 40% du volume de vernis est réparti dans les chignons. Le meilleur compromis entre la rigidification et la solidité du bobinage sans trop alourdir le stator sera obtenu si 80% à 90% du volume de vernis est réparti dans les encoches avec 20 à 10% dans les chignons et préférentiellement si 83% du volume de vernis est réparti dans les encoches contre 17% dans les chignons. En considérant 40g de poids de vernis total, on pourra avoir typiquement 0,46g de vernis par encoche pour un stator à 72 encoches.

Pour une répartition optimale du vernis, le buse d’injection de vernis 260 est axialement sensiblement au milieu de la culasse. Le vernis est injecté dans les encoches puis se répartit dans les encoches en migrant vers les chignons.

Comme illustré à la , l’axe de la culasse pourra être incliné dans un mode avantageux de réalisation pour favoriser la migration du vernis dans les encoches. L’angle d’inclinaison de la culasse pourra être compris entre 20° et 50° par rapport à l’axe X comme illustré à la . Plus particulièrement l’angle d’inclinaison pourra être compris entre 40° et 50° et avantageusement de 45°.

Comme illustré à la , il est possible d’utiliser une cale 11 micro-perforée placée à l’intérieur de l’encoche 10. La cale 11 repose généralement sur les pieds de dents, entre les branches latérales de l’isolant 13. Les cales permettent avantageusement de conserver les fils conducteurs à l’intérieur des encoches, et fournissent également une protection diélectrique.

Le vernis injecté radialement par la buse 260 au niveau des encoches migre ainsi à travers les micro-perforations à l’intérieur de l’encoche. Le diamètre typique d’une perforation est inférieur à 0.3 mm pour éviter tout risque de corrosion, court circuits. Par l’utilisation d’une telle cale, le vernis qui la traverse est mieux réparti, ce qui permet un gain acoustique significatif.

Les cales sont réalisées dans un matériau composite monocouche ou tricouches. Par exemple, les cales de fermeture d’encoche sont réalisées en polyétheréthercétone (PEEK), ou en composite tri-couches de polytéréphtalate d’éthylène (PET) tel que Dacron (marque déposée) / Mylar (marque déposée) / Dacron (marque déposée) (DMD). La cale a avantageusement une épaisseur comprise entre 0.3 et 0.6mm et avantageusement de l’ordre de 0.45mm.

La présente invention trouve des applications en particulier dans le domaine des rotors pour alternateur ou machine réversible 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.

Claims (8)

1. Stator (15) de machine électrique tournante, d’axe X, comportant une culasse (26), des dents (25) réparties sur une périphérie interne de ladite culasse s’étendant d’une face radialement intérieure (24) de la culasse vers l’intérieur dudit stator et délimitant deux à deux des encoches (10) s’ouvrant sur une périphérie interne du stator, le stator comprenant un bobinage (17) comportant des enroulements de phase comportant chacun des structures de segments (38) insérés dans les encoches et des structures de boucles (39) reliant les segments, formant des chignons de bobinage s’étendant de part et d’autre de la culasse,
   le stator (15) comprenant un volume (V) de vernis réparti de sorte que 60 à 95% du volume de vernis est réparti dans les encoches et 5 à 40% du volume de vernis est réparti dans les chignons.
2. Stator selon la revendication 1 dans lequel 80% à 90% du volume (V) de vernis est réparti dans les encoches (10) et préférentiellement 83% du volume de vernis est réparti dans les encoches (10).
3. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes comportant une pluralité de cales de fermeture d’encoche (11), chaque cale (11) étant disposée à l’intérieur d’une encoche de sorte à maintenir le bobinage dans l’encoche, au moins une des cales (11) étant micro perforée.
4. Ensemble pour machine électrique tournante comprenant un rotor solidaire en rotation d’un arbre et un stator bobiné selon l’une quelconque des revendications précédentes, fixe, monté autour du rotor.
5. Procédé de fabrication d’un stator selon l’une quelconque des revendications 1 à 2 dans lequel le vernis est injecté radialement sur la culasse (26) et le bobinage (17).
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel au moins une buse d’injection de vernis (260) utilisée pour injecter radialement le vernis est disposée axialement sensiblement au milieu de la culasse d’axe X.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 6 dans lequel l’axe de la culasse est incliné d’un angle compris entre 20° et 50° par rapport à l’axe X.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l’axe de la culasse est incliné d’un angle compris entre 40° et 50° et avantageusement d’un angle de 45°.