FR3138586A1 - Stator pour une machine électrique tournante - Google Patents
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Abstract
La présente invention propose un ensemble pour machine électrique tournante comportant un rotor solidaire en rotation d’un arbre et un stator bobiné fixe monté radialement autour du rotor, le stator d’axe X comportant une culasse, des dents réparties sur une périphérie radialement interne de ladite culasse s’étendant d’une face radialement intérieure de la culasse radialement 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 formé autour des dents, les conducteurs du bobinage étant logés dans les encoches, chaque encoche étant remplie radialement vers l’intérieur jusqu’à un niveau radial de remplissage, l’ensemble étant caractérisé en ce que Γ étant la distance radiale entre la périphérie externe du rotor et la périphérie interne du stator, P étant la profondeur radiale entre la périphérie interne du stator et le niveau de remplissage de l’encoche, 0 ≤ P ≤ 2 x Γ, Γnominal = 0.35 mm, donc 0<P<0.7mm. Figure pour l’abrégé : Fig. 3
Description
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 14 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 ou de cornes polaires forgées. 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".
Le stator est monté autour du rotor, un entrefer Γ séparant la périphérie interne du stator de la périphérie externe du rotor de la machine électrique tournante.
Les conducteurs de bobinage logés dans les encoches remplissent seulement partiellement les encoches, une lame d’air séparant le niveau de remplissage radial de l’encoche de l’ouverture de l’encoche. Lors de la rotation du rotor vis à vis du stator, cette lame d’air peut engendrer un bruit aéraulique important gênant.
La présente invention vise à permettre d’éviter les inconvénients de l’art antérieur en définissant une épaisseur de lame d’air permettant de limiter ce bruit aéraulique.
A cet effet, la présente invention a donc pour objet un ensemble pour machine électrique tournante comportant un rotor solidaire en rotation d’un arbre et un stator bobiné fixe monté radialement autour du rotor, le stator d’axe X comportant une culasse, des dents réparties sur une périphérie radialement interne de ladite culasse s’étendant d’une face radialement intérieure de la culasse radialement 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 formé autour des dents, les conducteurs du bobinage étant logés dans les encoches, chaque encoche étant remplie radialement vers l’intérieur jusqu’à un niveau radial de remplissage, l’ensemble étant caractérisé en ce que Γ étant la distance radiale entre la périphérie externe du rotor et la périphérie interne du stator, P étant la profondeur radiale entre la périphérie interne du stator et le niveau de remplissage de l’encoche, 0 ≤ P ≤ 2 x Γ, Γnominal = 0.35 mm, donc 0<P<0.7mm.
Une telle épaisseur de la lame d’air rend la périphérie interne du stator sensiblement lisse ce qui diminue avantageusement le bruit aéraulique.
L’invention propose notamment l’utilisation avantageuse de cales de différentes géométries placées à l’intérieur de l’encoche pour réduire l’épaisseur de la lame d’air à la gamme d’épaisseur revendiquée.
Pour cela l’encoche peut être munie d’une cale adaptée pour bloquer les conducteurs dans l’encoche, le niveau radial de remplissage de l’encoche étant défini au niveau de l’extrémité de la cale radialement la plus éloignée du fond de l’encoche.
Dans un plan perpendiculaire à l’axe X, la section de la cale peut être incurvée vers une ouverture de l’encoche à la périphérie interne du stator.
Dans un plan perpendiculaire à l’axe X, la cale peut avoir une section en V, la pointe du V étant l’extrémité de la cale radialement la plus éloignée du fond de l’encoche.
Dans un plan perpendiculaire à l’axe X, l’encoche peut s’étendre radialement depuis le fond en une portion principale de section plus grande dans laquelle sont logés les conducteurs ouvrant sur une portion intermédiaire ouvrant sur une portion d’étranglement de section plus petite ouverte sur la périphérie interne du stator, la cale ayant une forme en T dont la partie horizontale positionnée dans la portion intermédiaire bloque les conducteurs dans la portion principale de l’encoche et dont la partie verticale s’étend au moins partiellement radialement dans la portion d’étranglement.
La cale peut avoir une forme complémentaire des portions intermédiaire et d’étranglement de sorte que la cale remplit ces deux portions.
La présente invention a également pour objet une machine électrique tournante comprenant un tel ensemble. 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 illustre le corps du stator.
La illustre l’insertion du bobinage statorique dans les encoches du corps du stator.
La est un schéma d’une coupe d’une dent du stator munie de conducteurs.
Les , , , illustrent les différentes géométries de cales.
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.
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 31 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.
Une encoche munie de pieds de dents présente ainsi trois portions qui s’étendent radialement depuis le fond 10f. L’encoche présente une portion principale 12a de section plus grande dans laquelle sont logés les conducteurs ouvrant sur une portion intermédiaire 12b ouvrant sur une portion d’étranglement 12c de section plus petite ouverte sur la périphérie interne du stator.
Les encoches sont munies, intérieurement, d’un isolant de fond d’encoche 13 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.
Les enroulements de phase E1-E6 définissent un empilement radial de couches concentriques, comme cela est visible sur la jusqu’à un niveau radial de remplissage R illustré à la . Le niveau radial de remplissage R correspond à la distance radiale entre le fond de l’encoche 10f et la lame d’air.
En définissant P comme étant la profondeur radiale entre la périphérie interne du stator et ce niveau de remplissage R de l’encoche, le bruit aéraulique est réduit de manière importante si : 0 ≤ P ≤ 2 x Γ donc 0<P<0.7mm, Γ nominal, qui est typiquement de l’ordre de 0.35 mm.
Le niveau de remplissage peut être augmenté, donc l’épaisseur de la lame d’air diminuée en insérant une cale à l’intérieur de l’encoche. Le niveau de remplissage est alors défini comme pris au niveau de l’extrémité de la cale 11e radialement la plus éloignée du fond de l’encoche.
La cale 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.
Les cales sont réalisées dans un matériau composite monocouche ou tricouches. Par exemple, les cale 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.
En modifiant la géométrie de de la cale, il est possible d’obtenir le meilleur compromis entre les performances électriques et acoustiques.
Dans un premier mode de réalisation, une cale plate est insérée dans l’encoche. Une telle cale permet un taux de remplissage important dans l’encoche pour de bonnes performances électriques. Dans ce mode de réalisation, la profondeur P illustrée sur la est plus importante que dans les cas qui vont suivre, ce qui correspond à de moins bonnes performances acoustiques.
La distance P peut être réduite et les performances acoustiques améliorées par déformation de la cale. Notons qu’une telle déformation peut être obtenue par le seul fait de la pression exercée par le fils, dans le cas d’un moins fort taux de remplissage. Les performances électriques sont dans ce dernier cas moins bonnes. La cale doit être suffisamment longue pour être maintenue dans l’encoche.
Dans un deuxième mode de réalisation, la cale a une section incurvée vers l’ouverture d’encoche comme illustré à la . Le niveau de remplissage R est ainsi augmenté par rapport au cas d’une cale plate, et l’épaisseur P de lame d’air réduit ce qui limite le bruit aéraulique. Une telle géométrie est par ailleurs très facile à réaliser, les cales en matériau composite décrites se déformant facilement.
Dans un troisième mode de réalisation illustré à la , la cale a une section en V dans un plan perpendiculaire à l’axe X, ce qui permet de réduire encore la profondeur P pour de meilleures performances acoustiques, tout en augmentant le taux de remplissage par rapport au cas de la cale arrondie, ce qui améliore les performances électriques.
Dans un quatrième mode de réalisation illustré à la , la cale a une forme en T, dont la partie horizontale positionnée dans la portion intermédiaire 12b bloque les conducteurs dans la portion principale de l’encoche et dont la partie verticale s’étend au moins partiellement radialement dans la portion d’étranglement 12c.
Dans un cinquième mode de réalisation illustré à la , la cale en T précédente est telle que la barre verticale du T obture la portion d’étranglement de sorte que la profondeur P est nulle. Un très bon compromis entre les performances acoustiques et électriques est obtenu avec une telle géométrie de cale.
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 (7)
- Ensemble pour machine électrique tournante comportant un rotor solidaire en rotation d’un arbre et un stator bobiné fixe monté radialement autour du rotor,
le stator d’axe X comportant une culasse (26), des dents (25) réparties sur une périphérie radialement interne de ladite culasse s’étendant d’une face radialement intérieure de la culasse (24) radialement 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) formé autour des dents, les conducteurs (37) du bobinage étant logés dans les encoches, chaque encoche (10) étant remplie radialement vers l’intérieur jusqu’à un niveau radial de remplissage (R),
l’ensemble étant caractérisé en ce que :
Γ étant la distance radiale entre la périphérie externe du rotor et la périphérie interne du stator,
P étant la profondeur radiale entre la périphérie interne du stator et le niveau de remplissage (R) de l’encoche,
0 ≤ P ≤ 2 x Γ
Γ nominal = 0.35 mm
donc 0<P<0.7mm. - Ensemble selon la revendication 1, dans lequel l’encoche (10) est munie d’une cale (11) adaptée pour bloquer les conducteurs dans l’encoche (10), le niveau radial de remplissage de l’encoche (R) étant défini au niveau de l’extrémité de la cale (11e) radialement la plus éloignée du fond de l’encoche (10f).
- Ensemble selon la revendication 2 dans lequel dans un plan perpendiculaire à l’axe X, la section de la cale (11) est incurvée vers une ouverture de l’encoche à la périphérie interne du stator.
- Ensemble selon la revendication 2 dans lequel dans un plan perpendiculaire à l’axe X, la cale (11) a une section en V, la pointe du V étant l’extrémité de la cale (11e) radialement la plus éloignée du fond de l’encoche (10f).
- Ensemble selon la revendication 2 dans lequel dans un plan perpendiculaire à l’axe X, l’encoche (10) s’étend radialement depuis le fond (10f) en une portion principale (12a) de section plus grande dans laquelle sont logés les conducteurs ouvrant sur une portion intermédiaire (12b) ouvrant sur une portion d’étranglement (12c) de section plus petite ouverte sur la périphérie interne du stator, la cale (11) ayant une forme en T dont la partie horizontale positionnée dans la portion intermédiaire (12b) bloque les conducteurs dans la portion principale de l’encoche et dont la partie verticale s’étend au moins partiellement radialement dans la portion d’étranglement (12c).
- Ensemble selon la revendication 5 dans lequel la cale (11) a une forme complémentaire des portions intermédiaire (12b) et d’étranglement (12c) de sorte que la cale (11) remplit ces deux portions (12b, 12c).
- Machine électrique tournante comprenant un ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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