WO2016016558A2 - Stator ameliore et machine électrique comportant un tel stator - Google Patents

Stator ameliore et machine électrique comportant un tel stator Download PDF

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WO2016016558A2
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electric machine
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Pierre Dumas
Laurent Verdier
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Lohr Electromecanique
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    • H02K1/2791—Surface mounted magnets; Inset magnets
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating

Definitions

  • the present invention relates to the general technical field of electric motors and more generally synchronous machines comprising means for generating a magnetic induction.
  • the present invention relates more particularly to an electric machine, for example a synchronous machine with sinusoidal or other electromotive force, fed by a polyphase alternating voltage.
  • the invention will be described hereinafter more particularly, but not exclusively, with means for generating a magnetic induction constituted by an exemplary embodiment of permanent magnets.
  • the electric machine is for example a wheel motor.
  • An electric machine with permanent magnets is generally constituted by a wound stator and a rotor carrying the permanent magnets and extending around said stator. Such an electric machine is powered and driven via a power electronics.
  • An electric machine with permanent magnets and sinusoidal electromotive force can be controlled with a vector control system.
  • This type of control known as such, provides high performance, namely high accuracy and high torque dynamics. These performances are necessary, especially for traction motors.
  • Electric machines are also known whose stator, including the stator teeth, is made with a joined assembly of sheets. Such a stator, once assembled, requires precise positioning to perform the winding of each tooth. These winding operations are difficult to implement and take a long time. In addition, the replacement of a defective winding of a tooth faces the same difficulties.
  • stator teeth mounted radially on a stator yoke have at their end in contact with the stator yoke, a relatively thick base for channeling the magnetic field lines. These bases must all be in contact in order to avoid passing the magnetic field lines in the air.
  • the dimensional tolerances observed on the stator teeth make such contact between the bases very random. This problem is all the more important as the number of stator teeth mounted on the stator yoke is high. This may attenuate the magnetic field lines and therefore affect the performance of these synchronous machines. Disclosure of the invention
  • the object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages mentioned above and to provide stator teeth to improve the performance of the electrical machine in which they are integrated.
  • Another object of the present invention is to provide a stator tooth for greatly simplifying the manufacture and assembly of a stator.
  • Another object of the present invention is to overcome the drawbacks mentioned above and to provide an optimized stator to improve the performance of the electrical machine in which it is integrated.
  • Another object of the present invention is to overcome the drawbacks mentioned above and to provide an electric machine, constituting for example a wheel motor, which is dimensionally optimized and in terms of its performance.
  • stator tooth for an electric machine and intended to carry a winding of an electric wire
  • said stator tooth comprising a central part formed with a joined assembly of metal sheets. pre-cut magnetic strips, said pre-cut magnetic sheets being secured to each other, characterized in that the central portion is sandwiched between two longitudinal end portions which are secured to the central portion and each traversed by a radial fixing bolt, said parts of longitudinal end having a rounded outer shape to form, at the ends of the stator tooth, a continuous contact surface for the electrical son or son (s) wound (s) on said stator tooth.
  • the electrical wire (s) has a rectangular cross section.
  • the longitudinal end portions are metallic.
  • an electric machine stator comprising a cylindrical stator yoke magnetic material, on which are fixed radially and directly stator teeth as presented above.
  • the stator yoke integrates a cooling circuit.
  • the stator yoke comprises a central portion constituting a radiator, an inlet and outlet collector for the cooling fluid mounted in an axial direction on one end of the central portion and a return collector for the fluid. cooling mounted in an axial direction on the other end of the central portion, the inlet and outlet manifold being connected to the cooling circuit.
  • the statoric yoke comprises an internal cylindrical portion and an outer cylindrical portion extending around said internal cylindrical portion delimiting between said cylindrical portions a helical cooling circuit in the form of double-pitch helix constituting a radiator, the statoric yoke also comprising an inlet and outlet collector of the cooling fluid mounted in an axial direction on one end of the cylindrical portions and in fluid communication with the double pitch propeller, the collector of input and output ensuring the input and output of the cooling fluid being connected to the cooling circuit.
  • the electric wires wound on the stator teeth comprise connection ends extending in the axial direction of said stator and connected according to a given connection diagram between phases, by the intermediate of a connecting disc axially mounted on said connection ends.
  • the electric wires wound on the stator teeth comprise connection ends extending in the axial direction of said stator are bent and / or folded to be connected to each other by brazing according to a given scheme of connection between phases.
  • the electric wires wound on the stator teeth comprise connection ends extending in the axial direction of said stator and connected according to a given phase-to-phase connection diagram, via of an insert and brazed on connection ends.
  • Such an insert is for example made of an individual electrical wire element for connecting two longitudinal ends.
  • the rotor consists of a magnetic sheet on which permanent magnets are directly attached.
  • the permanent magnets are fixed to the magnetic sheet by gluing or by any other mechanical retaining means.
  • a wheel motor characterized in that it comprises an electric machine as presented above, the rotor comprising a hub mounted free to rotate through bearing on a fixed rocket, said rotor constituting a rim having an outer face on which is mounted a tire and an inner face on which are fixed permanent magnets, the stator being intended to be integral with a fixed frame.
  • the electric machine according to the invention advantageously constitutes a wheel motor of a rail or road vehicle.
  • the removable stator tooth according to the invention has the advantage of reducing its bulk due to the use of coiled electrical wires having a rectangular cross section.
  • the load factor of the space occupied by the electric wires thus passes to 50%, whereas it is about 40%> for the coils with electrical wires of circular cross section.
  • the electric wire is wound on the stator tooth according to the invention, prior to its mounting on a stator yoke, thus greatly facilitating the winding and assembly operations.
  • stator tooth Since each stator tooth is removable, it facilitates maintenance operations. The stator teeth can thus be replaced individually. Electrical machines often include detection means that identify the stator tooth carrying the defective winding. The replacement of a stator tooth can therefore be undertaken in such a way as to reduce as much as possible the maintenance costs and the downtime of the electric machine.
  • the stator tooth according to the invention also has the advantage, thanks to the rounded end portions, of increasing the area of contact with the wound electric wire and consequently of improving the heat dissipation.
  • the use of a metal, for example copper, to make the parts Longitudinal end also contributes to better heat dissipation, particularly at the longitudinal ends of the stator teeth where the loops of the electric wire are located. This has a favorable effect on the efficiency and life of an electric machine.
  • the stator according to the invention comprising a stator yoke made of a magnetic material, has the advantage of closing directly the magnetic field lines created by the coils.
  • the stator teeth can thus be mounted directly, that is to say without intermediate magnetic part, on a stator yoke.
  • the stator according to the invention therefore has the enormous advantage of avoiding a contact between the bases of the stator teeth.
  • the stator teeth are bolted to the stator yoke in a radial direction thus ensuring excellent radial clamping and good contact with said cylinder head.
  • the risk that the magnetic field lines must pass through a layer of air, thus generating their attenuation, is therefore greatly reduced or almost zero.
  • Radial clamping ensures better contact with the stator yoke than the resulting random contact between two juxtaposed bases. This results in better performance.
  • the motor-wheel according to the invention has the advantage of generating a gain of space insofar as the permanent magnets are fixed directly on the rim and not on an intermediate piece integral with said rim. This gives a larger diameter on which the permanent magnets are positioned. The number of permanent magnets can then be higher, thus improving the performance of the motor-wheel.
  • FIG. 1 represents in section, an exemplary embodiment of a motor-wheel incorporating a stator according to the invention
  • FIG. 2 is an exploded and perspective view of an exemplary embodiment of part of a stator, called cylinder head stator, according to the invention
  • FIG. 3 is a view in section and in perspective of the stator portion of FIG. 2,
  • FIG. 4 is an exploded and perspective view of another embodiment of a part of a stator according to the invention.
  • FIG. 5 is a partially exploded view in perspective of an exemplary embodiment of a stator tooth according to the invention.
  • FIG. 6 is a partial perspective view of stator teeth according to the invention, mounted on a stator yoke,
  • FIG. 7 is a diagrammatic cross-sectional view along the line VII-VII of FIG. 5 of a stator tooth according to the invention, provided with an electric winding
  • FIGS. 7a and 7b are views. schematic, transverse and in section along the line VII-VII of Figure 5, other embodiments of the stator tooth according to the invention, provided with an electric winding
  • Figure 8 and 8a schematically illustrate the arrangement between stator teeth and the stator yoke, of a stator according to the invention, by visualizing the magnetic field lines
  • FIG. 9 is an exploded and perspective view of another embodiment of a tooth of stator according to the invention, with the winding and the insulation
  • FIG. 10 is a partial view, in section along the X-X plane, of a longitudinal end of a stator tooth of FIG.
  • Figure 11 illustrates the relative arrangement of the stator teeth on a stator according to the invention and electrical connection means relating thereto.
  • FIG. 1 represents in section, an exemplary embodiment of an electric machine according to the invention, constituting a motor-wheel integrating a stator according to the invention and stator teeth according to the invention.
  • the electric machine comprises a rotor 1, rotatably mounted on a fixed rocket 2, for example secured to a frame.
  • the rotary connection between rocket 2 and the rotor 1 is provided by any known means, in particular by means of a bearing system 3.
  • the rotor 1 is provided on an inner face 4a with permanent magnets 5.
  • the rotor 1 may constitute a rim having an outer face 4b for mounting a tire.
  • the electric machine also comprises a stator 6 having a substantially cylindrical stator yoke 7 to which stator teeth 8 are attached and fixed.
  • the stator 6 is advantageously immobilized on the fixed frame by means of immobilizing bolts, not shown. .
  • stator teeth 8 are removable and provided with a winding of electrical wires 10, shown for example in section in Figure 1.
  • the stator teeth 8 are mounted radially on the stator yoke 7 and fixed thereto via radial fixing bolts passing through said stator teeth 8 and engaged in a radial direction in said stator yoke 7.
  • FIG. 2 is an exploded and perspective view of an exemplary embodiment of a portion of the stator 6 according to the invention and more specifically of the statoric yoke 7.
  • the latter comprises a central portion 7a of substantially cylindrical shape , whose wall thickness is sufficient to machine longitudinal channels 12 for the circulation of a cooling fluid.
  • This central portion 7a thus constitutes a radiator transferring thermal energy to the cooling fluid circulating in the channels 12.
  • the stator yoke 7 also comprises an inlet and outlet manifold 13 and a return manifold 14, respectively fixed on the axial edges of the central portion 7a, for example by screwing.
  • axial bores 14a are machined in the return manifold 14 for mounting on the central portion 7a.
  • FIG. 3 is a view in section and in perspective of the part of the stator 6 illustrated in FIG.
  • the inlet and outlet manifold 13 advantageously comprises an inlet orifice 15 opening onto an inlet peripheral groove 16 which is delimited by an internal face of the inlet and outlet manifold 13 and by a substantially transverse extension 17 extending from the wall of the central portion 7a to the hub 2. Radial grooves 18 machined in the transverse extension 17 put in communication the peripheral input groove 16 with some 12a of the channels 12.
  • the inlet and outlet manifold 13 also has an outlet opening opening on a peripheral outlet groove 20 which is delimited by another internal face of the inlet and outlet manifold 13 and by a contact wall 21 intended to bear against the axial edge of the central portion 7a, on which the channels 12 open.
  • the contact wall 21 is provided with of holes 22, judiciously distributed, to put into fluid communication some 12b of the channels 12 and the output peripheral groove 20.
  • the axial end edge of the central portion 7a and the inlet and outlet manifold 13 and forms The output peripheral groove 20 is machined in the inlet and outlet manifold 13.
  • the return manifold 14 has in an area facing the axial edge of the central portion 7a on which opens the channels 12, a succession of grooves 14b each for putting in fluid communication a channel 12a and two adjacent channels 12b.
  • the channel 12a has as such a diameter twice that of the adjacent channels 12b. Referring for example to Figure 3, it is clear that the coolant thus passes through the central portion 7a in a direction A passing through a channel 12a, then crosses the central portion 7a, in the opposite direction R borrowing two 12b channels adjacent to the channel 12a and located on either side of said channel 12a.
  • the cooling circuit is of course associated with a liquid reservoir and a pump to operate in a known manner.
  • the central portion 7a and the return manifold 14 advantageously comprise tapped radial holes 23, intended for the engagement of the radial fastening bolts.
  • the stator yoke 7 comprises an internal cylindrical portion 7b and an outer cylindrical portion 7c coaxial, extending around said internal cylindrical portion 7b delimiting between said cylindrical portions a cooling circuit helical, thus constituting a radiator.
  • the helical cooling circuit is advantageously formed in the inner face of the outer cylindrical portion 7c in the form of a helical groove 7d.
  • the stator yoke 7 also comprises the inlet and outlet manifold 13a of the cooling fluid mounted in an axial direction on one end of the cylindrical portions 7b, 7c.
  • the helical cooling circuit, more precisely the helical groove 7d, is advantageously made to constitute a double pitch helix, also ensuring the return for the cooling fluid.
  • the inlet and outlet manifold 13a is connected to the cooling circuit and ensures the inlet and the outlet of the cooling fluid in the helical portion of the cooling circuit.
  • the cooling fluid circulates in one direction by taking the first step of the double pitch propeller and returns in the opposite direction by borrowing the second pitch of the double pitch propeller.
  • FIG. 5 is a partially exploded view in perspective of a tooth of a stator 8 according to the invention disposed opposite the stator yoke 7.
  • the stator tooth 8 is shown without electrical winding.
  • the stator tooth 8 comprises a central portion 24 formed with a joined assembly of pre-cut magnetic sheets 24a and secured to each other for example by welding, gluing, plastic injection or stapling.
  • the central portion 24 is sandwiched between two longitudinal end portions 25.
  • the latter are secured to the central portion 24 by welding and have a passage or a bore for the engagement of radial fastening bolts which fix the stator tooth 8 on the stator yoke 7 in a radial direction.
  • the longitudinal end portions 25 have a rounded outer shape 25a to provide a bearing surface and continuous contact for the wire 10 wound on the stator tooth 8.
  • This innovative construction improves the performance of an electric machine to the extent that these performances are related to the temperature. A decrease in the operating temperature increases the performance of the electric machine as well as its service life. Indeed, the lower the operating temperature, the less insulating materials are solicited.
  • FIG. 6 is a partial perspective view of stator teeth 8 according to the invention and mounted on a stator yoke 7.
  • the stator teeth 8 are not all represented and are devoid of electrical wires 10 for the sake of simplification of the presentation.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view along the line VII-VII of a tooth of a stator 8 of FIG. 5, provided with a winding of electrical wires 10. Only part of the windings of the electrical wire 10 is represented.
  • the electric wire 10 advantageously has a rectangular cross section.
  • Pre-cut magnetic sheets 24a advantageously have an upstanding end 24b and a low end 24c flared between which extend the windings of the electrical wire 10.
  • the high ends 24b and low 24c advantageously have a notch 26 to receive the weld.
  • the longitudinal end portions 25 preferably have on their side intended to grip the central portion 24, a shape identical to that of the precut magnetic sheets 24a, thus facilitating the assembly of the stator tooth 8.
  • the lower ends 24c are not flared but straight.
  • the stator tooth 8 is free of foot. This form is advantageous in that it allows the winding 10 on a template, and then to engage longitudinally said coil 10 on the central portion 24 and by the lower end 24c.
  • the upper end 24b for example an assembly of sheets, is attached and fixed by any known means to the upper end 24d of the central portion 24.
  • the upper end 24b in the form of a cap, is for example secured to the central part by means of a not shown strap.
  • the electrical wires 10 wound on the stator teeth 8 comprise connection ends extending in the axial direction of the stator 6 and connected to each other according to a given phase-to-phase connection diagram, via an annular disk of FIG. connection.
  • the latter known as such, is mounted axially on the connection ends of the electrical wires 10.
  • FIGS 8 and 8a schematically illustrate the arrangement between the removable stator teeth 8 and the stator yoke 7 of a stator 6 according to the invention. These figures also schematically illustrate the magnetic field lines B passing through the wall thickness of the stator yoke 7. The heat exchange between the stator tooth 8 and the stator yoke 7 is improved for example by placing a grease between these two elements before assembly.
  • the pre-cut magnetic sheets 24a and the longitudinal end portions 25 are secured by means of a hooping tape 27, also called polyglass tape (trade name).
  • An electrical insulating structure 28 is then mounted on the stator tooth 8, thus covering the pre-cut magnetic sheets 24a and the hooping tape 27, prior to the winding of the electrical wire 10.
  • the electrical insulating structure 28 has on its longitudinal sides a longitudinal channel shape 29, closed once the electric wire 10 wound on the electrical insulating structure 28.
  • radial fixing and clamping bolts 11, intended to pass through the longitudinal end portions 25 are also illustrated in FIG. 9.
  • the ends 10a of the electrical wire 10 project from the troughs 29 in a longitudinal direction.
  • FIG. 10 is a partial view, in section along the plane XX, of a longitudinal end of a stator tooth 8 of FIG. 1. This section also corresponds to an identical section of the stator tooth 8 of FIG. 9 once assembled.
  • FIG. 11 schematically illustrates the arrangement and the relative positioning of the stator teeth 8 in the absence of the stator yoke 7.
  • the longitudinal and axial extension of the ends 10a of the electrical wires 10 allows the use and the mounting in one direction axial axis of a connection disc 30.
  • the connection disk 30 advantageously comprises connection pads 31 on which the ends 10a of the electric wires 10 will be welded.
  • the longitudinal ends 10a of the electrical wires 10 are simply bent and / or folded before being brazed together to make the interconnections of the different phases.
  • a synchronous electric machine with permanent magnets 5, for example a sinusoidal electromotive force, according to the invention, advantageously constitutes a motor-wheel.
  • the latter can equip a road or rail vehicle.
  • the innovative design of the motor-wheel according to the invention thus reduces its size and free space in said wheel. This space can then be used to house a traction inverter.
  • the electric machine according to the invention can also be used as a winch motor or as an elevator motor.

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Abstract

L'invention concerne une dent de stator (8) pour machine électrique et destinée à porter un enroulement d'un fil électrique (10), ladite dent comportant une partie centrale (24) formée avec un assemblage jointif de tôles magnétiques prédécoupées (24a), lesdites tôles étant solidarisées entre-elles, caractérisée en ce que la partie centrale (24) est enserrée entre deux parties d'extrémité longitudinale (25) lesquelles sont solidarisées à la partie centrale (24) et traversées chacune par un boulon de fixation radiale (11), lesdites parties d'extrémité longitudinale (25) présentant une forme extérieure arrondie (25 a) pour constituer au niveau des extrémités de la dent, une surface de contact continue pour le ou les fil(s) électrique(s) (10) enroulé(s) sur ladite dent.

Description

STATOR AMELIORE ET MACHINE ÉLECTRIQUE COMPORTANT UN
TEL STATOR
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine technique général des moteurs électriques et plus généralement des machines synchrones comportant des moyens pour générer une induction magnétique.
La présente invention concerne plus particulièrement une machine électrique, par exemple une machine synchrone à force électromotrice sinusoïdale ou autre, alimentée par une tension alternative polyphasée.
L'invention sera décrite ci-après plus particulièrement mais non limitativement avec des moyens pour générer une induction magnétique constitués à titre d'exemple de réalisation, d'aimants permanents. La machine électrique constitue par exemple un moteur-roue.
Une machine électrique à aimants permanents est en général constituée d'un stator bobiné et d'un rotor portant les aimants permanents et s 'étendant autour dudit stator. Une telle machine électrique est alimentée et pilotée par l'intermédiaire d'une électronique de puissance.
Une machine électrique à aimants permanents et à force électromotrice sinusoïdale, peut être pilotée avec un système de commande vectorielle. Ce type de pilotage, connu en tant que tel, permet d'obtenir des performances élevées à savoir, une grande précision et une dynamique de couple élevée. Ces performances sont nécessaires, en particulier pour les moteurs de traction.
On connaît également des machines électriques dont le stator, incluant les dents de stator, est réalisé avec un assemblage jointif de tôles. Un tel stator, une fois assemblé, nécessite un positionnement précis pour réaliser le bobinage de chaque dent. Ces opérations de bobinage sont difficiles à mettre en œuvre et prennent beaucoup de temps. En outre, le remplacement d'un bobinage défectueux d'une dent se heurte aux mêmes difficultés.
Par ailleurs, dans d'autres machines synchrones connues, les dents de stator montées radialement sur une culasse statorique, présentent à leur extrémité en contact avec la culasse statorique, une base relativement épaisse pour canaliser les lignes de champ magnétique. Ces bases doivent toutes être en contact afin d'éviter de faire passer les lignes de champ magnétique dans l'air. Or les tolérances dimensionnelles observées sur les dents de stator rendent très aléatoire un tel contact entre les bases. Ce problème est d'autant plus important que le nombre de dents de stator montées sur la culasse statorique est élevé. Ceci risque d'atténuer les lignes de champ magnétique et par conséquent d'altérer les performances de ces machines synchrones. Divulgation de l'invention
L'objet de la présente invention vise par conséquent à remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et à fournir des dents de stator permettant d'améliorer les performances de la machine électrique dans laquelle elles sont intégrées.
Un autre objet de la présente invention vise à proposer une dent de stator permettant de simplifier grandement la fabrication et l'assemblage d'un stator.
Un autre objet de la présente invention vise à remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et à fournir un stator optimisé permettant d'améliorer les performances de la machine électrique dans laquelle il est intégré.
Un autre objet de la présente invention vise à remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et à proposer une machine électrique, constituant par exemple un moteur-roue, laquelle est optimisée dimensionnellement et au niveau de ses performances.
Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide d'une dent de stator amovible pour machine électrique et destinée à porter un enroulement d'un fil électrique, ladite dent de stator comportant une partie centrale formée avec un assemblage jointif de tôles magnétiques prédécoupées, lesdites tôles magnétiques prédécoupées étant solidarisées entre-elles, caractérisée en ce que la partie centrale est enserrée entre deux parties d'extrémité longitudinale lesquelles sont solidarisées à la partie centrale et traversées chacune par un boulon de fixation radiale, lesdites parties d'extrémité longitudinale présentant une forme extérieure arrondie pour constituer, au niveau des extrémités de la dent de stator, une surface de contact continue pour le ou les fils électrique(s) enroulé(s) sur ladite dent de stator.
Selon un exemple de réalisation de la dent de stator conforme à l'invention, le(s) fil(s) électrique(s) présente(nt) une section transversale rectangulaire.
Selon un exemple de réalisation de la dent de stator conforme à l'invention, les parties d'extrémité longitudinale sont métalliques.
Les objets assignés à l'invention sont également atteints à l'aide d'un stator pour machine électrique comportant une culasse statorique cylindrique en matériau magnétique, sur laquelle sont fixées radialement et directement des dents de stator telles que présentées ci-dessus.
Selon un exemple de réalisation du stator conforme à l'invention, la culasse statorique intègre un circuit de refroidissement.
A titre d'exemple, la culasse statorique comprend une portion centrale constituant un radiateur, un collecteur d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement monté selon une direction axiale sur une extrémité de la portion centrale et un collecteur de retour pour le fluide de refroidissement monté selon une direction axiale sur l'autre extrémité de la portion centrale, le collecteur d'entrée et de sortie étant relié au circuit de refroidissement.
Selon un autre exemple de réalisation du stator conforme à l'invention, la culasse statorique comprend une portion cylindrique interne et une portion cylindrique externe s'étendant autour de ladite portion cylindrique interne en délimitant entre lesdites portions cylindriques un circuit de refroidissement hélicoïdal sous forme d'hélice double pas constituant un radiateur, la culasse statorique comprenant également un collecteur d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement monté selon une direction axiale sur une extrémité des portions cylindriques et en communication fluidique avec l'hélice double pas, le collecteur d'entrée et de sortie assurant l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement étant relié au circuit de refroidissement.
Selon un exemple de réalisation du stator conforme à l'invention, les fils électriques enroulés sur les dents de stator comportent des extrémités de raccordement s'étendant selon la direction axiale dudit stator et raccordés selon un schéma donné de connexion entre phases, par l'intermédiaire d'un disque de raccordement monté axialement sur lesdites extrémités de raccordement.
Selon un autre mode de réalisation conforme à l'invention, les fils électriques enroulés sur les dents de stator comportent des extrémités de raccordement s'étendant selon la direction axiale dudit stator sont cintrées et/ou repliées pour être raccordées entre elles par brasage selon un schéma donné de connexion entre phases.
Selon un autre mode de réalisation conforme à l'invention, les fils électriques enroulés sur les dents de stator comportent des extrémités de raccordement s'étendant selon la direction axiale dudit stator et raccordés selon un schéma donné de connexion entre phases, par l'intermédiaire d'une pièce rapportée et brasée sur des extrémités de raccordement. Une telle pièce rapportée est par exemple constituée d'un élément de fil électrique individuel, destiné à relier deux extrémités longitudinales. Les objets assignés à l'invention sont également atteints à l'aide d'une machine électrique comportant un rotor s'étendant autour d'un stator tel que présenté ci-dessus.
Selon un exemple de réalisation de la machine électrique conforme à l'invention, le rotor est constitué d'une tôle magnétique sur laquelle sont fixés directement des aimants permanents.
A titre d'exemple, les aimants permanents sont fixés sur la tôle magnétique par collage ou par tout autre moyen de retenue mécanique.
Les objets assignés à l'invention sont également atteints à l'aide d'un moteur-roue caractérisé en ce qu'il comprend une machine électrique telle que présentée ci-dessus, le rotor comportant un moyeu monté libre en rotation par l'intermédiaire de roulements sur une fusée fixe, ledit rotor constituant une jante présentant une face extérieure sur laquelle est montée un pneu et une face intérieure sur laquelle sont fixés les aimants permanents, le stator étant destiné à être solidaire d'un châssis fixe.
La machine électrique conforme à l'invention constitue avantageusement un moteur-roue d'un véhicule ferroviaire ou routier.
La dent de stator amovible conforme à l'invention présente l'avantage de réduire son encombrement grâce à l'utilisation de fils électriques bobinés présentant une section transversale rectangulaire. Le coefficient de remplissage de l'espace occupé par les fils électriques passe ainsi à 50%, alors qu'il est d'environ 40%> pour les bobinages avec de fils électriques de section transversale circulaire.
Le fil électrique est enroulé sur la dent de stator conforme à l'invention, au préalable de son montage sur une culasse statorique, facilitant ainsi grandement les opérations de bobinage et d'assemblage.
Dans la mesure où chaque dent de stator est amovible, on facilite les opérations de maintenance. Les dents de stator peuvent ainsi être remplacées individuellement. Les machines électriques comprennent souvent des moyens de détection qui permettent d'identifier la dent de stator portant le bobinage défectueux. Le remplacement d'une dent de stator peut donc être entrepris de façon à réduire au mieux les frais de maintenance et le temps d'immobilisation de la machine électrique.
La dent de stator conforme à l'invention présente également l'avantage grâce aux parties d'extrémité arrondies, d'augmenter la surface de contact avec le fil électrique enroulé et par conséquent d'améliorer l'évacuation de la chaleur. L'utilisation d'un métal, par exemple le cuivre, pour réaliser les parties d'extrémité longitudinale contribue également à une meilleure évacuation de la chaleur en particulier aux extrémités longitudinales des dents de stator où se trouvent les boucles du fil électrique. Ceci influence favorablement le rendement et la durée de vie d'une machine électrique.
Le stator conforme à l'invention, comportant une culasse statorique réalisée dans un matériau magnétique, présente l'avantage de fermer directement les lignes de champ magnétique créées par les bobinages. Les dents de stator peuvent ainsi être montées directement, c'est-à-dire sans pièce magnétique intermédiaire, sur une culasse statorique. Dans la mesure où les lignes de champ magnétique sont fermées grâce à la culasse statorique, il n'est plus nécessaire de réaliser des dents de stator comportant des bases massives et jointives. Ceci permet également de réduire la hauteur, dans une direction radiale, des dents de stator. Ces dernières, plus courtes, permettent de diminuer la longueur des trajectoires des lignes de champ et par conséquent de diminuer les pertes de la machine électrique.
Le stator conforme à l'invention présente donc l'énorme avantage de s'affranchir d'un contact entre les bases des dents de stator. En effet, les dents de stator sont boulonnées sur la culasse statorique selon une direction radiale assurant ainsi un excellent serrage radial et un bon contact avec ladite culasse. Le risque que les lignes de champ magnétique doivent traverser une couche d'air, générant ainsi leur atténuation, est donc très largement diminué ou quasi nul. Le serrage radial assure un meilleur contact avec la culasse statorique que le contact aléatoire résultant entre deux bases juxtaposées. Il en résulte un meilleur rendement.
En outre, le moteur-roue conforme à l'invention présente l'avantage de générer un gain d'espace dans la mesure où les aimants permanent sont fixés directement sur la jante et non sur une pièce intermédiaire solidaire de ladite jante. On obtient ainsi un diamètre plus grand sur lequel sont positionnés les aimants permanents. Le nombre d'aimants permanents peut alors être plus élevé, améliorant ainsi les performances du moteur-roue.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront également des dessins donnés à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs dans lesquels :
la figure 1 représente en coupe, un exemple de réalisation d'un moteur-roue intégrant un stator conforme à l'invention, la figure 2 est une vue en éclaté et en perspective d'un exemple de réalisation d'une partie d'un stator, appelée culasse statorique, conforme à l'invention,
la figure 3 est un vue en coupe et en perspective de la partie de stator de la figure 2,
la figure 4 est une vue en éclaté et en perspective d'un autre exemple de réalisation d'une partie d'un stator conforme à l'invention,
la figure 5 est une vue partiellement éclatée et en perspective d'exemple de réalisation d'une dent de stator conforme à l'invention,
la figure 6 est une vue partielle en perspective de dents de stator conformes à l'invention, montées sur une culasse statorique,
la figure 7 est une vue schématique, transversale et en coupe selon la ligne VII-VII de la figure 5, d'une dent de stator conforme à l'invention, pourvue d'un bobinage électrique, les figures 7a et 7b sont des vues schématiques, transversales et en coupe selon la ligne VII-VII de la figure 5, d'autres exemples de réalisation de la dent de stator conforme à l'invention, pourvue d'un bobinage électrique, la figure 8 et 8a illustrent schématiquement l'agencement entre des dents stator et la culasse statorique, d'un stator conforme à l'invention, en visualisant les lignes de champ magnétique, la figure 9 est une vue éclatée et en perspective d'un autre exemple de réalisation d'une dent de stator conforme à l'invention, avec le bobinage et l'isolation,
la figure 10 est une vue partielle, en coupe selon le plan X-X, d'une extrémité longitudinale d'une dent de stator de la figure
1, et
la figure 11 illustre l'agencement relatif des dents de stator sur un stator conforme à l'invention et des moyens de connexion électrique s'y rapportant.
Description détaillée des figures
La figure 1 représente en coupe, un exemple de réalisation d'une machine électrique conforme à l'invention, constituant un moteur-roue intégrant un stator conforme à l'invention et des dents de stator conformes à l'invention.
La machine électrique comprend un rotor 1, monté rotatif sur une fusée 2 fixe, par exemple solidaire d'un châssis. La liaison rotative entre la fusée 2 et le rotor 1 est assurée par tous moyens connus, notamment grâce à un système de roulements 3. Le rotor 1 est pourvu sur une face intérieure 4a d'aimants permanents 5. Avantageusement, dans le cas d'un moteur-roue, le rotor 1 peut constituer une jante présentant une face extérieure 4b destinée au montage d'un pneu.
La machine électrique comprend également un stator 6 présentant une culasse statorique 7, sensiblement cylindrique, sur laquelle sont rapportées et fixées des dents de stator 8. Le stator 6 est avantageusement immobilisé sur le châssis fixe par l'intermédiaire de boulons d'immobilisation non représentés.
Les dents de stator 8 sont amovibles et pourvues d'un bobinage de fils électriques 10, montré par exemple en coupe à la figure 1. Les dents de stator 8 sont montées radialement sur la culasse statorique 7 et fixées sur cette dernière par l'intermédiaire de boulons de fixation radiale traversant lesdites dents de stator 8 et engagés selon une direction radiale dans ladite culasse statorique 7.
La figure 2 est une vue en éclaté et en perspective d'un exemple de réalisation d'une partie du stator 6 conforme à l'invention et plus précisément de la culasse statorique 7. Cette dernière comporte une portion centrale 7a, de forme sensiblement cylindrique, dont l'épaisseur de paroi est suffisante pour y usiner des canaux 12 longitudinaux, servant à la circulation d'un fluide de refroidissement. Cette portion centrale 7a constitue donc un radiateur transférant de l'énergie thermique au fluide de refroidissement circulant dans les canaux 12.
La culasse statorique 7 comporte également un collecteur d'entrée et de sortie 13 ainsi qu'un collecteur de retour 14, fixés respectivement sur les chants axiaux de la portion centrale 7a, par exemple par vissage. Des alésages axiaux 14a sont par exemple usinés dans le collecteur de retourl4 à des fins de montage sur la portion centrale 7a.
La figure 3 est une vue en coupe et en perspective de la partie du stator 6 illustrée à la figure 2.
Le collecteur d'entrée et de sortie 13 comporte avantageusement un orifice d'entrée 15 débouchant sur une gorge périphérique d'entrée 16 laquelle est délimitée par une face interne du collecteur d'entrée et de sortie 13 et par une extension sensiblement transversale 17 s'étendant de la paroi de la portion centrale 7a vers le moyeu 2. Des rainures radiales 18 usinées dans l'extension transversale 17 mettent en communication la gorge périphérique d'entrée 16 avec certains 12a des canaux 12.
Le collecteur d'entrée et de sortie 13 comporte également un orifice de sortie débouchant sur une gorge périphérique de sortie 20 laquelle est délimitée par une autre face interne du collecteur d'entrée et de sortie 13 et par une paroi de contact 21 destinée à venir en appui contre le chant axial de la portion centrale 7a, sur lequel débouchent les canaux 12. La paroi de contact 21 est pourvue de perçages 22, judicieusement répartis, pour mettre en communication fluidique certains 12b des canaux 12 et la gorge périphérique de sortie 20. Le chant axial d'extrémité de la portion centrale 7a et le collecteur d'entrée et de sortie 13 présente ainsi des formes complémentaires pour former la gorge périphérique d'entrée 16. La gorge périphérique de sortie 20 est usinée dans le collecteur d'entrée et de sortie 13.
Le collecteur de retour 14 présente dans une zone en regard du chant axial de la portion centrale 7a sur lequel débouche les canaux 12, une succession de rainures 14b permettant chacune de mettre en communication fluidique un canal 12a et deux canaux 12b adjacents. Le canal 12a présente à ce titre un diamètre double de celui des canaux 12b adjacents. En se reportant par exemple à la figure 3, il apparaît clairement que le liquide de refroidissement traverse ainsi la portion centrale 7a selon un sens A en passant dans un canal 12a, puis traverse à nouveau la portion centrale 7a, en sens inverse R en empruntant deux canaux 12b adjacents au canal 12a et situés de part et d'autre dudit canal 12a.
Le circuit de refroidissement est bien entendu associé à un réservoir de liquide et à une pompe pour fonctionner de manière connue.
La portion centrale 7a et le collecteur de retour 14 comportent avantageusement des trous radiaux taraudés 23, destinés à l'engagement des boulons de fixation radiale.
Dans un autre exemple de réalisation illustré à la figure 4, la culasse statorique 7 comprend une portion cylindrique interne 7b et une portion cylindrique externe 7c coaxiale, s'étendant autour de ladite portion cylindrique interne 7b en délimitant entre lesdites portions cylindriques un circuit de refroidissement hélicoïdal, constituant ainsi un radiateur. Le circuit de refroidissement hélicoïdal est avantageusement ménagé dans la face interne de la portion cylindrique externe 7c sous forme de rainure hélicoïdale 7d. La culasse statorique 7 comprenant également le collecteur d'entrée et de sortie 13a du fluide de refroidissement monté selon une direction axiale sur une extrémité des portions cylindriques 7b, 7c. Le circuit de refroidissement hélicoïdal, plus précisément la rainure hélicoïdale 7d, est avantageusement réalisée pour constituer une hélice double pas, assurant également le retour pour le fluide de refroidissement. Le collecteur d'entrée et de sortie 13a est relié au circuit de refroidissement et assure l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement dans la portion hélicoïdale du circuit de refroidissement. Le fluide de refroidissement circule donc dans un sens en empruntant le premier pas de l'hélice double pas et revient en sens opposé en empruntant le second pas de l'hélice double pas.
La figure 5 est une vue partiellement éclatée et en perspective d'une dent d'un stator 8 conforme à l'invention disposée en regard de la culasse statorique 7. La dent de stator 8 est représentée sans bobinage électrique. La dent statorique 8 comporte une partie centrale 24 formée avec un assemblage jointif de tôles magnétiques prédécoupées 24a et solidarisées entre-elles par exemple par soudage, collage, injection plastique ou agrafage.
La partie centrale 24 est enserrée entre deux parties d'extrémité longitudinale 25. Ces dernières sont solidarisées à la partie centrale 24 par soudage et présentent un passage ou un perçage pour l'engagement de boulons de fixation radiale lesquels fixent la dent de stator 8 sur la culasse statorique 7 selon une direction radiale.
Les parties d'extrémité longitudinale 25 présentent une forme extérieure arrondie 25a pour constituer une surface d'appui et de contact continue pour le fil électrique 10 enroulé sur la dent de stator 8. Les enroulements du fil électrique 10 sur la dent de stator 8, et notamment les enroulements constituant la première couche, laquelle est en contact avec la partie centrale 24 via un isolant électrique, restent en contact avec les formes extérieures arrondies 25 a aux extrémités de la dent de stator 8. Ceci favorise de manière significative l'échange thermique avec la culasse statorique 7. Une telle construction novatrice permet d'améliorer les performances d'une machine électrique dans la mesure où ces performances sont liées à la température. Une diminution de la température de fonctionnement augmente les performances de la machine électrique ainsi que sa durée de vie. En effet, plus la température de fonctionnement est basse, moins les matériaux isolants sont sollicités.
La figure 6 est une vue partielle et en perspective de dents de stator 8 conformes à l'invention et montées sur une culasse statorique 7. Les dents de stator 8 ne sont pas toutes représentées et sont dépourvues de fils électriques 10 pour des raisons de simplification de la présentation.
La figure 7 est une vue transversale et en coupe selon la ligne VII- VII d'une dent d'un stator 8 de la figure 5, pourvue d'un bobinage de fils électriques 10. Une partie seulement des enroulements du fil électrique 10 est représentée. Le fil électrique 10 présente avantageusement une section transversale rectangulaire. Les tôles magnétiques prédécoupées 24a présentent avantageusement une extrémité haute 24b et une extrémité basse 24c évasées entre lesquelles s'étendent les enroulements du fil électrique 10. Les extrémités haute 24b et basse 24c présentent avantageusement une encoche 26 pour recevoir la soudure. Les parties d'extrémité longitudinale 25 présentent, de préférence, sur leur côté destiné à enserrer la partie centrale 24, une forme identique à celle des tôles magnétiques prédécoupées 24a, facilitant ainsi l'assemblage de la dent statorique 8.
Dans les exemples de réalisation illustrés aux figures 7a et 7b, les extrémités basses 24c ne sont pas évasées mais droites. La dent de stator 8 est donc dépourvue de pied. Cette forme est avantageuse dans la mesure où elle permet de faire le bobinage 10 sur un gabarit, puis d'engager longitudinalement ledit bobinage 10 sur la partie centrale 24 et ce par l'extrémité basse 24c.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 7b, l'extrémité haute 24b, par exemple un assemblage de tôles, est rapportée et fixée par tous moyens connus, sur l'extrémité supérieure 24d de la partie centrale 24. L'extrémité haute 24b, sous forme de chapeau, est par exemple solidarisée à la partie centrale par l'intermédiaire d'une sangle non représentée.
Les fils électriques 10 enroulés sur les dents de stator 8 comportent des extrémités de raccordement s 'étendant selon la direction axiale du stator 6 et raccordées entre-elles selon un schéma donné de connexion entre phases, par l'intermédiaire d'un disque annulaire de raccordement. Ce dernier, connu en tant que tel, est monté axialement sur les extrémités de raccordement des fils électriques 10.
Les figures 8 et 8a illustrent schématiquement l'agencement entre les dents de stator 8 amovibles et la culasse statorique 7 d'un stator 6 conforme à l'invention. Ces figures illustrent également schématiquement les lignes de champ magnétiques B passant dans l'épaisseur de paroi de la culasse statorique 7. L'échange thermique entre la dent de stator 8 et la culasse statorique 7 est amélioré par exemple en disposant une graisse entre ces deux éléments avant leur assemblage.
Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 9, les tôles magnétiques prédécoupées 24a ainsi que les parties d'extrémité longitudinales 25 sont solidarisées par l'intermédiaire d'un ruban de frettage 27, appelé aussi ruban polyglass (nom déposé). Une structure isolante électrique 28 est ensuite montée sur la dent de stator 8, recouvrant ainsi les tôles magnétiques prédécoupées 24a et le ruban de frettage 27, au préalable de l'enroulement du fil électrique 10. La structure isolante électrique 28 présente sur ses côtés longitudinaux une forme de goulotte longitudinale 29, refermée une fois le fil électrique 10 enroulé sur la structure isolante électrique 28. Des boulons de fixation et de serrage radial 11 , destinés à traverser les parties d'extrémité longitudinales 25 sont également illustrés à la figure 9. Avantageusement, les extrémités 10a du fil électrique 10 font saillie des goulottes 29 selon une direction longitudinale.
La figure 10 est une vue partielle, en coupe selon le plan X-X, d'une extrémité longitudinale d'une dent de stator 8 de la figure 1. Cette coupe correspond également à une coupe identique de la dent de stator 8 de la figure 9, une fois assemblée.
La figure 11 illustre schématiquement l'agencement et le positionnement relatif des dents de stator 8 en l'absence de la culasse statorique 7. L'extension longitudinale et axiale des extrémités 10a des fils électriques 10 permet l'utilisation et le montage selon une direction axiale d'un disque de connexion 30. Ce dernier, connu en tant que tel, assure de manière simple et fiable une interconnexion des différentes phases du stator conforme à l'invention. Le disque de connexion 30 comporte avantageusement des plots de connexion 31 sur lesquels seront soudées les extrémités 10a des fils électriques 10.
Selon un autre exemple de réalisation du stator conforme à l'invention, les extrémités longitudinales 10a des fils électriques 10 sont simplement cintrées et/ou repliées avant d'être brasées entre elles pour réaliser les interconnexions des différentes phases. Alternativement, il est envisagé de rapporter entre deux extrémités longitudinales 10a, une pièce intermédiaire. Cette dernière est alors brasée aux extrémités longitudinales 10a. Ces deux derniers modes de réalisation permettent de s'affranchir de l'utilisation d'un disque de connexion 30.
A titre d'exemple, une machine électrique synchrone, à aimants permanents 5, par exemple à force électromotrice sinusoïdale, conforme à l'invention, constitue avantageusement un moteur-roue. Ce dernier peut équiper un véhicule routier ou ferroviaire. La conception novatrice du moteur-roue conforme à l'invention, permet ainsi de réduire son encombrement et de libérer de l'espace dans ladite roue. Cet espace peut alors être utilisé pour y loger un onduleur de traction.
La machine électrique conforme à l'invention peut également être utilisée comme moteur de treuils ou comme moteur d'ascenseurs.
Il est évident que la présente description ne se limite pas aux exemples explicitement décrits, mais comprend également d'autres modes de réalisation et/ou de mise en œuvre. Ainsi, une caractéristique technique décrite peut être remplacée par une caractéristique technique équivalente, sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dent de stator (8) amovible pour machine électrique et destinée à porter un enroulement d'un fil électrique (10), ladite dent de stator (8) comportant une partie centrale (24) formée avec un assemblage jointif de tôles magnétiques prédécoupées (24a), lesdites tôles magnétiques prédécoupées (24a) étant solidarisées entre-elles, caractérisée en ce que la partie centrale (24) est enserrée entre deux parties d'extrémité longitudinale (25) lesquelles sont solidarisées à la partie centrale (24) et traversées chacune par un boulon de fixation radiale (11), lesdites parties d'extrémité longitudinale (25) présentant une forme extérieure arrondie (25 a) pour constituer, au niveau des extrémités de la dent de stator (8), une surface de contact continue pour le ou les fils électrique(s) (10) enroulé(s) sur ladite dent de stator (8).
2. Dent de stator (8) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le(s) fil(s) électrique(s) (10) présente(nt) une section transversale rectangulaire.
3. Dent de stator (8) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les parties d'extrémité longitudinale (25) sont métalliques.
4. Stator (6) pour machine électrique comportant une culasse statorique (7) cylindrique en matériau magnétique, sur laquelle sont fixées radialement et directement des dents de stator (8) conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 3.
5. Stator (6) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la culasse statorique (7) intègre un circuit de refroidissement.
6. Stator (6) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la culasse statorique (7) comprend une portion centrale (7a) constituant un radiateur, un collecteur d'entrée et de sortie (13) du fluide de refroidissement monté selon une direction axiale sur une extrémité de la portion centrale (7a) et un collecteur de retour (14) pour le fluide de refroidissement monté selon une direction axiale sur l'autre extrémité de la portion centrale (7a), le collecteur d'entrée et de sortie (13) étant relié au circuit de refroidissement.
7. Stator (6) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la culasse statorique (7) comprend une portion cylindrique interne (7b) et une portion cylindrique externe (7c) s 'étendant autour de ladite portion cylindrique interne en délimitant entre lesdites portions cylindriques un circuit de refroidissement hélicoïdal sous forme d'hélice double pas constituant un radiateur, la culasse statorique (7) comprenant également un collecteur d'entrée et de sortie (13a) du fluide de refroidissement monté selon une direction axiale sur une extrémité des portions cylindriques (7b, 7c) et en communication fluidique avec l'hélice double pas, le collecteur d'entrée et de sortie (13a) assurant l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement étant relié au circuit de refroidissement.
8. Stator (6) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les fils électriques (10) enroulés sur les dents de stator (8) comportent des extrémités de raccordement (10a) s 'étendant selon la direction axiale dudit stator (6) et raccordés selon un schéma donné de connexion entre phases, par l'intermédiaire d'un disque de raccordement (30) monté axialement sur lesdites extrémités de raccordement.
9. Stator (6) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les fils électriques (10) enroulés sur les dents de stator (8) comportent des extrémités (10a) de raccordement s 'étendant selon la direction axiale dudit stator (6) et cintrées et/ou repliées pour être raccordées entre elles par brasage, selon un schéma donné de connexion entre phases.
10. Stator (6) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les fils électriques (10) enroulés sur les dents de stator (8) comportent des extrémités (10a) de raccordement s 'étendant selon la direction axiale dudit stator (6) et raccordés selon un schéma donné de connexion entre phases, par l'intermédiaire d'une pièce rapportée et brasée sur des extrémités (10a) de raccordement.
11. Machine électrique comportant un rotor (1) s 'étendant autour d'un stator (6) conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 8.
12. Machine électrique selon la revendication 9, caractérisée en ce que le rotor (1) est constitué d'une tôle magnétique sur laquelle sont fixés directement des aimants permanents (5).
13. Machine électrique selon la revendication 10, caractérisée en ce que les aimants permanents (5) sont fixés sur la tôle magnétique par collage ou par tout autre moyen de retenue mécanique.
14. Moteur-roue caractérisé en ce qu'il comprend une machine électrique selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, le rotor (1) comporte un moyeu monté libre en rotation par l'intermédiaire de roulements sur une fusée (2) fixe, ledit rotor (1) constituant une jante présentant une face extérieure (4b) sur laquelle est montée un pneu et une face intérieure (4a) sur laquelle sont fixés les aimants permanents (5), le stator (6) étant destiné à être solidaire d'un châssis fixe.
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