WO2018153783A1 - Machine electrique tournante avec un stator a encoches obturees et plus particulierement machine electrique synchro reluctante assistee par des aimants permanents - Google Patents

Machine electrique tournante avec un stator a encoches obturees et plus particulierement machine electrique synchro reluctante assistee par des aimants permanents Download PDF

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notches
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rotor
wall
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Benjamin GAUSSENS
Julien BOISSON
Luca FAVRE
Davide Bettoni
Wissam DIB
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IFP Energies Nouvelles
Mavel S.R.L
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    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine with a closed-slot stator and more particularly to a synchronous-electric machine assisted by a rotating electric machine with a stator with closed notches and more particularly a reluctant electric synchronous machine assisted by permanent magnets. permanent magnets.
  • the electric machine comprises an open-slot stator which is closed by suitable means so that the gap between the outer surface of the rotor and the inner surface of the stator is substantially constant.
  • such an electric machine comprises a stator and a rotor arranged along the same axis one in the other.
  • the rotor is formed of a rotor body with a stack of sheets placed on a rotor shaft. These sheets include housings for permanent magnets and perforations to create flux barriers for radially directing the magnetic flux of the magnets to the stator.
  • This rotor is generally housed inside a stator which carries electrical windings to generate a magnetic field for rotating the rotor.
  • the stator is annular in shape and includes a plurality of radial notches open towards the rotor and extending all the way around the stator.
  • notches are provided to receive armature coils which are introduced into the stator by the open face of the notches and are fixed thereto by any known means.
  • torque ripple is important in this type of reluctant synchro machine assisted by permanent magnets. This can cause jerks and vibrations in the rotor causing discomfort in use of this machine.
  • WO201 6/188764 discloses an electric machine with a closed slot stator which reduces torque ripple and acoustic noise.
  • this solution imposes in particular an implementation of unconventional manufacturing due to the notches closed.
  • the present invention relates to an electric machine comprising a rotor and a stator having an inner wall facing the rotor, said stator carrying a multiplicity of radial notches arranged circumferentially along said stator, said notches having openings opening into said internal wall.
  • said openings are closed by closure means so as to form a multiplicity of closed notches.
  • the notches of the electric machine may extend longitudinally along the axis of the stator.
  • Said closure means may comprise a wedge of magnetic material of dimensions corresponding to said openings so as to close the notches.
  • the spacers may have a thickness such that they are flush with the surface of the inner wall of the stator.
  • Wedges can be crimped, welded, or glued into openings.
  • the sealing means may comprise a cylinder of magnetic material disposed on the inner wall of the stator so as to close the notches.
  • Said cylinder can be fixed by shrinking in the inner wall of the stator.
  • FIGS. 1a and 1b which are a schematic cross-sectional view of electrical machines according to the prior art
  • FIGS. 1c and 1d which are a schematic view in cross section of the stator of the machine according to the invention.
  • FIG. 2a which is a graph illustrating the evolution of the constant current torque as a function of the electric position of the rotor for electrical machines of the prior art and for two electrical machines according to the invention
  • FIG. 2b which is a graph giving the amplitude of the harmonic torque (N.m) for the four embodiments described in FIGS. 1a, 1b, 1c and 1d.
  • FIGS. 1a, 1b, 1c and 1d show in partial section a rotating electrical machine, here a synchronous-reluctant electric machine assisted by permanent magnets, comprising a rotor 1 and a stator 2 nested one in the other by being coaxial.
  • the construction of the rotor comprises, in a known manner and in particular described in WO201 6/188764, a preferably magnetic shaft, on which is placed a stack of identical flat ferromagnetic sheets, which are assembled to each other by any known means.
  • Figures 1 to 1 d show at least partially this type of rotor.
  • the circular-shaped sheets comprise a central bore through which the rotor shaft passes and a plurality of axial recesses 20 which pass through the sheets from one side to the other.
  • the rotor comprises at least two series of rectangular axial recesses 20, radially arranged one above the other, the rectangular axial recesses 20 being distributed circumferentially on the rotor 1.
  • Another series of recesses 40 consists of inclined radial direction perforations, which extend said housing to the vicinity of the edge of the sheets.
  • a stator 2 according to the prior art, partially shown in FIGS. 1a, 1b, comprises an annular ring with an internal wall 3 whose inside diameter is designed to receive the rotor 1 with a space necessary to make a gap 4.
  • This ring comprises a multiplicity of holes 5, here of oblong section, which form notches for receiving the armature coils.
  • these bores extend axially all along the stator by being arranged radially on the ring while being placed circumferentially at a distance from each other by a distance D.
  • Figure 1 depicts a closed volume that forms a closed notch for receiving the armature coil.
  • the wall 3 is a continuous wall and the gap 4 is almost constant between the rotor and the stator and that over the entire circumference.
  • FIG. 1b describes the conventional configuration of a stator with open notches at the bottom of said notches by openings 6. These openings allow the winding of the armatures, in particular mechanically, whereas in the case of closed notches the windings of induced must be made manually.
  • the object of the present invention is to combine both the benefit of the closed notches with a stator with open notches that reduce the cost of production by the possibility of automated winding and obtain a better winding coefficient of the order of 0.6.
  • the openings 6 of the stator are closed by suitable means, such as plates or wedges of magnetic material of the width of the openings 6 and the length corresponding to the length of the stator.
  • suitable means such as plates or wedges of magnetic material of the width of the openings 6 and the length corresponding to the length of the stator.
  • Figure 1c illustrates this embodiment by showing in section the closure means 7 shaped wedge, or plate.
  • These sealing means may be crimped, glued, welded, or maintained by any means available to the skilled person.
  • These wedges advantageously have a thickness such that they are flush with the surface of the inner wall of the stator.
  • the gap is substantially constant over the entire circumference, and the inner surface 3 of the stator is substantially smooth.
  • FIG. 1 d describes another embodiment of said means for closing the open notches 5.
  • a cylinder 8 of diameter and length respectively corresponding to the internal surface and to the length of the stator is placed on the inner surface 3 of the open stator.
  • the gap 4 is constituted by the outer surface of the rotor and the inner surface of the hoop 8.
  • the cylinder 8, or hoop is made of a magnetic material.
  • the cylinder may be fixed on the internal surface 3 of the stator by any means known to those skilled in the art, in particular by shrinking, gluing, welding.
  • the cylinder 8 being of small thickness relative to its diameter, the hooping is a means of well fitting, hence the name "fret" for said means for closing the openings of the stator slots.
  • the synchro-reluctant machine has significantly improved performance.
  • FIG. 2a is a graph with curves illustrating the torque of the electric machine (in Nm) relative to the electrical position of the rotor (in °) for a constant current, for the four embodiments of the stator: closed notches E, notches open O, notches closed by wedges C, notches closed by fretting F.
  • FIG. 2b gives the level of the harmonic content of the instantaneous torque. Note that in the case of the stator with notches open, the rank 36, corresponding to the number of teeth of the stator, predominates. In the other configurations, the amplitude of the harmonics tends to decrease while increasing in frequency. This is interesting, especially in terms of losses iron, because it does not come to excite harmonics of high rank that could generate more losses (the losses in the iron being proportional to /, f 2 and ' 2 ).
  • the posterior closure does not introduce significant changes in the electromagnetic performance compared to the closed slot structure.

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Abstract

La présente invention concerne une machine électrique comprenant un rotor (1) et un stator (2) comportant une paroi (3) en regard du rotor, ledit stator portant une multiplicité d'encoches radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator. Lesdites encoches comportent des ouvertures (6) débouchant dans ladite paroi interne et qui sont refermées par des moyens d'obturation (7, 8) de façon à former une multiplicité d'encoches (5) fermées.

Description

Machine électrique tournante avec un stator à encoches obturées et plus particulièrement machine électrique synchro réluctante assistée par des aimants permanents La présente invention se rapporte à une machine électrique tournante avec un stator à encoches obturées et plus particulièrement à une machine électrique synchro-réluctante assistée par des aimants permanents.
Plus précisément, la machine électrique comporte un stator à encoches ouvertes qui sont obturées par des moyens adéquats de façon à ce que l'entrefer entre la surface extérieure du rotor et la surface interne du stator soit sensiblement constant.
Généralement, une telle machine électrique comporte un stator et un rotor disposés selon le même axe l'un dans l'autre.
Le rotor est formé d'un corps de rotor avec un empilage de tôles placé sur un arbre de rotor. Ces tôles comprennent des logements pour des aimants permanents et des perforations pour créer de barrières de flux permettant de diriger radialement le flux magnétique des aimants vers le stator.
Ce rotor est généralement logé à l'intérieur d'un stator qui porte des bobinages électriques pour générer un champ magnétique permettant d'entraîner en rotation le rotor. Comme cela est mieux décrit dans le document EP 1 057 242, le stator est de forme annulaire et comprend une pluralité d'encoches radiales ouvertes en direction du rotor et qui s'étendent tout au long du pourtour du stator.
Ces encoches sont prévues pour recevoir des bobinages d'induit qui sont introduits dans le stator par la face ouverte des encoches puis y sont fixés par tous moyens connus.
De manière générale, l'ondulation du couple est importante dans ce type de machine synchro réluctante assistée par des d'aimants permanents. Ceci peut générer des à-coups et des vibrations au niveau du rotor en entraînant un inconfort d'utilisation de cette machine.
On connaît le document WO201 6/188764 qui décrit une machine électrique avec un stator à encoches fermées qui permet de réduire l'ondulation du couple et le bruit acoustique. Cependant, cette solution impose notamment une mise en œuvre de fabrication non conventionnelle du fait des encoches fermées.
A cet effet, la présente invention concerne une machine électrique comprenant un rotor et un stator comportant une paroi interne en regard du rotor, ledit stator portant une multiplicité d'encoches radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator, lesdites encoches comportant des ouvertures débouchant dans ladite paroi interne.
Selon l'invention, lesdites ouvertures sont refermées par des moyens d'obturation de façon à former une multiplicité d'encoches fermées.
Les encoches de la machine électrique peuvent s'étendre longitudinalement selon l'axe du stator.
Lesdits moyens d'obturation peuvent comporter une cale en matériau magnétique de dimensions correspondantes auxdites ouvertures de façon à obturer les encoches.
Les cales peuvent avoir une épaisseur telle qu'elles affleurent à la surface de la paroi interne du stator.
Les cales peuvent être serties, soudées, ou collées dans les ouvertures.
Les moyens d'obturation peuvent comporter un cylindre en matériau magnétique disposé sur la paroi interne du stator de façon à obturer les encoches.
Ledit cylindre peut être fixé par frettage dans la paroi interne du stator.
Le diamètre interne du cylindre peut être adapté à recevoir le rotor. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées :
- les figures 1 a et 1 b qui sont une vue schématique en coupe transversale de machines électriques selon l'art antérieur,
- les figures 1 c et 1 d qui sont une vue schématique en coupe transversale du stator de la machine selon l'invention,
- la figure 2a qui est un graphique illustrant l'évolution du couple à courant constant en fonction de la position électrique du rotor pour des machines électriques de l'art antérieur et pour deux machines électriques selon l'invention et
- la figure 2b qui est un graphique donnant l'amplitude de l'harmonique de couple (N.m) pour les quatre modes de réalisation décrits figures 1 a, 1 b, 1 c et 1 d.
Les figures 1 a, 1 b, 1 c et 1 d montrent en coupe partielle une machine électrique tournante, ici une machine électrique synchro-réluctante assistée par des aimants permanents, comportant un rotor 1 et un stator 2 imbriqués l'un dans l'autre en étant coaxiaux.
La construction du rotor comporte, de manière connue et notamment décrit dans le document WO201 6/188764, un arbre de préférence magnétique, sur lequel est placé un empilage de tôles ferromagnétiques planes identiques, qui sont assemblées les unes aux autres par tous moyens connus. Les figures 1 a à 1 d montrent au moins partiellement ce type de rotor.
Les tôles de forme circulaire comprennent un alésage central traversé par l'arbre de rotor et une pluralité d'évidements axiaux 20 qui traversent les tôles de part en part.
Une série d'évidements axiaux rectangulaires 20, disposés radialement les uns au-dessus des autres et à distance les uns des autres, forment des logements pour des générateurs de flux magnétiques, ici des aimants permanents sous forme de barreau également rectangulaire de longueur sensiblement égale à la longueur de l'empilage de tôles. De préférence, le rotor comprend au moins deux séries d'évidements axiaux rectangulaires 20, disposés radialement l'une au- dessus de l'autre, les évidements axiaux rectangulaires 20 étant répartis circonférentiellement sur le rotor 1 . Une autre série d'évidements 40 consiste en des perforations de direction radiale inclinée, qui prolongent lesdits logements jusqu'au voisinage du bord des tôles.
Il se crée ainsi des barrières de flux formées par les perforations. Le flux magnétique provenant des aimants ne peut alors que transiter par les parties pleines entre lesdites perforations.
L'utilisation de séries d'évidements axiaux rectangulaires 20, disposés radialement les uns au-dessus des autres et à distance les uns des autres, formant des logements pour des générateurs de flux magnétiques, et de perforations radiales inclinées 40, prolongeant les logements jusqu'au voicinage du bord des tôles, permet d'améliorer la direction du flux magnétique et ainsi d'améliorer les performances de la machine électrique, le flux magnétique étant alors mieux canalisé sur des parois du rotor, à la fois plus nombreuses et de plus faible épaisseur.
Un stator 2 selon l'art antérieur, représenté de façon partielle sur les figures 1 a, 1 b, comprend une bague annulaire avec une paroi interne 3 dont le diamètre intérieur est prévu pour recevoir le rotor 1 avec un espace nécessaire pour réaliser un entrefer 4.
Cette bague comprend une multiplicité de perçages 5, ici de section oblongue, qui forment des encoches pour recevoir les bobinages d'induit.
Plus précisément, ces perçages s'étendent axialement tout au long du stator en étant disposés radialement sur la bague tout en étant placés circonférentiellement à distance les uns des autres d'une distance D.
La figure 1 a décrit un volume fermé qui forme une encoche fermée pour recevoir le bobinage d'induit.
Ainsi, la paroi 3 est une paroi continue et l'entrefer 4 est quasiment constant entre le rotor et le stator et cela sur toute la circonférence.
De plus, comme l'extérieur du rotor et l'intérieur du stator sont lisses, cela permet d'avoir un bruit aérodynamique réduit.
Le document WO201 6/188764 décrit notamment les avantages des encoches fermées. La figure 1 b décrit la configuration conventionnelle d'un stator à encoches ouvertes au fond desdits encoches par des ouvertures 6. Ces ouvertures autorisent le bobinage des induits, en particulier de façon mécanique, alors que dans le cas des encoches fermées les bobinages d'induit doivent être constitués manuellement.
L'objet de la présente invention est de combiner à la fois le bénéfice des encoches fermées avec un stator à encoches ouvertes qui permettent de réduire le coût de réalisation par la possibilité d'un bobinage automatisé et obtenir un meilleur coefficient de bobinage de l'ordre de 0,6.
Pour cela, après bobinage, les ouvertures 6 du stator sont obturées par des moyens adéquats, tels des plaques ou cales en matériau magnétique de la largeur des ouvertures 6 et de la longueur correspondante à la longueur du stator. La figure 1 c illustre ce mode de réalisation en représentant en coupe les moyens d'obturation 7 en forme de cale, ou plaque. Ces moyens d'obturation peuvent être sertis, collés, soudés, ou maintenus par tous moyens à la disposition de l'homme du métier.
Ces cales ont avantageusement une épaisseur telle qu'elles affleurent à la surface de la paroi interne du stator.
Ainsi, l'entrefer est sensiblement constant sur toute la circonférence, et la surface interne 3 du stator est pratiquement lisse.
La figure 1 d décrit une autre réalisation desdits moyens d'obturation des encoches ouvertes 5. On place sur la surface interne 3 du stator ouvert, un cylindre 8 de diamètre et longueur correspondants respectivement à la surface interne et à la longueur du stator.
Ainsi, la surface interne du stator est recouverte intégralement par la paroi du cylindre 8, ou frette, et toutes les ouvertures des encoches sont ainsi obturées. L'entrefer 4 est constitué par la surface externe du rotor et la surface interne de la frette 8. Le cylindre 8, ou frette, est constitué d'un matériau magnétique. Le cylindre peut être fixé sur la surface interne 3 du stator par tous moyens connus de l'homme du métier, notamment par frettage, collage, soudage. Le cylindre 8 étant d'épaisseur faible par rapport à son diamètre, le frettage est un moyen de fixation bien approprié, d'où la dénomination de « frette » pour lesdits moyens d'obturation des ouvertures des encoches de stator.
Sur une structure synchro-réluctante assistée d'aimants permanents, l'obturation des encoches ouvertes d'un stator présente trois avantages :
• Réduction de l'ondulation de couple (ainsi que les harmoniques des ondulations de couple) ;
• Réduction des pertes fer au rotor et au stator (moins d'harmoniques sur l'induction magnétique dans le fer) ;
· Réduction du bruit provenant de phénomènes aérodynamiques de la machine puisque l'entrefer est constant.
Lorsque le rotor 1 de la machine synchro-réluctante assistée d'aimants permanents comporte des séries d'évidements axiaux rectangulaires 20, disposés radialement les uns au-dessus des autres, à distance les uns des autres, et formant des logements pour des générateurs de flux magnétiques, et que le rotor comporte également des évidements 40 de type perforations radiales inclinées, prolongeant les logements jusqu'au voicinage du bord des tôles (tel qu'illustré sur les figures 1 a à 1 d), en combinaison avec l'utilisation de moyens d'obturation (7, 8) pour les encoches du stator, la machine synchro-réluctante a des performances significativement améliorées.
La figure 2a est un graphique avec des courbes illustrant le couple de la machine électrique (en N.m) par rapport à la position électrique du rotor (en °) pour un courant constant, pour les quatre modes de réalisation du stator : encoches fermées E, encoches ouvertes O, encoches obturées par cales C, encoches obturées par frette F.
On peut remarquer que dans le cas des encoches ouvertes O, les ondulations de couple sont beaucoup plus élevées (9.0%), alors qu'elles sont respectivement de 5.1 %, 6.4%, 5.4% pour les configurations avec encoches fermées E, encoches obturées par cales magnétiques C, et encoches obturées par frette magnétique.
Par ailleurs, la figure 2b donne le niveau du contenu harmonique du couple instantané. On remarque que dans le cas du stator avec encoches ouvertes, le rang 36, correspondant au nombre de dents du stator, prédomine. Dans les autres configurations, l'amplitude des harmoniques a tendance à décroître en augmentant en fréquence. Cela est intéressant, notamment au niveau des pertes fer, car on ne vient pas exciter des harmoniques de haut rang qui pourraient générer plus de pertes (les pertes dans le fer étant proportionnelles à /, f2 et '2).
Il est clair que la fermeture des encoches a posteriori les bobinages d'induit, notamment avec cales magnétiques ou frette magnétique, permet de réduire les ondulations de couple comparativement à la structure de stator avec encoches ouvertes, ainsi que les harmoniques de couple.
Par ailleurs, la fermeture a posteriori n'introduit pas de modifications importantes au niveau des performances électromagnétiques comparativement à la structure à encoches fermées.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Machine électrique comprenant un rotor (1 ) et un stator (2) comportant une paroi interne (3) en regard du rotor, ledit stator portant une multiplicité d'encoches (5) radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator, lesdites encoches comportant des ouvertures (6) débouchant dans ladite paroi interne, caractérisée en ce que lesdites ouvertures sont refermées par des moyens d'obturation (7, 8) de façon à former une multiplicité d'encoches (5) fermées.
2) Machine électrique selon la revendication 1 , dans laquelle les encoches s'étendent longitudinalement selon l'axe du stator.
3) Machine électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle lesdits moyens d'obturation comportent une cale (7) en matériau magnétique de dimensions correspondantes auxdites ouvertures de façon à obturer les encoches.
4) Machine électrique selon la revendication 3, dans laquelle les cales ont une épaisseur telle qu'elles affleurent à la surface de la paroi interne du stator.
5) Machine électrique selon l'une des revendications 3 ou 4, dans laquelle les cales sont serties, soudées, ou collées dans les ouvertures.
Machine électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle les moyens d'obturation comportent un cylindre (8) en matériau magnétique disposé sur la paroi interne du stator de façon à obturer les encoches.
Machine électrique selon la revendication 6, dans laquelle ledit cylindre est fixé par frettage dans la paroi interne du stator.
8) Machine électrique selon l'une des revendications 6 ou 7, dans laquelle le diamètre interne du cylindre est adapté à recevoir le rotor.
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