WO2018193012A1

WO2018193012A1 - Machine électrique tournante à largeur d'encoche statorique variable

Info

Publication number: WO2018193012A1
Application number: PCT/EP2018/059985
Authority: WO
Inventors: Radu Fratila; Jérome Legranger
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2018-04-19
Publication date: 2018-10-25
Also published as: EP3613127A1; US20200052533A1; FR3065591A1; FR3065591B1; CN110521084A; JP2020518218A

Abstract

L'invention porte principalement sur une machine électrique tournante (10) pour véhicule automobile comportant: - un rotor, - un stator (11) s'étendant suivant un axe, ledit stator (11) comportant un corps (24) muni d'une pluralité de dents statoriques (28) délimitant des encoches (30, 30'), - le stator (11) comportant un bobinage comprenant des conducteurs (35) logés dans les encoches (30, 30'), - dans un plan orthogonal (P) à l'axe dans lequel s'étend le stator (11), - une première encoche (30) présente une première largeur (L1) mesurée suivant une direction orthoradiale et radialement au milieu de la première encoche (30), - une deuxième encoche (30') distincte de la première encoche (30) présente une deuxième largeur (L2) mesurée suivant une direction orthoradiale et radialement au milieu de la deuxième encoche (30'), caractérisée en ce que la première largeur d'encoche (L1) est différente de la deuxième largeur d'encoche (L2).

Description

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À LARGEUR D'ENCOCHE

STATORIQUE VARIABLE

La présente invention porte sur une machine électrique tournante à largeur d'encoche statorique variable. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre sur des paliers par l'intermédiaire de roulements. Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté. Le rotor comporte des pôles formés par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor.

Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Ces enroulements traversent les encoches et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps de stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un onduleur pouvant fonctionner également en pont redresseur.

L'invention vise à optimiser la configuration d'une telle machine électrique en réduisant les ondulations de couple ainsi que le bruit magnétique.

A cet effet, l'invention a pour objet une machine électrique tournante pour véhicule automobile comportant:

- un rotor, - un stator s'étendant suivant un axe, ledit stator comportant un corps muni d'une pluralité de dents statoriques délimitant des encoches,

- le stator comportant un bobinage comprenant des conducteurs logés dans les encoches,

- dans un plan orthogonal à l'axe dans lequel s'étend le stator,

- une première encoche présente une première largeur mesurée suivant une direction orthoradiale et radialement au milieu de la première encoche,

- une deuxième encoche distincte de la première encoche présente une deuxième largeur mesurée suivant une direction orthoradiale et radialement au milieu de la deuxième encoche,

caractérisée en ce que la première largeur d'encoche est différente de la deuxième largeur d'encoche.

L'invention permet ainsi, grâce à la mise en œuvre d'encoches de largeurs différentes, de réduire efficacement le bruit magnétique ainsi que les ondulations de couple de la machine électrique tournante.

Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une configuration de 1 ou 1 ,5 ou 2 encoches par pôle et par phase.

Selon une réalisation, le nombre de conducteurs par encoche est un nombre pair. Selon une réalisation, tous les conducteurs présentent une section de même superficie.

Selon une réalisation, tous les conducteurs présentent une section de même forme.

Selon une réalisation, un ratio entre la première largeur d'encoche divisée par la deuxième largeur d'encoche est compris entre 1 .10 et 1 .35.

Selon une réalisation, le ratio entre la première largeur d'encoche divisée par la deuxième largeur d'encoche est compris entre 1 .15 et 1 .25.

Selon une réalisation, les encoches sont à bords parallèles.

Selon une réalisation, les dents statoriques sont à bords parallèles. Selon une réalisation, le stator présente une alternance de premières encoches et de deuxièmes encoches suivant sa circonférence.

Selon une réalisation, le stator présente une alternance d'un premier ensemble de premières encoches et d'un deuxième ensemble de deuxièmes encoches suivant sa circonférence.

Selon une réalisation, le premier et le deuxième ensemble d'encoches comportent chacun entre deux et neuf encoches, les deux ensembles d'encoches ayant le même nombre d'encoches.

Selon une réalisation, chaque dent statorique comporte un pied de dent, les pieds de dent ayant tous la même longueur circonférentielle, ladite longueur circonférentielle étant mesurée suivant une périphérie interne du corps de stator.

Selon une réalisation, la première encoche comporte un isolant d'encoche présentant une épaisseur différente de celle de l'isolant d'encoche de la deuxième encoche.

Selon une réalisation, les conducteurs sont constitués par des fils continus ou des épingles reliées électriquement entre elles.

Selon une réalisation, le corps de stator est un stator feuilleté monobloc ou segmenté. Selon une réalisation, le bobinage est de type étoile ou triangle.

Selon un autre aspect, l'invention a pour objet une machine électrique tournante pour véhicule automobile comportant:

- un rotor,

- un stator comportant un corps muni d'une pluralité de dents statoriques délimitant des encoches,

- le stator comportant un bobinage comprenant des conducteurs logés dans chaque encoche,

- dans un plan orthogonal à l'axe dans lequel s'étend le stator,

- une première encoche présente une première largeur mesurée suivant une direction orthoradiale et radialement au milieu de la première encoche, - une deuxième encoche distincte de la première encoche présente une deuxième largeur mesurée suivant une direction orthoradiale et radialement au milieu de la deuxième encoche,

caractérisée en ce que la première encoche comporte un isolant d'encoche présentant une épaisseur différente de celle de l'isolant d'encoche de la deuxième encoche.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une machine électrique tournante selon la présente invention;

La figure 2 est une vue en perspective du stator bobiné et du rotor de la machine électrique tournante selon la présente invention;

Les figures 3a à 3e sont des vues en coupe transversale partielle du stator selon la présente invention illustrant différents motifs d'encoches à largeur variable;

Les figures 4a et 4b montrent des représentations graphiques respectivement de l'évolution de la réduction de l'ondulation de couple et de révolution de la perte du couple moyenne en fonction du ratio entre une première largeur d'encoche et une deuxième largeur d'encoche.

Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d'une figure à l'autre.

La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 comportant un stator 1 1 polyphasé entourant un rotor 12 monté sur un arbre 13. Le stator 1 1 entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer entre la périphérie interne du stator 1 1 et la périphérie externe du rotor 12. Le stator 1 1 est monté dans un carter 14 muni d'un palier avant 15 et d'un palier arrière 16 portant à rotation l'arbre 13.

Cette machine électrique 10 pourra notamment être destinée à être accouplée, via un pignon 17, à un élément d'une chaîne de traction de véhicule automobile, tel qu'une boîte de vitesses. La machine 10 est apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l'énergie à la batterie et au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique du véhicule, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. En variante, la machine électrique 10 pourra être implantée sur un essieu de véhicule automobile, en particulier un essieu arrière. En variante, la machine électrique 10 prend la forme d'un moteur électrique ou d'un générateur non réversible. La puissance de la machine électrique 10 est avantageusement comprise entre 8kW et 30kW.

Plus précisément, comme on peut le voir sur la figure 2, le rotor 12 comporte un corps 19 sous la forme d'un paquet de tôles. Des aimants permanents 20 pourront être implantés radialement à l'intérieur du paquet de tôles, les faces latérales en vis-à-vis de deux aimants 20 consécutifs étant de même polarité. Le rotor 12 est alors du type à concentration de flux. En variante, les aimants permanents 20 pourront être implantés à l'intérieur de cavités 21 suivant une configuration en V. Alternativement, les aimants permanents 20 s'étendent ortho-radialement à l'intérieur des cavités 21 du corps 19. Les aimants 20 pourront être en terre rare ou en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la machine 10.

Par ailleurs, le stator 1 1 s'étend suivant un axe X correspondant à l'axe de l'arbre 13. Le stator 1 1 comporte un corps 24 constitué par un paquet de tôles ainsi qu'un bobinage 25. Le corps 24 est formé par un empilement de feuilles de tôles indépendantes les unes des autres et maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté. Le corps de stator 24 pourra être de type monobloc ou segmenté, c'est-à-dire qu'il pourra être réalisé à partir d'une pluralité de tronçons définissant chacun une portion angulaire du corps et reliés mécaniquement entre eux.

Le corps 24 est muni de dents statoriques 28 délimitant deux à deux des encoches 30, 30' pour le montage du bobinage statorique 25. Ainsi, deux encoches successives sont séparées entre elles par une dent 28.

Dans l'exemple représenté, les encoches 30, 30' sont à bords parallèles. Toutefois, l'invention est également applicable avec des dents statoriques 28 à bords parallèles, c'est-à-dire avec des encoches 30, 30' à section trapézoïdale.

En outre, chaque dent 28 comporte un pied de dent 31 visible sur les figures 3a à 3e. Les pieds de dent 31 présentent tous la même longueur circonférentielle qui est mesurée suivant une périphérie interne du corps de stator 24.

Le bobinage 25 comporte un ensemble d'enroulements de phase 26 traversant les encoches 30 et formant des chignons 33 s'étendant en saillie de part et d'autre du corps de stator 24. Les sorties des enroulements de phase 26 sont reliées à un onduleur 34 pouvant fonctionner également en pont redresseur. A cet effet, l'onduleur 34 comporte des modules de puissance munis de d'éléments de commutation de puissance, tels que des transistors de type MOS, reliés aux sorties de phase du bobinage 25.

Le bobinage 25 est formé à partir d'une pluralité de conducteurs 35 constitués par des épingles 37. Ces épingles 37 pourront présenter une forme en U dont les extrémités des branches sont reliées entre elles par soudage. En variante, le bobinage 25 est formé à partir de fils conducteurs continus enroulés à l'intérieur du stator 1 1 dans les encoches 30, 30' pour former une ou plusieurs spires. Les enroulements de phase 26 sont associés chacun à une série d'encoches 30, 30'. Avantageusement, le stator 1 1 comporte un seul ou deux systèmes triphasés indépendants formés chacun par trois enroulements de phase 26. Chaque système triphasé pourra être couplé en triangle ou en étoile.

Plus précisément, deux encoches 30, 30' consécutives d'une série sont séparées par des encoches adjacentes correspondant aux autres phases. Ainsi, lorsqu'il y a K phases, les conducteurs 35 d'un même enroulement de phase 26 sont insérés toutes les K+1 ième encoches. Par exemple, si l'enroulement de la première phase est inséré dans l'encoche n°1 , il est ensuite inséré dans la 4ème encoche pour une machine triphasée simple, avec une encoche par pôle et par phase, soit K=3. Il est possible également de prévoir une configuration à deux encoches par pôle et par phase. Il est à noter qu'une même encoche 30, 30' pourra recevoir des conducteurs 35 appartenant à deux enroulements de phase différents dans une configuration préférentielle de 1 ,5 encoches par pôle et par phase.

Le nombre de conducteurs 35 à l'intérieur de chaque encoche 30, 30' est avantageusement pair. Sur les figures 3a à 3e, chaque encoche 30, 30' contient 2 conducteurs. En variante, le stator 1 1 pourra comporter 4 ou 6 conducteurs par encoche 30, 30'.

De préférence, à l'intérieur des encoches 30, 30', tous les conducteurs 35 présentent une section de même superficie. En outre, tous les conducteurs présentent une section de même forme, telle qu'une forme carrée, rectangle, méplat, ronde. Les conducteurs 35 sont empilés radialement les uns par rapport aux autres à l'intérieur d'une encoche 30, 30'.

En outre, comme on peut le voir sur la figure 3a, suivant un plan orthogonal P à l'axe dans lequel s'étend le stator 1 1 , au moins une première encoche 30 présente une première largeur L1 et au moins une deuxième encoche 30' distincte de la première encoche 30 présente une deuxième largeur L2.

Les largeurs L1 , L2 sont mesurées suivant une direction orthoradiale par rapport à l'axe X et radialement au milieu de l'encoche 30, 30' correspondante. La première largeur d'encoche L1 est différente de la deuxième largeur d'encoche L2. En l'occurrence, la largeur d'encoche L1 est supérieure à la largeur d'encoche L2.

Autrement dit, l'aire de la section transversale de la première encoche 30 est différente de l'aire de la section transversale de la deuxième encoche 30'. En conséquence, pour des conducteurs 35 ayant tous des sections transversales de même superficie, le taux de remplissage de la première encoche 30 est différent de celui de la deuxième encoche 30'.

En outre, la première encoche 30 comporte un isolant d'encoche 39 pour isoler électriquement les conducteurs 35 par rapport au corps de stator 24 qui présente une épaisseur différente, ici supérieure, à celle de l'isolant d'encoche 39 de la deuxième encoche 30'. Seul deux isolants d'encoche 39 ont été représentés sur la figure 3a afin de faciliter sa lisibilité, mais il est clair qu'un isolant d'encoche 39 est positionné à l'intérieur de chaque encoche 30, 30' entre le conducteur 35 et les faces internes de l'encoche 30, 30' correspondante.

Dans l'exemple représenté sur la figure 3a, le stator 1 1 présente une alternance de premières encoches 30 et de deuxièmes encoches 30' suivant sa circonférence, c'est-à-dire que l'on rencontre, suivant la circonférence du stator 1 1 , une première encoche 30 de première largeur L1 puis immédiatement après une deuxième encoche 30' de deuxième largeur L2, puis immédiatement après une première encoche 30 de première largeur L1 , puis immédiatement après une deuxième encoche 30' de deuxième largeur L2 et ainsi de suite.

Alternativement, comme cela est représenté sur les figures 3b à 3e, le stator 1 1 présente, suivant sa circonférence, une alternance d'un premier ensemble E1 de premières encoches 30 adjacentes les unes par rapport aux autres et d'un deuxième ensemble E2 de deuxièmes encoches 30' adjacentes les unes par rapport aux autres. Ainsi, suivant la circonférence du stator 1 1 , on rencontre successivement un premier ensemble E1 d'encoches 30, et immédiatement après ce premier ensemble E1 d'encoches 30, un deuxième ensemble E2 d'encoches 30', et immédiatement après ce deuxième ensemble E2 d'encoches 30', un premier ensemble E1 d'encoches 30, puis un deuxième ensemble E2, et ainsi de suite suivant la circonférence du stator 1 1 .

Le premier et le deuxième ensembles d'encoches E1 , E2 comportent chacun entre 2 et 9 encoches 30, 30'. Les deux ensembles d'encoches E1 , E2 ont le même nombre d'encoches 30, 30'. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3b, le premier ensemble E1 et le deuxième ensemble E2 d'encoches 30, 30' comportent deux encoches chacun. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3c, le premier ensemble E1 et le deuxième ensemble E2 d'encoches 30, 30' comportent trois encoches 30 chacun. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3d, le premier ensemble E1 et le deuxième ensemble E2 d'encoches 30, 30' comportent six encoches chacun. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3e, le premier ensemble E1 et le deuxième ensemble E2 d'encoches 30, 30' comportent neuf encoches chacun. La figure 4a illustre l'évolution de la réduction d'ondulation du couple R_ond en fonction d'un ratio entre la première largeur d'encoche L1 et la deuxième largeur d'encoche L2 pour une alternance d'une première encoche 30 et d'une deuxième encoche 30' unique (cf. courbe C1 ), ainsi que pour une alternance d'un premier et d'un deuxième ensembles d'encoches E1 , E2 comportant chacun respectivement deux encoches (cf. courbe C2), trois encoches (cf. courbe C3), six encoches (cf. courbe C4), et neuf encoches (cf. courbe C5).

La figure 4b illustre l'évolution de la perte de couple moyenne P_C en fonction d'un ratio entre la première largeur d'encoche L1 et la deuxième largeur d'encoche L2 pour une alternance d'une première encoche 30 et d'une deuxième encoche 30' unique (cf. courbe C1 '), ainsi que pour une alternance d'un premier et d'un deuxième ensembles d'encoches E1 , E2 comportant chacun respectivement deux encoches (cf. courbe C2'), trois encoches (cf. courbe C3'), six encoches (cf. courbe C4'), et neuf encoches (cf. courbe C5').

Les courbes des figures 4a et 4b ont été obtenues pour une machine synchrone à aimants permanents comprenant trois phases et quatre paires de pôles. La machine électrique 10 présente en outre une configuration de 1 ,5 encoches par pôle et par phase. Toutefois, l'invention ne se limite pas à une machine à quatre paires de pôles, mais elle pourra être mise en œuvre avec une machine comportant n'importe quelle polarité. Le nombre de phases pourra également être adapté en fonction de l'application.

Avantageusement, on sélectionne une plage de valeurs PI 1 sur laquelle le ratio entre la première largeur d'encoche L1 divisée par la deuxième largeur d'encoche L2 est compris entre 1 .10 et 1 .35. Suivant une configuration optimum, ce ratio L1/L2 est compris dans la plage Pl_2 s'étendant entre 1 .15 et 1 .25.

Pour l'ensemble des motifs d'encoches 30, 30', une telle plage conduit à un bon compromis entre la diminution de l'ondulation de couple et la diminution du couple moyen. En effet, une telle plage de valeurs permet d'obtenir une réduction importante d'ondulation du couple pouvant atteindre près de 20%, tout en engendrant une perte de couple moyenne maximale inférieure à 5%. Pour un ratio L1/L2 dépassant 1 .30, on observe que la réduction de l'ondulation de couple commence à s'estomper.

Par ailleurs, la machine électrique 10 pourra comporter un circuit de liquide de refroidissement comportant une entrée et une sortie liquide de refroidissement pour faire circuler le liquide dans une chambre 44 aménagée en périphérie externe du stator 1 1 , tel que montré sur la figure 2. La machine électrique 10 pourra ainsi être refroidie par eau ou par huile.

Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.

En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Machine électrique tournante (10) pour véhicule automobile comportant:

- un rotor (12),

- un stator (1 1 ) s'étendant suivant un axe (X), ledit stator (1 1 ) comportant un corps muni d'une pluralité de dents statoriques (28) délimitant des encoches (30, 30'),

- le stator (1 1 ) comportant un bobinage (25) comprenant des conducteurs (35) logés dans les encoches (30, 30'),

- dans un plan orthogonal (P) à l'axe dans lequel s'étend le stator (1 1 ),

- une première encoche (30) présente une première largeur (L1 ) mesurée suivant une direction orthoradiale et radialement au milieu de la première encoche (30),

- une deuxième encoche (30') distincte de la première encoche (30) présente une deuxième largeur (L2) mesurée suivant une direction orthoradiale et radialement au milieu de la deuxième encoche (30'),

caractérisée en ce que la première largeur d'encoche (L1 ) est différente de la deuxième largeur d'encoche (L2).

2. Machine électrique tournante selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle présente une configuration de 1 ou 1 ,5 ou 2 encoches par pôle et par phase.

3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le nombre de conducteurs (35) par encoche (30, 30') est un nombre pair.

4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que tous les conducteurs (35) présentent une section de même superficie.

5. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que tous les conducteurs (35) présentent une section de même forme.

6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'un ratio entre la première largeur d'encoche (L1 ) divisée par la deuxième largeur d'encoche (L2) est compris entre 1 .10 et 1 .35.

7. Machine électrique tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce que le ratio entre la première largeur d'encoche (L1 ) divisée par la deuxième largeur d'encoche (L2) est compris entre 1 .15 et 1 .25.

8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les encoches (30, 30') sont à bords parallèles.

9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendication 1 à 8, caractérisée en ce que les dents statoriques (28) sont à bords parallèles.

10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le stator (1 1 ) présente une alternance de premières encoches (30) et de deuxièmes encoches (30') suivant sa circonférence.

1 1 . Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le stator (1 1 ) présente une alternance d'un premier ensemble (E1 ) de premières encoches (30) et d'un deuxième ensemble (E2) de deuxièmes encoches (30') suivant sa circonférence.

12. Machine électrique tournante selon la revendication 1 1 , caractérisée en ce que le premier et le deuxième ensemble d'encoches (E1 , E2) comportent chacun entre deux et neuf encoches (30, 30'), les deux ensembles d'encoches (E1 , E2) ayant le même nombre d'encoches (30, 30').

13. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que chaque dent statorique (28) comporte un pied de dent (28), les pieds de dent (28) ayant tous la même longueur circonférentielle, ladite longueur circonférentielle étant mesurée suivant une périphérie interne du corps de stator (24).

14. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que la première encoche (30) comporte un isolant d'encoche (39) présentant une épaisseur différente de celle de l'isolant d'encoche (39) de la deuxième encoche (30').

15. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que les conducteurs (35) sont constitués par des fils continus ou des épingles reliées électriquement entre elles.