WO2020120130A1 - Stator de machine electrique avec une couronne formee d'une pluralite de segments de stator - Google Patents

Stator de machine electrique avec une couronne formee d'une pluralite de segments de stator Download PDF

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WO2020120130A1
WO2020120130A1 PCT/EP2019/082608 EP2019082608W WO2020120130A1 WO 2020120130 A1 WO2020120130 A1 WO 2020120130A1 EP 2019082608 W EP2019082608 W EP 2019082608W WO 2020120130 A1 WO2020120130 A1 WO 2020120130A1
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WO
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stator
electric machine
segments
cylindrical support
stator segments
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Application number
PCT/EP2019/082608
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Fabrice LE BERR
Misa MILOSAVLJEVIC
Denis GROSJEAN
Baptiste CHAREYRON
Abdenour ABDELLI
Benjamin GAUSSENS
Christophe DUFRESNES
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IFP Energies Nouvelles
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
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    • H02K1/185—Means for mounting or fastening magnetic stationary parts on to, or to, the stator structures to outer stators
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    • H02K5/207—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium with openings in the casing specially adapted for ambient air

Definitions

  • the present invention relates to a stator of a rotating electrical machine.
  • such an electric machine comprises a stator and a rotor arranged coaxially one inside the other.
  • the rotor is formed by a rotor body carrying magnetic flux generators, such as permanent magnets or coils.
  • This rotor is generally housed inside the stator which carries magnetic flux generators in the form of electrical windings (or armature windings) to generate a magnetic field making it possible to drive the rotor in rotation in association with the field. magnetic generated by the magnets and / or the windings of the rotor.
  • the stator usually comprises a plurality of radial notches in the direction of the rotor and extending along the periphery of the stator. These notches are provided to receive the armature windings which are fixed thereto by any known means.
  • Air Gap a type of electric machine with a large gap between the rotor and the stator, or "Air Gap", the gap of which can sometimes measure several centimeters in order to allow a gaseous or liquid fluid to pass through. This air gap.
  • this large air gap has a drawback for ensuring the passage of the magnetic flux between the rotor and the stator, and therefore has a limitation for the yield. intrinsic of the electric machine as well as for the size of the stator for the same power delivered.
  • stator grid machine This type of electric machine, called a stator grid machine, is known in particular from patent application FR 3041831 (US2018 / 269744).
  • stator teeth therefore have feet very close to each other, sometimes touching in the context of closed notches.
  • This configuration makes winding very difficult, imposing a method using drawn wires (in the case of closed notches) or by insertion (in the case of open notches).
  • these small spaces between teeth also constrain the diameter of the wire and the number of strands in parallel constituting the turn, which is inserted into the stator. The automation of the winding then becomes very complex, and therefore expensive, on stators of this type.
  • stators of electrical machines formed from an assembly of a plurality of stator segments. These designs of the stator allow the realization of simple stator elements. For example, patent applications US 2009/072647, US 8129880 and CN 106712326 describe such stators. However, these stators do not allow a simple winding of the stator in the case of a diametral pitch winding. Indeed, these patent applications relate to electrical machines for which the winding is a tooth winding or a concentric winding. Summary of the invention
  • the present invention relates to an electric machine stator comprising a crown and a cylindrical support.
  • the crown is formed by an assembly of a plurality of stator segments having a T shape whose vertical bar forms a stator tooth.
  • the cylindrical support includes radial holes for the passage of the vertical bar of the T of the stator segments.
  • the cylindrical support makes it possible to simplify the winding, in fact, by means of this design of the stator the winding can be carried out around the cylindrical support before the insertion of the stator segments.
  • the segmentation of the crown allows the production of simple and standard stator elements and makes it possible to filter certain harmonics of the magnetic field in the ferromagnetic parts, thus ensuring a reduction of the iron losses.
  • the invention further relates to an electric machine, an electrified compressor, an electrified turbine and an electrified turbocharger using such a stator.
  • the invention relates to a method of manufacturing such a stator.
  • the invention relates to an electric machine stator comprising a crown formed by a plurality of stator segments, said stator segments having substantially a T shape, the vertical bar of the T being arranged to form a radial tooth of said stator and to delimit notches of said stator intended to receive a winding.
  • Said stator further comprises a cylindrical support comprising a plurality of radial holes for the insertion of the vertical bar of the T of said stator segments.
  • said cylindrical support is made of a non-magnetic material.
  • said stator segments are made of a ferromagnetic material.
  • said cylindrical support comprises means for separating said notches from said stator, said separation means projecting from the external surface of said cylindrical support.
  • said cylindrical support comprises at least one aerodynamic appendage.
  • said aerodynamic appendages comprise aerodynamic profiles arranged at least on one side of said vertical bar of the T of said stator segments.
  • said aerodynamic appendage comprises a central warhead.
  • said winding is disposed between said cylindrical support and said ring formed by said plurality of stator segments.
  • said stator further comprises a tubular sleeve connected to the end of said vertical bar of the T of said stator segments.
  • said stator further comprises a yoke around said ring formed by said plurality of stator segments.
  • the invention relates to an electric machine comprising a rotor and a stator according to one of the preceding characteristics.
  • the invention also relates to an electric compressor comprising an electric machine according to one of the preceding characteristics driving a compressor, preferably, the fluid intended for said compressor passes through the stator of said electric machine.
  • the invention also relates to an electric turbine comprising an electric machine according to one of the preceding characteristics driven by a turbine.
  • the invention relates to an electric turbocharger comprising an electric machine according to one of the preceding characteristics connected to a turbocharger, preferably, the fluid intended for the compressor of said turbocharger passes through the stator of said electric machine.
  • the invention relates to a method for manufacturing an electric machine stator according to one of the preceding characteristics, in which the following steps are implemented:
  • said crown is formed by assembling said stator segments.
  • the method comprises an additional step of fixing a tubular sleeve to the end of the vertical bar of the T of said stator segments.
  • the method comprises an additional step of inserting said crown into a cylinder head.
  • said crown is formed by assembling the stator segments and by deformation of said elastic plane support.
  • Figure 1 illustrates a stator segment according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 illustrates the arrangement of the stator segments before assembly according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 illustrates a crown formed by stator segments according to an embodiment of the invention.
  • FIG 4 illustrates a cylindrical support according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 5 illustrates a stator according to an embodiment of the invention before assembly of the stator segments.
  • the invention relates to a stator of an electric machine comprising a rotor and a stator.
  • the stator has a multiplicity of radial passages, also called notches, arranged circumferentially along the stator.
  • the radial passages are delimited by radial teeth.
  • Magnetic flux generators preferably coils
  • the radial passages (notches) have fluid circulation galleries facing the flow generators.
  • the stator has a central bore, in which the rotor turns.
  • the fluid is for example a gas, and preferably air.
  • the stator comprises a crown and a cylindrical support.
  • the crown is formed from a circumferential assembly of a plurality of stator segments.
  • the stator segments have a substantially T-shape (in three dimensions, that is to say with a thickness).
  • the vertical bar of the T is directed towards the center of the stator so as to form a radial tooth of the stator.
  • the stator's radial teeth delimit the notches, which include the magnetic flux generators and the fluid circulation galleries.
  • the horizontal bar of the T forms the outer part of the crown.
  • the horizontal bar of the T can be curved (with a concavity), so that the circumferential assembly of the plurality of stator segments forms a cylindrical outer surface.
  • the horizontal bar of the T can be rectilinear.
  • the circumferential assembly of the plurality of stator segments forms a polygonal outer surface.
  • the ends of the horizontal bar of the T can include profiles for assembling the stator segments together.
  • one end of the horizontal bar of the T can be convex, and the other end of the horizontal bar of the T can be concave, with a concavity which is able to cooperate with the convex part of a neighboring stator segment and reciprocally.
  • the ends of the horizontal bar of the T can take any other form ensuring the cooperation of two consecutive segments.
  • the crown can have a substantially cylindrical external surface, which makes it possible to limit the size of the stator.
  • the crown can have other shapes.
  • the stator segments can be made of a ferromagnetic material so as to conduct the magnetic fluxes from the magnetic flux generators (winding) to the rotor.
  • the stator segments can be produced by stacking sheets.
  • each sheet has substantially the shape of a slightly thick T
  • the stator segment is a stack of sheets having substantially the shape of a T. This design makes it possible to limit the magnetic losses in the stator.
  • the crown comprises a number of stator segments multiple of six, which can correspond to the number of poles (at least one pair of poles) multiplied by the number of phases of the electric machine (usually three).
  • the vertical bars of the T of the stator segments are of great length so that the notches formed by the assembly of the stator segments allow a location for the winding and a location for the circulation of the fluid in the stator.
  • the cylindrical support has a plurality of radial holes for the insertion of the vertical bar of the T of the rotor segments.
  • the cylindrical support serves as a support for the winding, preferably on its outer surface.
  • the cylindrical support thus allows the positioning and guiding of the stator segments, which facilitates the mounting of the stator.
  • the winding is facilitated, in fact, the support not comprising the stator teeth, there is no space or dimension constraint for the realization of the winding.
  • the automation of the winding is made possible by this design of the stator.
  • the cylindrical support allows the slots to be separated into two zones: one for the winding and the other for the fluid circulation galleries (the latter preferably being inside the cylindrical support).
  • the cylindrical support can be made of a non-magnetic material. In fact, it has no function for the circulation of magnetic fluxes and prevents it from passing through the stator tooth. It can be made for example of polymeric material or non-magnetic metal.
  • the cylindrical support can be produced by molding, plastic injection or under pressure or additive manufacturing.
  • the cylindrical support can be made in one piece.
  • the cylindrical support can be made in two parts, each part having a cylindrical shape, the two parts being assembled along a plane perpendicular to the axis of the cylindrical support.
  • the cylindrical support can also comprise means for separating the notches.
  • the separation means can be regularly distributed.
  • a separation means can be provided for each notch of the stator.
  • the means for separating the notches can be projecting from the external surface of the cylindrical support.
  • the separation means are provided to promote winding on the cylindrical support.
  • the separation means can be a wall projecting from the external surface of the cylindrical support in a substantially radial direction.
  • the separation means can be located in the middle, in the circumferential direction, of two radial orifices for inserting the stator segments, in order to create identical spaces.
  • the cylindrical support can also include at least one aerodynamic appendage for guiding the fluid to / from the fluid circulation galleries.
  • the aerodynamic appendages can be formed by aerodynamic profiles arranged at least on one side of the stator teeth, that is to say next to the vertical bar of the T of the stator segments.
  • the aerodynamic appendage can be a central warhead which covers the central bore of the stator intended to receive the rotor, thus the fluid is guided towards the stator without passing through the rotor or the air gap.
  • the aerodynamic appendage can be a longitudinal extension of the cylindrical support: the cylindrical support can be extended by at least one side of the stator to guide the fluid in the notches.
  • the stator may further comprise a central tubular sleeve, in which the rotor of the electric machine rotates.
  • the tubular sleeve is connected to the end of the vertical bar of the T of the stator segments. It makes it possible to close the notches, to limit magnetic and aerodynamic losses, and to participate in the mechanical strength of the stator and in particular of the crown with the stator teeth.
  • the tubular sleeve can be made of a magnetic or non-magnetic material.
  • stator has no central tubular sleeve, the stator is then a stator with open notches.
  • the cylindrical support can be formed from an elastic support that is initially substantially planar, initially having substantially the shape of a strip.
  • the elastic plane support is intended to form the cylindrical support by deformation after the assembly of the various components of the stator.
  • the stator may include an outer yoke positioned around the crown formed by the rotor segments.
  • FIG. 1 shows, schematically and without limitation, a stator segment 1 according to an embodiment of the invention.
  • the stator segment 1 has substantially a T shape, with a vertical bar 2, intended to form a stator tooth, and a horizontal bar 3, intended to form the crown by assembling several stator segments 1.
  • the horizontal bar 3 is curved.
  • the horizontal bar 3 has a concave end 4 and a convex end 5, intended to cooperate respectively with a convex end and a concave end of other stator segments.
  • the external surface of the stator segment 1 is curved so as to form a circular crown once the stator segments are assembled.
  • FIG. 2 shows, schematically and without limitation, the arrangement of the stator segments 1 before assembly according to an embodiment of the invention.
  • the cylindrical support and the winding are not shown.
  • the stator teeth that is to say the vertical bars 2 of FIG. 1 are intended to be linked to a central sleeve 6. In this position, the stator segments 1 are pre- positioned before being assembled.
  • the horizontal bar 3 is curved.
  • FIG. 3 represents, diagrammatically and in a nonlimiting manner, the arrangement of the stator segments 1 after assembly according to an embodiment of the invention.
  • Figure 3 corresponds to the embodiment of Figure 2.
  • the cylindrical support and the winding are not shown.
  • this figure represents the crown 12 of the stator.
  • the crown 12 is formed by an assembly of twelve stator segments 1.
  • the stator segments 1 are assembled at their ends of the vertical bar of the T (ends 4 and 5 of FIG. 1).
  • the vertical bars 2 of stator segments 1 form stator teeth of the stator, which delimit notches 13.
  • the notches are provided for the winding and for the fluid circulation galleries.
  • the stator teeth that is to say the vertical bars 2 of FIG. 1 are linked to a central sleeve 6.
  • FIG. 4 represents, schematically and without limitation, a cylindrical support 7 according to an embodiment of the invention.
  • the cylindrical support 7 has an overall cylindrical shape and has radial holes 14 in which the vertical bars of the T of the stator segments are inserted.
  • the cylindrical support 7 also includes aerodynamic appendages.
  • the aerodynamic appendages comprise a central warhead 8 which covers a central tubular sleeve 6.
  • the aerodynamic appendages further comprise aerodynamic profiles 9 arranged on the height of the stator teeth, that is to say on the height of the vertical bar of the segments stator.
  • the aerodynamic profiles 9 are fixed to the tubular sleeve 6.
  • dynamic profiles are provided on either side of the stator teeth (that is to say vertical bars of the stator segments).
  • the aerodynamic profiles protrude from the outer face of the cylindrical support 7, in particular to facilitate the guiding of the vertical bars of the stator segments.
  • the cylindrical support 7 comprises walls 10 projecting from its outer surface to form means for separating the notches.
  • the walls 10 have a substantially radial direction, and are arranged circumferentially in the middle of two radial orifices for inserting the stator segments.
  • the winding is intended to be positioned around the walls 10.
  • FIG. 5 represents, schematically and without limitation, the arrangement of the stator segments 1 before assembly according to an embodiment of the invention, so as to form a stator 1 1.
  • FIG. 5 corresponds to FIG. 2 with the representation of the cylindrical support 7. In this figure, the winding is not shown.
  • the cylindrical support 7 has radial holes in which the vertical bars of the T of the stator segments 1 are inserted. In this position, the stator segments 1 are pre-positioned before being assembled.
  • the cylindrical support 7 further comprises aerodynamic appendages.
  • the aerodynamic appendages include a central warhead 8 which covers the central sleeve.
  • the aerodynamic appendages further comprise aerodynamic profiles 9 disposed on the height of the stator teeth, that is to say on the height of the vertical bar 2 of the stator segments.
  • the cylindrical support 7 comprises walls 10 projecting from its outer surface to form means for separating the notches.
  • the walls 10 have a substantially radial direction, and are arranged circumferentially in the middle of two radial orifices for inserting the stator segments.
  • the winding is intended to be positioned in the space formed between the cylindrical support 7 and the crown and around the walls 10.
  • the invention also relates to an electric machine comprising a stator according to any one of the combinations of variants described above and a rotor.
  • the rotor is arranged coaxially in the stator, and rotates inside the stator, being driven by the magnetic field formed in particular by the winding.
  • the electric machine is a stator grid machine, as described in particular in patent application FR 3041831 (US2018 / 269744). This design allows in particular to move the winding away from the rotor.
  • This machine can be, only by way of example, a synchronous machine with a pair of poles.
  • the electric machine can be associated in a compact manner with a compressor in an architecture of electric compressor, electric turbine or electric turbocharger.
  • This compactness is relevant when the system has to run at very high speed, which requires minimizing the length and mass / inertia of the rotating shafts.
  • the electric machine when the electric machine is associated with a compressor or a turbocharger, the electric machine can be placed upstream of the compressor so that the fluid used by the compressor circulates consecutively in the stator of the electric machine and then in the compressor .
  • This configuration allows a compact construction, and allows cooling the electric machine without additional fluid circulation circuit.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a stator of an electric machine according to any one of the combinations of variants described above.
  • the manufacturing process can be carried out from a preformed cylindrical support or from a substantially planar elastic support (strip).
  • the following steps are implemented: a) the stator is wound on the outside of the cylindrical support or of an elastic plane support; b) the stator segments are inserted into the radial holes of the cylindrical support; and c) the crown is formed by assembling the stator segments.
  • the manufacturing process allows simple winding, allowing automation of this step.
  • the irons and the winding can be operated by different entities on different geographic sites.
  • the process according to the invention allows a reduction in the complexity and the cost of the process.
  • step c) can be implemented by the formation of a cylindrical, by deformation of the flat support equipped with the winding and the segments stator.
  • the elastic plane support then becomes the cylindrical plane support. This embodiment facilitates the winding and assembly of the stator components.
  • the cylindrical support comprises means for separating the notches
  • the manufacturing process may comprise an additional step of fixing the vertical bars of the T of the stator segments to the tubular sleeve.
  • the method according to the invention may include an additional step of inserting the crown into the cylinder head.
  • FIG. 5 corresponds to the end of step b) of the method according to the invention, for which the cylindrical support is formed initially before step a).

Abstract

La présente invention concerne un stator de machine électrique comprenant une couronne (12) et un support cylindrique (7). La couronne (12) est formée par un assemblage d'une pluralité de segments de stator (1) ayant une forme de T dont la barre verticale (2) forme une dent statorique. Le support cylindrique (7) comprend des orifices radiaux (14 pour le passage de la barre verticale du T des segments de stator.

Description

STATOR DE MACHINE ELECTRIQUE AVEC UNE COURONNE FORMEE D’UNE PLURALITE DE SEGMENTS DE STATOR
Domaine technique La présente invention se rapporte à un stator de machine électrique tournante.
Généralement, une telle machine électrique comporte un stator et un rotor disposés coaxialement l'un dans l'autre.
Le rotor est formé d'un corps de rotor portant des générateurs de flux magnétique, tels que des aimants permanents ou des bobinages. Ce rotor est généralement logé à l'intérieur du stator qui porte des générateurs de flux magnétique sous la forme d'enroulements électriques (ou bobinages d'induit) pour générer un champ magnétique permettant d'entrainer en rotation le rotor en association avec le champ magnétique généré par les aimants et/ou les bobinages du rotor.
Le stator comprend de manière habituelle une pluralité d'encoches radiales en direction du rotor et s'étendant tout au long du pourtour du stator. Ces encoches sont prévues pour recevoir les bobinages d'induit qui y sont fixés par tous moyens connus.
Technique antérieure
En fonction de l’application de la machine électrique et/ou pour son refroidissement, il peut être recherché qu’un fluide traverse la machine électrique.
Dans ce cadre, il est déjà connu un type de machine électrique à fort entrefer entre le rotor et le stator, ou "Air Gap", dont l’entrefer peut parfois mesurer plusieurs centimètres afin de laisser passer un fluide gazeux ou liquide au travers de cet entrefer.
Ce type de machine électrique est notamment connu par les demandes de brevet US 2008289333 ou US 2013169074 ou US 2013043745 pour des machines synchro-réluctantes à grand "Air Gap" fonctionnant à faible vitesse dont le fort entrefer permet de conduire un fluide au travers de celui-ci.
Cependant, ce fort entrefer présente un inconvénient pour assurer le passage du flux magnétique entre le rotor et le stator, et présente donc une limitation pour le rendement intrinsèque de la machine électrique ainsi que pour l’encombrement du stator pour la même puissance délivrée.
Afin de remédier aux inconvénients énumérés ci-dessus, il a été développé une machine électrique à faible entrefer, et à un passage de fluide possible au travers de la machine, entre les dents du stator, permettant une meilleure conversion d’énergie entre le stator et le rotor. Ce type de machine électrique, appelée machine à grille statorique, est connue notamment de la demande de brevet FR 3041831 (US2018/269744).
Ce type de machine électrique donne satisfaction du fait notamment que les passages radiaux du stator, délimités de part et d’autre par des dents qui servent à faire transiter le flux du stator, et à guider le fluide à travers la machine électrique. Néanmoins, il est souhaitable de faciliter la réalisation du bobinage, voire de le rendre automatique. En effet, pour certaines applications, par exemple dans le cadre de l’électrification des organes de suralimentation, pour lesquels les rotors sont de diamètre très réduits (inférieurs à 20 mm) car fonctionnant à très haute vitesse (au-delà de 150 000 tr/min), le diamètre en pied de stator est petit (équivalent au diamètre rotor plus deux fois l’épaisseur de l’entrefer mécanique, ce dernier étant très petit dans le cadre d’une machine électrique à faible entrefer), les dents statoriques ont donc des pieds très rapprochés les uns des autres, se touchant parfois dans le cadre des encoches fermées. Cette configuration rend très difficile le bobinage, imposant une méthode par fils tirés (cas des encoches fermés) ou par insertion (cas des encoches ouvertes). De plus, ces petits espaces entre dents contraignent aussi le diamètre du fil et le nombre de brins en parallèle constituant la spire, qui est insérée dans le stator. L’automatisation du bobinage devient alors très complexe, donc coûteuse, sur des stators de ce type.
En outre, il est également connu des stators de machines électriques formés d’un assemblage d’une pluralité de segments de stator. Ces conceptions du stator permettent la réalisation d’éléments statoriques simples. Par exemple, les demandes de brevet US 2009/072647, US 8129880 et CN 106712326 décrivent de tels stators. Toutefois, ces stators ne permettent pas un bobinage simple du stator dans le cas d’un bobinage à pas diamétral. En effet, ces demandes de brevet concernent des machines électriques pour lesquelles le bobinage est un bobinage sur dent ou un bobinage concentrique. Résumé de l’invention
Pour pallier ces inconvénients, la présente invention concerne un stator de machine électrique comprenant une couronne et un support cylindrique. La couronne est formée par un assemblage d’une pluralité de segments de stator ayant une forme de T dont la barre verticale forme une dent statorique. Le support cylindrique comprend des orifices radiaux pour le passage de la barre verticale du T des segments de stator. Le support cylindrique permet de simplifier le bobinage, en effet, au moyen de cette conception du stator le bobinage peut être réalisé autour du support cylindrique avant l’insertion des segments du stator. De plus, la segmentation de la couronne permet la réalisation d’éléments statoriques simples et standards et permet de filtrer certains harmoniques de champ magnétique dans les parties ferromagnétiques, assurant ainsi une réduction des pertes fer .
L’invention concerne en outre une machine électrique, un compresseur électrifié, une turbine électrifiée et un turbocompresseur électrifié mettant en oeuvre un tel stator. De plus, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un tel stator.
L’invention concerne un stator de machine électrique comprenant une couronne formée d’une pluralité de segments de stator, lesdits segments de stator ayant sensiblement une forme de T, la barre verticale du T étant agencée pour former une dent radiale dudit stator et pour délimiter des encoches dudit stator destinées à recevoir un bobinage. Ledit stator comporte en outre un support cylindrique comprenant une pluralité d’orifices radiaux pour l’insertion de la barre verticale du T desdits segments de stator.
Selon un mode de réalisation, ledit support cylindrique est réalisé en un matériau amagnétique.
Avantageusement, lesdits segments de stator sont réalisés en un matériau ferromagnétique.
Conformément à une mise en oeuvre, ledit support cylindrique comporte des moyens de séparation desdites encoches dudit stator, lesdits moyens de séparation étant en saillie sur la surface extérieure dudit support cylindrique.
Selon un aspect, ledit support cylindrique comporte au moins un appendice aérodynamique.
De préférence, lesdits appendices aérodynamiques comportent des profilés aérodynamiques disposés au moins d’un côté de ladite barre verticale du T desdits segments de stator. De manière avantageuse, ledit appendice aérodynamique comporte une ogive centrale.
Selon une caractéristique, ledit bobinage est disposé entre ledit support cylindrique et ladite couronne formée par ladite pluralité de segments de stator.
Conformément à un mode de réalisation, ledit stator comporte en outre un manchon tubulaire lié à l’extrémité de ladite barre verticale du T desdits segments de stator.
Selon un aspect, ledit stator comporte en outre une culasse autour de ladite couronne formée par ladite pluralité de segments de stator.
De plus, l’invention concerne une machine électrique comprenant un rotor et un stator selon l’une des caractéristiques précédentes.
L’invention concerne également un compresseur électrique comprenant une machine électrique selon l’une des caractéristiques précédentes entraînant un compresseur, de préférence, le fluide destiné audit compresseur passe au travers du stator de ladite machine électrique.
L’invention concerne aussi une turbine électrique comprenant une machine électrique selon l’une des caractéristiques précédentes entraînée par une turbine.
De plus, l’invention concerne un turbocompresseur électrique comprenant une machine électrique selon l’une des caractéristiques précédentes reliée à un turbocompresseur, de préférence, le fluide destiné au compresseur dudit turbocompresseur passe au travers du stator de ladite machine électrique.
En outre, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un stator de machine électrique selon l’une des caractéristiques précédentes, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes :
a) on réalise ledit bobinage dudit stator sur la partie extérieure dudit support cylindrique ou d’un support plan élastique ;
b) on insère lesdits segments de stator dans les orifices radiaux dudit support cylindrique ; et
c) on forme ladite couronne par assemblage desdits segments de stator.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape supplémentaire de fixation d’un manchon tubulaire sur l’extrémité de la barre verticale du T desdits segments de stator. Conformément à une mise en œuvre, le procédé comporte une étape supplémentaire d’insertion de ladite couronne dans une culasse.
Selon un aspect, on forme ladite couronne par assemblage des segments de stator et par déformation dudit support plan élastique.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
[Fig 1]
La figure 1 illustre un segment de stator selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig 2]
La figure 2 illustre la disposition des segments de stator avant assemblage selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig 3]
La figure 3 illustre une couronne formée de segments de stator selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig 4]
La figure 4 illustre un support cylindrique selon un mode de réalisation de l’invention. [Fig 5]
La figure 5 illustre un stator selon un mode de réalisation de l’invention avant assemblage des segments de stator.
Description des modes de réalisation
L’invention concerne un stator d’une machine électrique comprenant un rotor et un stator. Le stator comporte une multiplicité de passages radiaux, appelés également encoches, disposés circonférentiellement le long du stator. Les passages radiaux sont délimités par des dents radiales. Des générateurs de flux magnétique (de préférence des bobinages) sont logés dans les passages radiaux. De plus, les passages radiaux (encoches) comportent des galeries de circulation de fluide en regard des générateurs de flux magnétique (bobinage). En outre, le stator comporte un alésage central, dans lequel tourne le rotor. Le fluide est par exemple un gaz, et de préférence de l’air.
Selon l’invention, le stator comporte une couronne et un support cylindrique.
La couronne est formée d’un assemblage circonférentiel d’une pluralité de segments de stator. Les segments de stator ont sensiblement une forme de T (en trois dimensions, c’est-à-dire avec une épaisseur). Quand les segments de rotor sont assemblés pour former la couronne, la barre verticale du T est dirigée vers le centre du stator de manière à former une dent radiale du stator. Les dents radiales du stator délimitent les encoches, qui comprennent les générateurs de flux magnétiques et les galeries de circulation du fluide. En position assemblée, la barre horizontale du T forme la partie extérieure de la couronne. Cette conception de la couronne par des segments de stator permet de simplifier et de standardiser la fabrication (forme de T simple) tout en minimisant les chutes de matière, et par conséquent tout en minimisant le coût de matière première. De plus, la segmentation du stator permet de filtrer certains harmoniques de champ magnétique dans les parties ferromagnétiques, ainsi les pertes fer sont diminuées, ce qui permet d’améliorer le rendement de la machine électrique. Selon un aspect de l’invention, la barre horizontale du T peut être courbe (avec une concavité), de manière à ce que l’assemblage circonférentiel de la pluralité de segments de stator forme une surface extérieure cylindrique. Selon une variante, la barre horizontale du T peut être rectiligne. Pour cette variante, l’assemblage circonférentiel de la pluralité de segments de stator forme une surface extérieure polygonale.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les extrémités de la barre horizontale du T peuvent comprendre des profilés pour réaliser l’assemblage des segments de stator entre eux. Par exemple, une extrémité de la barre horizontale du T peut être convexe, et l’autre extrémité de la barre horizontale du T peut être concave, avec une concavité qui est apte à coopérer avec la partie convexe d’un segment de stator voisin et réciproquement. Alternativement, les extrémités de la barre horizontale du T peuvent prendre toutes autres formes assurant la coopération de deux segments consécutifs.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, la couronne peut comporter une surface externe sensiblement cylindrique, ce qui permet de limiter l’encombrement du stator. Toutefois, la couronne peut avoir d’autres formes.
De manière avantageuse, les segments de stator peuvent être réalisés en un matériau ferromagnétique de manière à conduire les flux magnétiques des générateurs de flux magnétiques (bobinage) vers le rotor. De préférence, les segments de stator peuvent être réalisés par un empilage de tôles. Ainsi chaque tôle a sensiblement la forme d’un T peu épaisse, et le segment de stator est un empilage de tôles ayant sensiblement la forme d’un T. Cette conception permet de limiter les pertes magnétiques dans le stator.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la couronne comprend un nombre de segments de stator multiple de six, ce qui peut correspondre au nombre de pôles (à minima une paire de pôle) multiplié par le nombre de phases de la machine électrique (en général trois).
Avantageusement, les barres verticales du T des segments de stator sont de grande longueur de telle sorte que les encoches formées par l’assemblage des segments de stator permettent un emplacement pour le bobinage et un emplacement pour la circulation du fluide dans le stator.
Le support cylindrique comporte une pluralité d’orifices radiaux pour l’insertion de la barre verticale du T des segments de rotor. De plus, le support cylindrique sert de support au bobinage, de préférence sur sa surface extérieure. Le support cylindrique permet ainsi le positionnement et le guidage des segments de stator, ce qui facilite le montage du stator. Ainsi, le bobinage est facilité, en effet, le support ne comportant pas les dents statoriques, il n’y aucune contrainte d’encombrement ou de dimension pour la réalisation du bobinage. L’automatisation du bobinage est rendu possible par cette conception du stator. En outre, le support cylindrique permet de séparer les encoches en deux zones : une pour le bobinage et l’autre pour les galeries de circulation de fluide (ces dernières étant de préférence à l’intérieur du support cylindrique).
Le support cylindrique peut être réalisé en un matériau amagnétique. En effet, il ne possède aucune fonction pour la circulation des flux magnétiques et empêche le passage de celui-ci dans la dent statorique. Il peut être réalisé par exemple en matériau polymère ou métal amagnétique. De manière avantageuse, le support cylindrique peut être réalisé par moulage, injection plastique ou sous pression ou fabrication additive.
Selon un aspect de l’invention, le support cylindrique peut être réalisé en une seule pièce. Alternativement, le support cylindrique peut être réalisé en deux parties, chaque partie ayant une forme cylindrique, les deux parties étant assemblées selon un plan perpendiculaire à l’axe du support cylindrique. Selon un mode de réalisation de l’invention, le support cylindrique peut comporter en outre des moyens de séparation des encoches. Les moyens de séparation peuvent être régulièrement répartis. De préférence, un moyen de séparation peut être prévu pour chaque encoche du stator. Les moyens de séparation des encoches peuvent être en saillie sur la surface extérieure du support cylindrique. Les moyens de séparation sont prévus pour favoriser le bobinage sur le support cylindrique. Selon un mode de réalisation de l’invention, les moyens de séparation peuvent être une paroi en saillie de la surface extérieure du support cylindrique selon une direction sensiblement radiale. Avantageusement, les moyens de séparation peuvent être situés au milieu, selon la direction circonférentielle, de deux orifices radiaux d’insertion des segments de stator, afin de créer des espaces identiques.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, le support cylindrique peut comporter également au moins un appendice aérodynamique pour guider le fluide vers/depuis les galeries de circulation de fluide. Selon un aspect de l’invention, les appendices aérodynamiques peuvent être formés par des profilés aérodynamiques disposés au moins d’un côté des dents statoriques, c’est-à-dire à côté de la barre verticale du T des segments de stator. Alternativement ou en outre, l’appendice aérodynamique peut être une ogive centrale qui recouvre l’alésage central du stator destiné à recevoir le rotor, ainsi le fluide est guidé vers le stator sans passer par le rotor ou l’entrefer. Alternativement ou en outre, l’appendice aérodynamique peut être une extension longitudinale du support cylindrique : le support cylindrique peut se prolonger d’au moins un côté du stator pour guider le fluide dans les encoches.
Selon une caractéristique de l’invention, le stator peut comporter en outre un manchon tubulaire central, dans lequel tourne le rotor de la machine électrique. Le manchon tubulaire est lié à l’extrémité de la barre verticale du T des segments de stator. Il permet de fermer les encoches, pour limiter les pertes magnétiques, et aérodynamiques, et pour participer à la tenue mécanique du stator et notamment de la couronne avec les dents statoriques. Le manchon tubulaire peut être réalisé dans un matériau magnétique ou amagnétique.
Alternativement, le stator ne comporte aucun manchon tubulaire central, le stator est alors un stator à encoches ouvertes.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le support cylindrique peut être formé à partir d’un support élastique initialement sensiblement plan, ayant initialement sensiblement la forme d’une bande. Le support plan élastique est destiné à former le support cylindrique par déformation après l’assemblage des différents composants du stator. Afin de maintenir les segments de stator, le stator peut comprendre une culasse externe positionnée autour de la couronne formée par les segments de rotor.
La figure 1 représente, schématiquement et de manière non limitative, un segment de stator 1 selon un mode de réalisation de l’invention. Le segment de stator 1 a sensiblement une forme de T, avec une barre verticale 2, destinée à former une dent statorique, et une barre horizontale 3, destinée à former la couronne par assemblage de plusieurs segments de stator 1 . Pour le mode de réalisation illustré, la barre horizontale 3 est courbe. Pour réaliser cet assemblage, la barre horizontale 3 possède une extrémité concave 4 et une extrémité convexe 5, destinées à coopérer respectivement avec une extrémité convexe et une extrémité concave d’autres segments de stator. La surface externe du segment de stator 1 est bombée de manière à former une couronne circulaire une fois les segments de stator assemblés.
La figure 2 représente, schématiquement et de manière non limitative, la disposition des segments de stator 1 avant assemblage selon un mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, le support cylindrique et le bobinage ne sont pas représentés. Pour le mode de réalisation illustré, les dents statoriques (c’est-à-dire les barres verticales 2 de la figure 1 ) sont destinées à être liées à un manchon central 6. Dans cette position, les segments de stator 1 sont pré-positionnés avant d’être assemblés. Pour le mode de réalisation illustré, la barre horizontale 3 est courbe.
La figure 3 représente, schématiquement et de manière non limitative, la disposition des segments de stator 1 après assemblage selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 3 correspond au mode de réalisation de la figure 2. Sur cette figure, le support cylindrique et le bobinage ne sont pas représentés. Ainsi, cette figure représente la couronne 12 du stator. La couronne 12 est formée d’un assemblage de douze segments de stator 1. Les segments de stator 1 sont assemblés au niveau de leurs extrémités de la barre verticale du T (extrémités 4 et 5 de la figure 1 ). De plus, les barres verticales 2 de segments de stator 1 forment des dents statoriques du stator, qui délimitent des encoches 13. Les encoches sont prévus pour le bobinage et pour les galeries de circulation du fluide. Pour le mode de réalisation illustré, les dents statoriques (c’est-à-dire les barres verticales 2 de la figure 1 ) sont liées à un manchon central 6. Pour le mode de réalisation illustré, la barre horizontale 3 des segments de stator 1 est courbe. Ainsi, la surface extérieur du stator est cylindrique. La figure 4 représente, schématiquement et de manière non limitative, un support cylindrique 7 selon un mode de réalisation de l’invention. Sur cette figure, les segments de stator et les bobines ne sont pas représentés. Le support cylindrique 7 a une forme globale cylindrique et comporte des orifices radiaux 14 dans lesquels les barres verticales du T des segments de stator sont insérées. Le support cylindrique 7 comporte également des appendices aérodynamiques. Les appendices aérodynamiques comprennent une ogive centrale 8 qui recouvre un manchon tubulaire central 6. Les appendices aérodynamiques comprennent en outre des profilés aérodynamiques 9 disposés sur la hauteur des dents statoriques, c’est-à-dire sur la hauteur de la barre verticale des segments de stator. Les profilés aérodynamiques 9 sont fixés au manchon tubulaire 6. De préférence, des profilés dynamiques sont prévus de part et d’autre des dents statoriques (c’est-à-dire des barres verticales des segments de stator). Les profilés aérodynamiques sont en saillies sur la face extérieure du support cylindrique 7, notamment pour faciliter le guidage des barres verticales des segments de stator. De plus, le support cylindrique 7 comprend des parois 10 en saillie sur sa surface extérieure pour former des moyens de séparation des encoches. Les parois 10 ont une direction sensiblement radiale, et sont disposées circonférentiellement au milieu de deux orifices radiaux d’insertion des segments de stator. Le bobinage est destiné à être positionné autour des parois 10.
La figure 5 représente, schématiquement et de manière non limitative, la disposition des segments de stator 1 avant assemblage selon un mode de réalisation de l’invention, de manière à former un stator 1 1. La figure 5 correspond à la figure 2 avec la représentation du support cylindrique 7. Sur cette figure, le bobinage n’est pas représenté. Le support cylindrique 7 comporte des orifices radiaux dans lesquels les barres verticales du T des segments de stator 1 sont insérées. Dans cette position, les segments de stator 1 sont pré positionnés avant d’être assemblés. Le support cylindrique 7 comprend en outre des appendices aérodynamiques. Les appendices aérodynamiques comprennent une ogive centrale 8 qui recouvre le manchon central. Les appendices aérodynamiques comprennent en outre des profilés aérodynamiques 9 disposés sur la hauteur des dents statoriques, c’est- à-dire sur la hauteur de la barre verticale 2 des segments de stator. De plus, le support cylindrique 7 comprend des parois 10 en saillie sur sa surface extérieure pour former des moyens de séparation des encoches. Les parois 10 ont une direction sensiblement radiale, et sont disposées circonférentiellement au milieu de deux orifices radiaux d’insertion des segments de stator. Le bobinage est destiné à être positionné dans l’espace formé entre le support cylindrique 7 et la couronne et autour des parois 10. L’invention concerne également une machine électrique comprenant un stator selon l’une quelconque des combinaisons de variantes décrites ci-dessus et un rotor. Le rotor est disposé coaxialement dans le stator, et tourne à l’intérieur du stator en étant entraîné par le champ magnétique formé notamment par le bobinage.
De préférence, la machine électrique est une machine à grille statorique, telle que décrite notamment dans la demande de brevet FR 3041831 (US2018/269744). Cette conception permet notamment d’éloigner le bobinage du rotor.
Cette machine peut être, uniquement à titre d'exemple, une machine synchrone à une paire de pôles.
Cela n'écarte en aucune façon toute autre machine électrique, comme des machines synchrones avec plus d’une paire de pôles, des machines asynchrones à rotor bobiné ou à cage d'écureuil, les machines à réluctance et les machines synchro-réluctantes.
De par ses avantages intrinsèques liés à sa géométrie qui lui permet d’être traversée par un fluide et d’éloigner radialement les générateurs de flux statoriques des générateurs de flux rotoriques, ce type de machine est facilement intégrable sur un système existant avec des modifications mineures liées à son intégration.
Selon un exemple de mise en oeuvre de l’invention, la machine électrique peut être associée de manière compacte avec un compresseur dans une architecture de compresseur électrique, de turbine électrique ou de turbocompresseur électrique. Cette compacité est pertinente lorsque le système doit tourner à très haut régime, ce qui nécessite de réduire au maximum la longueur et la masse/inertie des arbres en rotation.
Avantageusement, lorsque la machine électrique est associée à un compresseur ou à un turbocompresseur, la machine électrique peut être placée en amont du compresseur de manière à ce que le fluide utilisé par le compresseur circule consécutivement dans le stator de la machine électrique puis dans le compresseur. Cette configuration permet une construction compacte, et permet de refroidir la machine électrique sans circuit de circulation de fluide supplémentaire.
En outre, la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un stator d’une machine électrique selon l’une quelconque des combinaisons de variantes décrites ci- dessus. Le procédé de fabrication peut être réalisé à partir d’un support cylindrique préformé ou à partir d’un support élastique sensiblement plan (bande). Pour le procédé de fabrication, on met en oeuvre les étapes suivantes : a) on réalise le bobinage du stator sur la partie extérieure du support cylindrique ou d’un support plan élastique ; b) on insère les segments de stator dans les orifices radiaux du support cylindrique ; et c) on forme la couronne par assemblage des segments de stator.
Ainsi, le procédé de fabrication permet un bobinage simple, autorisant une automatisation de cette étape. De plus, les fers et le bobinage peuvent être opérés par des entités différentes sur des sites géographiques différents. De plus, le procédé selon l’invention permet une réduction de la complexité et du coût de procédé.
Pour le mode de réalisation, pour lequel le procédé est réalisé à partir d’un support plan élastique, l’étape c) peut être mise en oeuvre par la formation d’un cylindrique, par déformation du support plan équipé du bobinage et des segments de stator. Le support plan élastique devient alors le support plan cylindrique. Ce mode de réalisation permet de faciliter le bobinage et l’assemblage des composants du stator.
Selon un mode de réalisation de l’invention, pour lequel le support cylindrique comporte des moyens de séparation des encoches, on peut réaliser le bobinage du stator autour des moyens de séparation.
Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, pour laquelle le stator comporte un manchon central, le procédé de fabrication peut comprendre une étape supplémentaire de fixation des barres verticales du T des segments de stator sur le manchon tubulaire.
Selon un aspect de l’invention, pour lequel le stator comporte une culasse, le procédé selon l’invention peut comporter une étape supplémentaire d’insertion de la couronne dans la culasse.
La figure 5 correspond à la fin de l’étape b) du procédé selon l’invention, pour lequel le support cylindrique est formé initialement avant l’étape a).

Claims

Revendications
1. Stator de machine électrique comprenant une couronne (12) formée d’une pluralité de segments de stator (1 ), lesdits segments de stator (1 ) ayant sensiblement une forme de T, la barre verticale du T (2) étant agencée pour former une dent radiale dudit stator (1 1 ) et pour délimiter des encoches (13) dudit stator (1 1 ) destinées à recevoir un bobinage, caractérisé en ce que ledit stator (1 1 ) comporte en outre un support cylindrique (7) comprenant une pluralité d’orifices radiaux (14) pour l’insertion de la barre verticale du T (2) desdits segments de stator (1 ).
2. Stator de machine électrique selon la revendication 1 , dans lequel ledit support cylindrique (7) est réalisé en un matériau amagnétique.
3. Stator de machine électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits segments de stator (1 ) sont réalisés en un matériau ferromagnétique.
4. Stator de machine électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit support cylindrique (7) comporte des moyens de séparation (10) desdites encoches (13) dudit stator (1 1 ), lesdits moyens de séparation (10) étant en saillie sur la surface extérieure dudit support cylindrique (7).
5. Stator de machine électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit support cylindrique (7) comporte au moins un appendice aérodynamique (8, 9).
6. Stator de machine électrique selon la revendication 5, dans lequel ledit au moins un appendice aérodynamique comporte des profilés aérodynamiques (9) disposés au moins d’un côté de ladite barre verticale du T (2) desdits segments de stator (1 ).
7. Stator de machine électrique selon l’une des revendications 5 ou 6, dans lequel ledit au moins un appendice aérodynamique comporte une ogive centrale (8).
8. Stator de machine électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit bobinage est disposé entre ledit support cylindrique (7) et ladite couronne (12) formée par ladite pluralité de segments de stator (1 ).
9. Stator de machine électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit stator (1 1 ) comporte en outre un manchon tubulaire (6) lié à l’extrémité de ladite barre verticale du T (2) desdits segments de stator (1 ).
10. Stator de machine électrique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit stator (1 1 ) comporte en outre une culasse autour de ladite couronne formée par ladite pluralité de segments de stator (1 ).
1 1. Machine électrique comprenant un rotor et un stator (1 1 ) selon l’une des revendications précédentes.
12. Association d’un compresseur électrique avec une machine électrique selon la revendication 1 1 , ladite machine électrique entraînant ledit compresseur, de préférence, le fluide destiné audit compresseur passe au travers du stator de ladite machine électrique.
13. Association d’une turbine électrique avec une machine électrique selon la revendication 1 1 , ladite machine électrique étant entraînée par ladite turbine.
14. Association d’un turbocompresseur électrique avec une machine électrique selon la revendication 1 1 , ledit turbocompresseur étant reliée audit turbocompresseur, de préférence, le fluide destiné au compresseur dudit turbocompresseur passe au travers du stator de ladite machine électrique.
15. Procédé de fabrication d’un stator (1 1 ) de machine électrique selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel on met en œuvre les étapes suivantes : a) on réalise ledit bobinage dudit stator sur la partie extérieure dudit support cylindrique (7) ou d’un support plan élastique ; b) on insère lesdits segments de stator (1 ) dans les orifices radiaux dudit support cylindrique ; et
c) on forme ladite couronne (12) par assemblage desdits segments de stator (1 ).
16. Procédé de fabrication d’un stator de machine électrique selon la revendication 15, dans lequel le procédé comporte une étape supplémentaire de fixation d’un manchon tubulaire (6) sur l’extrémité de la barre verticale du T (2) desdits segments de stator (1 ).
17. Procédé de fabrication d’un stator d’une machine électrique selon l’une des revendications 15 ou 16, dans lequel le procédé comporte une étape supplémentaire d’insertion de ladite couronne (12) dans une culasse.
18. Procédé de fabrication d’un stator d’une machine électrique selon l’une des revendications 15 à 17, dans lequel on forme ladite couronne (12) par assemblage des segments de stator (1 ) et par déformation dudit support plan élastique.
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