WO2021038168A1 - Machine à bobinage toroïdal - Google Patents

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WO2021038168A1
WO2021038168A1 PCT/FR2020/051501 FR2020051501W WO2021038168A1 WO 2021038168 A1 WO2021038168 A1 WO 2021038168A1 FR 2020051501 W FR2020051501 W FR 2020051501W WO 2021038168 A1 WO2021038168 A1 WO 2021038168A1
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outer casing
cylindrical outer
stator
coil
electric machine
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PCT/FR2020/051501
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Inventor
Stéphane TAVERNIER
Gaël ANDRIEUX
Original Assignee
Moving Magnet Technologies
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Priority to US17/753,354 priority patent/US20220311289A1/en
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Definitions

  • the present invention relates to the field of brushless permanent magnet electrical machines constituted by a yoke consisting of modules forming a structure with a polygonal or circular cross section and receiving toroidal coils surrounding the arms of this structure.
  • a rotor comprising a diametrical cylindrical magnet interacts with the rotating magnetic field produced by the electric coils.
  • This type of electric machine is distinguished from other notch machines having a wound yoke creating field lines between pole teeth.
  • These toroidal structures are particularly favorable for motors rotating at high speed, by minimizing the residual torque (without current) and the various iron losses at the stator and at the rotor due to the absence of teeth near the rotating magnet and a larger magnetic air gap.
  • the American patent application US2012128512 is known in the state of the art, describing a high-speed polyphase motor for a turbocharger, comprising a stator and a rotor.
  • the rotor is fitted with a turbine.
  • the stator comprises a ferromagnetic core and a coil, said coil being constructed as a series of coils which are torically wound around the core of the stator and which are physically separated to form an open space.
  • a shell is constructed so as to create an additional open space between said stator core and said shell, this open space being composed a cooling channel confined inside by said rotor and the heart of the stator.
  • EP0754365 describing an electric motor, comprising: a bore sealing tube; a single rotor having a pair of identical coaxial cylindrical bipolar permanent magnet sections disposed within the bore seal tube; a non-magnetic retaining ring disposed within the bore seal tube; a pair of nonmagnetic tipped shafts disposed within the bore seal tube and supported by the nonmagnetic retaining ring, each of said nonmagnetic tipped shafts being disposed on one end of a corresponding permanent magnet section of the pair of said sections; a non-magnetic separator disposed within the bore seal tube for axially separating and positioning the pair of permanent magnet sections; the non-magnetic retaining ring surrounding and retaining the permanent magnetized sections, the tipped shafts and the non-magnetic separator; a pair of stators, each of which is disposed outside the bore seal tube in operative relationship with a corresponding magnetized section of the pair of said sections; a retainer surrounding the pair of stators; and said
  • Patent application US2018175706 describes a stator assembly used to be assembled to form a stator core.
  • the stator assembly includes a tooth and a yoke. A end of the tooth is connected to the yoke.
  • the caliper has an inner side, an outer side, a first mating side and a second mating side.
  • the first mating side further includes a first engaging structure
  • the second mating side further includes a second engaging structure.
  • the second commitment structure corresponds to the first commitment structure.
  • the outer side has a groove.
  • the groove has a side surface and a bottom surface. An angle is defined between the side surface and the bottom surface, and the angle is in a range of 135 ° to 165 °.
  • Japanese patent application JPS5970154 describes another example of a motor which can be simply assembled and disassembled by winding a toroidal winding on a stator core after having mounted a non-magnetic spacer ring on the core.
  • the two parts of the split core are formed with insulating layers on the inner periphery of a slot and on both the upper and lower end surfaces.
  • Spacer rings split similarly to the split parts of the core are respectively mounted on the outer radius surfaces of the cores. After the rings are fitted, a toroidal winding is formed on a yoke for each slot at all the cores.
  • the split cores are glued in a circular shape, a steel plate frame is mounted on the outer periphery of the protrusion of the rings to complete a stator.
  • Patent application US2002089242 describes an electrical machine which comprises a stator core having first and second ends and having windings therein with end turns of the windings protruding from the first and second ends of the stator core.
  • a rotor is rotatably positioned within the stator core.
  • First and second sets of rolled aluminum rings are positioned against the first and second ends, respectively, of the stator core in contact with The box.
  • a thermally conductive potting material is positioned between the end turns and the respective first and second ring assemblies at the first and second ends of the stator core, thereby creating heat dissipation paths from the end turns, through the potting material and the ring assemblies to the housing.
  • the solutions of the prior art nevertheless present sources of noise pollution by the magnetic noise produced at the level of the gaskets of the cylinder head, for example by the forced circulation of a fluid between thin strips of material.
  • the heat dissipation is furthermore far from being sufficient when the machine must supply a power of several kilowatts in a small diameter (typically less than 100 mm), by the fact that the electrical conductors have a small surface area for exchange with the medium. exterior (housing or flange).
  • manufacture and assembly of electric machines according to the state of the art are relatively complex, in particular their integration into the external environment.
  • the calories of the wound stator are evacuated by fins dissipating the heat in a tubular cooling space, by convection in the air, which does not make it possible to ensure sufficient efficiency, or requires the circulation of an air flow in this tubular space.
  • the present invention aims to respond to these drawbacks.
  • it relates according to its most general meaning to an electric machine comprising a cylinder head supporting N toroidal coils, and a central rotor comprising a permanent magnet,
  • said yoke consisting of a plurality of stator modules having at least one core in a soft ferromagnetic material supporting at least one coil, characterized in that
  • stator modules have at the front ends of said cores complementary mating surfaces ensuring magnetic and mechanical continuity
  • - Said machine further comprises: a cylindrical outer casing made of a thermally conductive material,
  • solid and solid longitudinal ribs means a projecting part, forming a block of material or by a bundle of rolled sheets forming a block without empty space.
  • said yoke consists of N / 2 stator modules having two stator cores in a soft ferromagnetic material called arms,
  • each of said arms supporting a coil, • said arms having at their front ends areas of complementary assemblies ensuring magnetic continuity.
  • said stator modules have two stator cores made of a soft ferromagnetic material extending on either side of a solid and massive rib directed on the side opposite to said rotor and coming into contact with the inner surface of said cylindrical outer casing in a thermally conductive material.
  • Said cylindrical outer casing can then be made of a thermally conductive material having ribs extending radially, the front end of which comes into contact with said stator cores made of a soft ferromagnetic material, at the level of the intersection of two adjacent arms.
  • the multiple longitudinal links, or longitudinal ribs, ensuring thermal conduction between the cylinder head and the cylindrical outer casing are solid and massive.
  • the term “full and massive” is understood to mean that these connections do not consist of multiple layers of material separated by air layers, but have a continuity of material so as to promote thermal conductivity between the yoke supporting the coils and the outer casing.
  • these longitudinal links can be made of a single-piece material, of an assembly of several single-piece elements, or of a stack of sheets.
  • said ribs and / or said front ends have a chamfer to allow the forced introduction of said cylinder head into said cylindrical outer casing and / or are in contact with the lateral ends of two consecutive stator modules to ensure the positioning of said stator modules. constituting said cylinder head.
  • said yoke consists of N stator modules each having a stator core in a soft ferromagnetic material supporting a coil whose turns are arranged in planes forming an increasing angle on either side of the median transverse plane. of said coil,
  • stator cores having at their front ends areas of complementary assemblies ensuring magnetic continuity
  • said machine further comprising a cylindrical outer casing having N longitudinal ribs, the front inner surface of which comes into contact with the outer surface of the connection zone of two adjacent stator cores, in order to ensure the mechanical wedging of said yoke relative to to said outer casing and thermal conduction of calories from said cylinder head to said cylindrical outer casing.
  • a stack of sheets in the axial direction and made of a non-magnetic material but which is a better thermal conductor than air is arranged at the interface between the casing and said coil, said stack of sheets preferably being in contact with said outer casing and said coil.
  • a thermally conductive material is placed at the interface between the outer casing and said coil, said thermally conductive material preferably being in contact with said outer casing and said coil.
  • Figure 1 shows a cross-sectional view of a first embodiment
  • FIG. 2 represents a view in cross section of a first variant embodiment
  • FIG. 3 represents a view in cross section of a second variant embodiment
  • FIG. 4 represents a cross-sectional view of a third variant embodiment
  • FIG. 5 represents a view in cross section of a fourth variant embodiment
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of a fifth alternative embodiment.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of a sixth variant embodiment.
  • the invention relates to a configuration of a stator comprising a yoke formed of several modules, all identical.
  • Each stator module has at least one stator core (218) extending perpendicular to a radius passing through the middle of this stator core (218), and which is surrounded by a coil
  • This stator core (218) is mechanically and thermally coupled to a cylindrical outer casing (200) surrounding the stator by means of solid and solid longitudinal links, of rectangular cross section, extending over the entire length of the stator between: a ) the inner surface of the cylindrical outer casing (200) and b) the junction zone of two stator cores (218, 226).
  • the longitudinal connections are therefore solid and massive, possibly laminated, so as to maximize the thermal conductivity between the yoke of the stator and the cylindrical outer casing (200).
  • the cylindrical outer casing (200) is then itself associated with a cooled housing, with fins, or directly ensures the evacuation of heat to the outside of the engine.
  • connection between the stator modules and the cylindrical outer casing (200) is made either by continuity of the material or by a tight fit ensuring direct contact of the ferromagnetic material.
  • stator modules are formed by a core surrounded by its coil, the longitudinal links then being monolithic ribs extending the inner surface of the cylindrical outer casing ( 200), these ribs having a longitudinal groove in which the outer edges of two consecutive stator cores (218, 226) fit without play, or
  • the stator modules have a "Y" cross section, the foot then forming the longitudinal connection, the front surface of which bears tight against the inner surface of the cylindrical outer casing (200), and the two arms constituting two stator cores (216, 218) each supporting a coil; the longitudinal front surfaces of the arms of two adjacent stator modules coming into close contact, or
  • the modules have a “U” -shaped cross section, the two branches of the “U” then forming the solid and massive longitudinal connection, the front surface of which bears tight against the inner surface of the cylindrical casing (200), and the zone connecting the two branches of the "U” constituting the core (218) supporting a coil; the longitudinal front surfaces of the arms of two adjacent stator modules coming into close contact, or
  • the assembly can be assembled by longitudinal sliding of the stator modules provided with the coils (211, 261, 227, 231, 241, 251) in the cylindrical outer casing (200), with a clearance-free assembly after positioning of the modules.
  • Figure 1 shows a cross-sectional view of a first embodiment.
  • the electric machine comprises a rotor (100) with a diametrically magnetized tubular magnet, coated with a hoop (not visible) to prevent the stripping of particles under the effect of centrifugal force for high speed machines.
  • stator comprising toroidal coils (211, 261; 227, 231; 241, 251) and a cylinder head in the form of a set of three longitudinal stator modules (215, 225, 245), having a "Y" -shaped section, with a rib extended on either side of two stator cores respectively (216, 218; 226, 228; 240, 250), these stator cores being in a soft ferromagnetic material, preferably in a stack of sheets.
  • Each of the stator cores (216, 218, 226, 228, 240, 250) is surrounded by a coil respectively (211, 261; 227, 231; 241, 251).
  • the coils (211, 261, 227, 231, 241, 251) are formed with turns of an electrically conductive material - copper or aluminum for example - the inclination of which varies.
  • the plane (302) formed by the turn at the start of the winding forms an open angle with the radial plane (300). This angle is reduced to become zero for the median turns whose plane coincides with the radial plane (300), then this angle between the plane of the coil and the radial plane (300) increases again - in the opposite direction - to the end of the winding, where the angle of the coil (303) again exhibits an open angle with respect to the plane radial (300).
  • the section of the winding is not identical inside and outside the stator, on either side of the stator cores (216, 218; 226, 228; 240, 250). Indeed, to optimize the overall volume of the machine but also to optimize the performance of the motor, the turns outside the stator cores (216, 218; 226, 228; 240, 250) are distributed over the entire length of the polygonal side. form. This configuration makes it possible to maximize the volume of copper in the winding while limiting the outside diameter of the machine and its volume.
  • the setting of the stator modules relative to the cylindrical casing (200) is ensured, in this embodiment, by the outer shape of the front surface of the longitudinal ribs (312, 332, 352) forming the foot of the “Y”, in cross section, which come into contact with the cylindrical outer shell (200).
  • the cylindrical outer casing (200) is generally made of a material having good thermal conduction properties - for example aluminum - which also allows the stator modules (215, 225, 245) to conduct the heat flux produced by the coils (211, 261, 227, 231, 241, 251) during machine operation.
  • the setting of the stator modules relative to the cylindrical outer casing (200) is provided on the one hand by longitudinal ribs (212, 232, 252) extending the inner surface of the cylindrical outer shell (200), and having an inner rim configured to receive the outer surface of the connection area of two adjacent stator modules.
  • the longitudinal ribs (212, 232, 252) have a "V" groove (213, 233, 253) in which the edge formed by two adjacent stator cores (216, 250; 218, 226; 228, 240) can slide longitudinally during assembly, and ensure the wedging after installation inside the cylindrical outer casing (200).
  • the setting is also provided by the outer longitudinal surface of the three stator modules (215, 225, 245), having a rounded contact surface, with a radius of curvature corresponding to the radius of curvature of the inner surface of the casing cylindrical outer (200).
  • stator modules (215, 225, 245) and the cylindrical outer casing (200) and between the longitudinal ribs (212, 232, 252) and the edges of the stator cores (218, 226, 228, 240, 250, 216) provide mechanical wedging and thermal conduction bridges making it possible to evacuate the calories produced by the electrical coils (211, 261, 227, 231, 241, 251) of the machine.
  • Figure 3 shows a cross-sectional view of an embodiment which differs from the previous ones in that it comprises only longitudinal ribs (212, 312, 232, 332, 252, 352) radially extending the cylindrical outer casing ( 200), as wedging elements and thermal contact between the cylindrical outer casing (200) and the stator cores (218, 226, 228, 240, 250, 216) which do not have ribs.
  • the end of the ribs (212, 312, 232, 332, 252, 352) advantageously have a chamfer to facilitate relative positioning at the time of assembly.
  • the stator yoke can be inserted by axial sliding in the cylindrical outer casing (200), the connection areas of the stator cores (216, 218, 226, 228, 240, 250) sliding in the "V" grooves (213 , 313, 233, 333, 253, 353) of the longitudinal ribs (212, 312, 232, 332, 252, 352).
  • FIGS. 4 to 6 show alternative embodiments with the aim of improving the heat dissipation performance of the machine towards the cylindrical outer casing (200).
  • a stack of sheets (400, 410, 420, 430, 440, 450, 401) made of aluminum.
  • the thermal conduction is thus maximized without disturbing the operation of the machine, since the stacking of the sheets (400, 410, 420, 430, 440, 450, 401) in the axial direction, direction perpendicular to the majority of the magnetic field lines of the motor, will limit the development of induced currents and therefore losses.
  • the shape of these stacks of sheets (400, 410, 420, 430, 440, 450, 401) can vary. In the first example of figure 4, the shape matches the coils as closely as possible (211, 261, 227, 231, 241, 251) and the stator cores (216, 218, 226, 228, 240, 250). These stacks of sheets (400, 410, 420, 430, 440, 450) have the shape of an arcuate blade to allow them to fit between two consecutive ribs, against the inner surface of the cylindrical outer casing (200). The stack of sheets (400) is as close as possible to the coils, the source of heat dissipation.
  • the stack of sheets (401) forms a ring which is housed coaxially inside the cylindrical casing (200).
  • This ring of sheets has ribs (212, 312, 232, 332, 252, 352) ensuring the mechanical setting of the stator and the transmission of heat between the yoke of the stator supporting the coils and the cylindrical outer casing (200).
  • the stack of sheets (400, 410, 420, 430, 440, 450) have the form of longitudinal blades inserted locally between the casing (200) and the coils.
  • the ribs (212, 312, 232, 332, 252, 352) are, as in the example of Figure 3, internal extensions of the cylindrical casing (200).
  • the invention is not limited to the use of aluminum sheets.
  • the stacking of sheets can be made of another material, benefiting from better thermal conductive properties than air.
  • any solid material can be used as long as it is a better thermal conductor than air and that it is non-magnetic and electrical insulating, or with poor magnetic and electrical properties relative to iron.
  • Figure 7 shows a cross-sectional view of an embodiment which differs from the previous ones in that the stator cores (218, 226, 228, 240, 250, 216) are extended at each end by an extension (412, 562; 422, 512; 432, 522, 442, 532; 452, 542; 462, 552) giving to said stator cores a "U" shape. Pairs of said extensions (412, 512; 422, 522; 432, 532, 442, 542; 452, 552; 462, 562) of two separate stator cores are assembled to form the longitudinal ribs as wedging elements and thermal contact between the 'cylindrical outer shell (200) and the various stator cores (218, 226, 228, 240, 250, 216).
  • stator yoke can be inserted by axial sliding in the casing, the ribs having at their radial end shapes complementary to the cylindrical outer casing (200).

Abstract

L'invention présente une machine électrique comportant une culasse supportant N bobines toroïdales et un rotor central comportant un aimant permanent. La culasse est constituée d'une pluralité de modules statoriques comportant au moins un noyau statorique en un matériau ferromagnétique doux supportant au moins une bobine. Les noyaux statoriques présentent à leurs extrémités frontales des surfaces d'accouplement complémentaires assurant une continuité magnétique et mécanique. Cette machine comporte en outre - une enveloppe extérieure cylindrique en un matériau conducteur thermique, - une pluralité de nervures longitudinales pleines et massives s'étendant radialement et positionnées entre ladite enveloppe extérieure cylindrique et lesdits modules statoriques, afin d'assurer le positionnement mécanique de ladite culasse par rapport à ladite enveloppe extérieure et favoriser une conduction thermique des calories de ladite culasse vers ladite enveloppe extérieure.

Description

Description
Titre : Machine à bobinage toroïdal
Domaine de 1'invention
La présente invention concerne le domaine des machines électriques à aimant permanent sans balais constituées par une culasse constituée de modules formant une structure à section transversale polygonale ou circulaire et recevant des bobines toroïdales entourant les bras de cette structure.
Un rotor comportant un aimant cylindrique diamétral interagit avec le champ magnétique tournant produit par les bobines électriques. Ce type de machine électrique se distingue des autres machines à encoches ayant une culasse bobinée créant des lignes de champs entre des dents polaires. Ces structures toroïdales sont particulièrement favorables pour des moteurs tournant à grande vitesse, par la minimisation du couple résiduel (sans courant) et des différentes pertes fer au stator et au rotor du fait de l'absence de dents à proximité de l'aimant tournant et d'un entrefer magnétique plus important.
État de la technique On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet américain US2012128512 décrivant un moteur polyphasé à grande vitesse pour turbocompresseur, comprenant un stator et un rotor. Le rotor est muni d'une turbine. Le stator comprend un cœur ferromagnétique et un bobinage, ledit bobinage étant construit comme une série de serpentins qui sont enroulés de manière torique autour du cœur du stator et qui sont physiquement séparés pour former un espace ouvert. Une coque est construite de manière à créer un espace ouvert supplémentaire entre ledit cœur du stator et ladite coque, cet espace ouvert étant composé d'un canal de refroidissement confiné à l'intérieur par ledit rotor et le cœur du stator.
On connaît aussi la demande de brevet européen EP0754365 décrivant un moteur électrique, comprenant : un tube d'étanchéité à alésage; un rotor unique comportant une paire de sections aimantées permanentes bipolaires cylindriques coaxiales identiques disposées à l'intérieur du tube d'étanchéité à alésage; une frette de retenue amagnétique disposée à 1'intérieur du tube d'étanchéité à alésage; une paire d'arbres à bout amagnétiques disposés à l'intérieur du tube d'étanchéité à alésage et supportés par la frette de retenue amagnétique, chacun desdits arbres à bout amagnétiques étant disposé sur une extrémité d'une section aimantée permanente correspondante de la paire desdites sections; un séparateur amagnétique disposé à 1'intérieur du tube d'étanchéité à alésage pour séparer et positionner axialement la paire de sections aimantées permanentes; la frette de retenue amagnétique entourant et retenant les sections aimantées permanentes, les arbres à bout et le séparateur amagnétique; une paire de stators, dont chacun est disposé à l'extérieur du tube d'étanchéité à alésage en relation fonctionnelle avec une section aimantée correspondante de la paire desdites sections; un dispositif de retenue entourant la paire de stators; et ledit dispositif de retenue et ledit tube d'étanchéité à alésage coopérant pour retenir la paire de stators en relation fonctionnelle avec les sections aimantées correspondantes dudit rotor unique, lesdites sections aimantées et lesdits stators correspondants étant ainsi retenus en tandem pour fournir la configuration redondante de moteur électrique.
La demande de brevet US2018175706 décrit un ensemble de stator utilisé pour être assemblé pour former un noyau de stator. L'ensemble stator comprend une dent et un joug. Une extrémité de la dent est reliée au joug. L'étrier a un côté intérieur, un côté extérieur, un premier côté d'accouplement et un second côté d'accouplement. Le premier côté d'accouplement comprend en outre une première structure d'engagement, et le second côté d 'accouplement comprend en outre une seconde structure d'engagement. La seconde structure d'engagement correspond à la première structure d'engagement. Le côté extérieur a une rainure. La rainure a une surface latérale et une surface inférieure. Un angle est défini entre la surface latérale et la surface inférieure, et l'angle est dans une plage de 135 ° à 165 °.
La demande de brevet japonaise JPS5970154 décrit un autre exemple de moteur qui peut être simplement assemblé et démonté en enroulant un enroulement toroïdal sur un noyau de stator après avoir monté une bague entretoise non magnétique sur le noyau. Les deux parties du noyau fendu sont formés avec des couches isolantes sur la périphérie interne d'une fente et à la fois sur les surfaces d'extrémité supérieure et inférieure. Des anneaux d'écartement fendus de manière similaire aux parties fendues du noyau sont respectivement montés sur les surfaces de rayon extérieur des noyaux. Après le montage des anneaux, un enroulement toroïdal est formé sur une culasse pour chaque fente au niveau de tous les noyaux. Une fois l'enroulement terminé, les noyaux fendus sont collés selon une forme circulaire, un cadre en plaque d'acier est monté sur la périphérie extérieure de la saillie des anneaux pour compléter un stator.
La demande de brevet US2002089242 décrit une machine électrique qui comprend un noyau de stator ayant des première et seconde extrémités et ayant des enroulements à 1'intérieur avec des spires d'extrémité des enroulements faisant saillie des première et seconde extrémités du noyau de stator. Un rotor est positionné de manière rotative à 1'intérieur du noyau de stator. Des premier et second ensembles d'anneaux en aluminium laminé sont positionnés contre les première et seconde extrémités, respectivement, du noyau de stator en contact avec le boîtier. Un matériau d'enrobage thermo-conducteur est positionné entre les spires d'extrémité et les premier et second assemblages d'anneaux respectifs aux première et seconde extrémités du noyau de stator, créant ainsi des chemins de dissipation thermique depuis les spires d'extrémité, à travers le matériau d'enrobage et les ensembles annulaires jusqu'au boîtier.
Inconvénients des solutions de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur présentent néanmoins des sources de nuisances sonores par le bruit magnétique produit au niveau des joints de la culasse, par exemple par la circulation forcée d'un fluide entre de fines lames de matière. La dissipation thermique est de plus loin d'être suffisante lorsque la machine doit fournir une puissance de plusieurs kilowatts dans un faible diamètre (typiquement inférieur à 100 mm), par le fait que les conducteurs électriques présentent une faible surface d'échange avec le milieu extérieur (boîtier ou flasque). Par ailleurs, la fabrication et l'assemblage des machines électriques selon l'état de l'art sont relativement complexes, notamment leur intégration dans l'environnement extérieur.
Dans la solution proposée par le brevet US2012128512 en particulier, les calories du stator bobiné sont évacuées par des ailettes dissipant la chaleur dans un espace tubulaire de refroidissement, par convection dans l'air, ce qui ne permet pas d'assurer une efficacité suffisante, ou nécessite la circulation d'un flux d'air dans cet espace tubulaire.
Solution apportée par l'invention
La présente invention vise à répondre à ces inconvénients. A cet effet elle concerne selon son acception la plus générale une machine électrique comportant une culasse supportant N bobines toroïdales, et un rotor central comportant un aimant permanent,
• ladite culasse étant constituée d'une pluralité de modules statoriques présentant au moins un noyau en un matériau ferromagnétique doux supportant au moins une bobine, caractérisée en ce que
• lesdits modules statoriques présentent aux extrémités frontales desdits noyaux des surfaces d'accouplement complémentaires assurant une continuité magnétique et mécanique,
- ladite machine comporte en outre :une enveloppe extérieure cylindrique en un matériau conducteur thermique,
- une pluralité de nervures longitudinales pleines et massives s'étendant radialement et positionnées entre ladite enveloppe extérieure cylindrique et lesdits modules statoriques, afin d'assurer le positionnement mécanique de ladite culasse par rapport à ladite enveloppe extérieure cylindrique et favoriser une conduction thermique des calories desdits modules statoriques vers ladite enveloppe extérieure cylindrique.
On entend par « nervures longitudinales pleines et massives » au sens du présent brevet une partie saillante, formant un bloc de matériau ou par un paquet de tôles laminées formant un bloc sans espace vide.
Dans un mode de réalisation,
• ladite culasse est constituée de N/2 modules statoriques présentant deux noyaux statoriques en un matériau ferromagnétique doux appelés bras,
• lesdits deux bras s'étendant symétriquement par rapport à un plan médian radial,
• chacun desdits bras supportant une bobine, • lesdits bras présentant à leurs extrémités frontales des zones d'assemblages complémentaires assurant une continuité magnétique .
Alternativement, lesdites modules statoriques présentent deux noyaux statoriques en un matériau ferromagnétique doux s'étendant de part et d'autre d'une nervure pleine et massive dirigée du côté opposé audit rotor et venant en contact avec la surface intérieur de ladite enveloppe extérieure cylindrique en un matériau conducteur thermique.
Ladite enveloppe extérieure cylindrique peut alors être en un matériau conducteur thermique présentant des nervures s'étendant radialement, dont l'extrémité frontale vient en contact avec lesdits noyaux statoriques en un matériau ferromagnétique doux, au niveau de l'intersection de deux bras adjacents.
De manière générale, les multiples liaisons longitudinales, ou nervures longitudinales, assurant la conduction thermique entre la culasse et l'enveloppe extérieure cylindrique, sont pleines et massives. On entend par pleines et massives que ces liaisons ne sont pas constituées de multiples lames de matière séparées par des lames d'air, mais présentent une continuité de matière de manière à favoriser la conductivité thermique entre la culasse supportant les bobines et l'enveloppe extérieure. A titre d'exemple, ces liaisons longitudinales peuvent être constituées d'un matériau monobloc, d'un assemblage de plusieurs éléments monoblocs, ou d'un empilement de tôles. Ces exemples ne sont toutefois pas limitatifs de l'invention, et toute conception qu'envisagerait l'homme de métier pour favoriser le drainage des calories de la culasse par les liaisons longitudinales de manière à les évacuer vers l'enveloppe extérieure est envisagé. A contrario, une conception visant à évacuer les calories directement par les liaisons longitudinales, par conduction avec un fluide ou convection naturelle ou forcée, n'est pas un effet recherché. Ainsi, si la liaison longitudinale est constituée de multiples éléments radiaux légèrement séparées d'une lame d'air, ceci ne confère pas un avantage pour l'évacuation des calories par rapport à l'effet revendiqué.
Optionnellement, lesdites nervures et/ou lesdites extrémités frontales présentent un chanfrein pour permettre l'introduction en force de ladite culasse dans ladite enveloppe extérieure cylindrique et/ou sont en contact avec les extrémités latérales de deux modules statoriques consécutifs pour assurer le positionnement desdits modules statoriques constitutifs de ladite culasse.
Dans un mode de réalisation alternatif, ladite culasse est constituée de N modules statoriques présentant chacun un noyau statorique en un matériau ferromagnétique doux supportant une bobine dont les spires sont disposées dans des plans formant un angle croissant de part et d'autre du plan transversal médian de ladite bobine,
- lesdits noyaux statoriques présentant à leurs extrémités frontales des zones d'assemblages complémentaires assurant une continuité magnétique,
- ladite machine comportant en outre une enveloppe extérieure cylindrique présentant N nervures longitudinales, dont la surface intérieure frontale vient en contact avec la surface extérieure de la zone de raccordement de deux noyaux statoriques adjacents, afin d'assurer le calage mécanique de ladite culasse par rapport à ladite enveloppe extérieure et une conduction thermique des calories de ladite culasse vers ladite enveloppe extérieure cylindrique.
Dans un autre mode de réalisation un empilement de tôles dans le sens axial et en un matériau amagnétique mais meilleur conducteur thermique que l'air est disposé à l'interface entre l'enveloppe et ladite bobine, ledit empilement de tôles étant préférentiellement en contact avec ladite enveloppe extérieure et ladite bobine.
Dans une variante, un matériau conducteur thermique est disposé à l'interface entre l'enveloppe extérieure et ladite bobine, ledit matériau conducteur thermique étant préférentiellement en contact avec ladite enveloppe extérieure et ladite bobine.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
[FIG. 1]la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un premier mode de réalisation,
[FIG. 2]la figure 2 représente une vue en coupe transversale d'une première variante de réalisation,
[FIG. 3]la figure 3 représente une vue en coupe transversale d'une deuxième variante de réalisation,
[FIG. 4]la figure 4 représente une vue en coupe transversale d'une troisième variante de réalisation,
[FIG. 5]la figure 5 représente une vue en coupe transversale d'une quatrième variante de réalisation,
[FIG. 6]la figure 6 représente une vue en coupe transversale d'une cinquième variante de réalisation.
[FIG. 7]la figure 7 représente une vue en coupe transversale d'une sixième variante de réalisation.
Principe général de l'invention
L'invention concerne une configuration d'un stator comportant une culasse formée de plusieurs modules, tous identiques. Chaque module statorique présente au moins un noyau statorique (218) s'étendant perpendiculairement à un rayon passant par le milieu de ce noyau statorique (218), et qui est entouré d'une bobine
(211).
Ce noyau statorique (218) est accouplé mécaniquement et thermiquement à une enveloppe extérieure cylindrique (200) entourant le stator par l'intermédiaire de liaisons longitudinales pleines et massives, de section transversale rectangulaire, s'étendant sur toute la longueur du stator entre : a) la surface intérieure de l'enveloppe extérieure cylindrique (200) et b) la zone de jonction de deux noyaux statoriques (218, 226).
Ces liaisons longitudinales assurent une double fonction :
- de calage mécanique des modules statoriques par rapport à l'enveloppe extérieure cylindrique (200)
- de transmission thermique de la chaleur produite par les bobines (211) vers l'enveloppe extérieure cylindrique (200). Les liaisons longitudinales sont donc pleines et massives, éventuellement laminées, de manière à maximiser la conductivité thermique entre la culasse du stator et l'enveloppe extérieure cylindrique (200). L'enveloppe extérieure cylindrique (200) est alors elle-même associée à un boîtier refroidi, à des ailettes, ou assure directement l'évacuation des calories vers l'extérieur du moteur.
A cet effet, la liaison entre les modules statoriques et l'enveloppe extérieure cylindrique (200) se fait soit par continuité de la matière, soit par un ajustement serré assurant un contact direct de la matière ferromagnétique.
La description qui suit illustre différentes alternatives de réalisation basées sur ce principe général, où : - les modules statoriques sont formés par un noyau entouré de sa bobine, les liaisons longitudinales étant alors des nervures monolithiques prolongeant la surface intérieure de l'enveloppe extérieure cylindrique (200), ces nervures présentant une rainure longitudinale dans laquelle viennent s'encastrer les bords extérieurs de deux noyaux statoriques (218, 226) consécutifs, sans jeu, ou
- les modules statoriques présentent une section transversale en « Y », le pied formant alors la liaison longitudinale dont la surface frontale vient en appui serré contre la surface intérieure de l'enveloppe extérieure cylindrique (200) , et les deux bras constituant deux noyaux statoriques (216, 218) supportant chacun une bobine ; les surfaces frontales longitudinales des bras de deux modules statoriques adjacents venant en contact serré, ou
- les modules présentent une section transversale en « U », les deux branches du « U » formant alors la liaison longitudinale pleine et massive dont la surface frontale vient en appui serré contre la surface intérieure de l'enveloppe cylindrique (200) , et la zone reliant les deux branches du « U » constituant le noyau (218) supportant une bobine ; les surfaces frontales longitudinales des bras de deux modules statoriques adjacents venant en contact serré, ou
- un mix de ces deux solutions, avec alternativement une configuration en « Y » et une nervure formée sur l'enveloppe extérieure cylindrique (200) et plus généralement toute configuration assurant : a) une continuité ou un assemblage sans jeu et avec une continuité ferromagnétique, thermique et mécanique entre les extrémités frontales longitudinales des noyaux (218) ; b) une continuité ou un assemblage sans jeu et avec une continuité thermique et mécanique entre les zones de jonctions frontales longitudinales de deux noyaux statoriques (218, 226) consécutifs et l'enveloppe extérieure cylindrique (200).
L'ensemble pouvant être assemblé par glissement longitudinal des modules statoriques munis des bobines (211, 261, 227, 231, 241, 251) dans l'enveloppe extérieure cylindrique (200), avec un assemblage sans jeu après positionnement des modules.
Description détaillée d'un premier mode de réalisation
La figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un premier mode de réalisation.
La machine électrique comprend un rotor (100) avec un aimant tubulaire aimanté diamétralement, revêtu d'une frette (non visible) pour éviter l'arrachage de particules sous l'effet de la force centrifuge pour des machines à haute vitesse.
Elle comprend une enveloppe extérieure cylindrique (200) métallique, fabriquée par exemple par moulage, fonderie ou encore par profilage, entourant un stator comprenant des bobines toroïdales (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251) et une culasse sous la forme d'un ensemble de trois modules statoriques (215, 225, 245) longitudinaux, présentant une section en forme de « Y », avec une nervure prolongée de part et d'autre de deux noyaux statoriques respectivement (216, 218 ; 226, 228 ; 240, 250), ces noyaux statoriques étant en une matière ferromagnétique douce, préférentiellement en un empilement de tôles. Chacun des noyaux statoriques (216, 218, 226, 228, 240, 250) est entourée par une bobine respectivement (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251).
Les bobines (211, 261, 227, 231, 241, 251) sont formées avec des spires en une matière électriquement conductrice -cuivre ou aluminium par exemple- dont l'inclinaison varie. Le plan (302) formé par la spire au début de l'enroulement forme un angle ouvert avec le plan radial (300). Cet angle se réduit pour devenir nul pour les spires médianes dont le plan est confondu avec le plan radial (300), puis cet angle entre le plan de la spire et le plan radial (300) augmente de nouveau - en sens opposé- jusqu'à l'extrémité de l'enroulement, où l'angle de la spire (303) présente à nouveau un angle ouvert par rapport au plan radial (300). Par ailleurs, la section du bobinage n'est pas identique à l'intérieur et à l'extérieur du stator, de part et d'autre des noyaux statoriques (216, 218 ; 226, 228 ; 240, 250). En effet, pour optimiser le volume global de la machine mais aussi optimiser les performances du moteur, les spires à l'extérieur des noyaux statoriques (216, 218 ; 226, 228 ; 240, 250) sont réparties sur toute la longueur de côté polygonal formé. Cette configuration permet de maximiser le volume de cuivre du bobinage tout en limitant le diamètre extérieur de la machine et son volume.
Le calage des modules statoriques par rapport à l'enveloppe cylindrique (200) est assuré, dans ce mode de réalisation, par la forme extérieure de la surface frontale des nervures longitudinales (312, 332, 352) formant le pied du « Y », en coupe transversale, qui viennent en contact avec l'enveloppe extérieure cylindrique (200). L'enveloppe extérieure cylindrique (200) est généralement en un matériau présentant de bonnes propriétés de conduction thermique -par exemple en aluminium-, ce qui permet aussi aux modules statoriques (215, 225, 245) de conduire le flux thermique produit par les bobines(211, 261, 227, 231, 241, 251) lors du fonctionnement de la machine.
Description détaillée d'une deuxième variante de réalisation
Dans le mode de réalisation illustré en figure 2, le calage des modules statoriques par rapport à l'enveloppe extérieure cylindrique (200) est assuré d'une part par des nervures longitudinales (212, 232, 252) prolongeant la surface intérieure de l'enveloppe extérieure cylindrique (200), et présentant une bordure intérieure configurée pour recevoir la surface extérieure de la zone de raccordement de deux modules statoriques adjacents.
A cet effet, les nervures longitudinales (212, 232, 252) présentent une gorge en « V » (213, 233, 253) dans laquelle l'arête formée par deux noyaux statoriques adjacents (216, 250 ; 218, 226 ; 228, 240) peut coulisser longitudinalement lors de l'assemblage, et assurer le calage après mise en place à l'intérieure de l'enveloppe extérieure cylindrique (200).
Le calage est d'autre part assuré par la surface longitudinale extérieure des trois modules statoriques (215, 225, 245), présentant une surface de contact arrondie, avec un rayon de courbure correspondant au rayon de courbure de la surface intérieure de l'enveloppe extérieure cylindrique (200).
Le contact entre les trois modules statoriques (215, 225, 245) et l'enveloppe extérieure cylindrique (200) et entre les nervures longitudinales (212, 232, 252) et les arêtes des noyaux statoriques (218, 226, 228, 240, 250, 216) assurent un calage mécanique et des ponts de conduction thermique permettant d'évacuer les calories produites par les bobines électriques (211, 261, 227, 231, 241, 251) de la machine.
Description détaillée d'une troisième variante de réalisation
La figure 3 représente une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation qui diffère des précédents en ce qu'il comprend uniquement des nervures longitudinales (212, 312, 232, 332, 252, 352) prolongeant radialement l'enveloppe extérieure cylindrique (200), comme éléments de calage et contact thermique entre l'enveloppe extérieure cylindrique (200) et les noyaux statoriques (218, 226, 228, 240, 250, 216) qui ne présentent pas de nervures.
L'extrémité des nervures (212, 312, 232, 332, 252, 352) présentent avantageusement un chanfrein pour faciliter le positionnement relatif au moment de l'assemblage. Particulièrement, ces nervures (212, 312, 232, 332,
252, 352) présentent des gorges en « V » (213, 313, 233, 333,
253, 353) pour assurer le calage des zones de raccordement de deux noyaux statoriques adjacents.
La culasse du stator peut être insérée par glissement axial dans l'enveloppe extérieure cylindrique (200), les zones de raccordement des noyaux statoriques (216, 218, 226, 228, 240, 250) coulissants dans les gorges en « V » (213, 313, 233, 333, 253, 353) des nervures longitudinales (212, 312, 232, 332, 252, 352).
La transmission thermique est assurée par ces éléments radiaux qui assurent également le calage mécanique de la culasse par rapport à l'enveloppe extérieure cylindrique (200).
Description détaillée d'autres modes de réalisation
Les figures 4 à 6 présentent des variantes de réalisation dans le but d'améliorer les performances de dissipation calorique de la machine vers l'enveloppe extérieure cylindrique (200). Pour ce faire, il est proposé de remplir l'espace libre entre la machine et l'enveloppe extérieure cylindrique (200) avec un matériau conducteur thermique mais amagnétique et minimisant le développement des courants induits lors du fonctionnement de la machine. Dans le présent exemple, il est proposé un empilement de tôles (400, 410, 420, 430, 440, 450, 401) en aluminium. La conduction thermique est ainsi maximisée sans perturber le fonctionnement de la machine, puisque l'empilement des tôles (400, 410, 420, 430, 440, 450, 401) dans le sens axial, sens perpendiculaire à la majorité des lignes de champ magnétique du moteur, limitera le développement des courants induits et donc des pertes.
La forme de ces empilements de tôles (400, 410, 420, 430, 440, 450, 401) peut varier. Dans le premier exemple de la figure 4, la forme épouse au plus près les bobines (211, 261, 227, 231, 241, 251) et les noyaux statoriques (216, 218, 226, 228, 240, 250). Ces empilements de tôles (400, 410, 420, 430, 440, 450) présentent une forme de lame arquée pour leur permettre de se loger entre deux nervures consécutives, contre la surface intérieure de l'enveloppe extérieure cylindrique (200). L'empilement de tôles (400) est au plus près des bobines, source de la dissipation calorique.
Dans un second exemple en figure 5, l'emp cilement de tôles (401) forme une couronne venant se loger de manière coaxiale à l'intérieur de l'enveloppe cylindrique (200). Cette couronne de tôles présente des nervures (212, 312, 232, 332, 252, 352) assurant le calage mécanique du stator et la transmission de la chaleur entre la culasse du stator supportant les bobines et l'enveloppe extérieure cylindrique (200).
Dans un troisième exemple en figure 6, l'empilement de tôles (400, 410, 420, 430, 440, 450) présentent la forme de lames longitudinales insérées localement entre l'enveloppe (200) et les bobines. Les nervures (212, 312, 232, 332, 252, 352) sont, comme dans le cas d'exemple de la figure 3, des prolongements intérieurs de l'enveloppe cylindrique (200).
Ces exemples ne sont pas limitatifs et d'autres variantes peuvent être proposées sans sortir de l'invention.
En effet, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de tôles d'aluminium. L'empilage de tôles peut être réalisé en un autre matériau, bénéficiant de meilleures propriétés conductrices thermiques que l'air. De même, tout matériau massif peut être utilisé du moment qu'il est meilleur conducteur thermique que l'air et qu'il est amagnétique et isolant électrique, ou avec mauvaises propriétés magnétiques et électriques relativement au fer.
Description détaillée d'une variante de réalisation
La figure 7 représente une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation qui diffère des précédents en ce que les noyaux statoriques (218, 226, 228, 240, 250, 216) sont prolongés à chaque extrémité par une extension (412, 562 ; 422, 512 ; 432, 522, 442, 532 ; 452, 542 ; 462, 552) donnant auxdits noyaux statoriques une forme de « U ». Des couples desdites extensions (412, 512 ; 422, 522 ; 432, 532, 442, 542 ; 452, 552 ; 462, 562) de deux noyaux statoriques distincts sont assemblés pour former les nervures longitudinales comme éléments de calage et contact thermique entre l'enveloppe extérieure cylindrique (200) et les différents noyaux statoriques (218, 226, 228, 240, 250, 216).
La culasse du stator peut être insérée par glissement axial dans l'enveloppe, les nervures présentant à leur extrémité radiale des formes complémentaires à l'enveloppe extérieure cylindrique (200). Les extensions (412, 422, 432, 442, 452, 462) et
(512, 522, 532, 542, 552, 562) présentent des formes complémentaires, comme à titre d'exemple une queue d'aronde, coopérant par glissement axial pour solidariser deux noyaux statoriques adjacents.

Claims

Revendications
1 - Machine électrique comportant une culasse supportant N bobines toroïdales (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), et un rotor central (100) comportant un aimant permanent,
• ladite culasse étant constituée d'une pluralité de modules statoriques présentant au moins un noyau (216, 218, 226,
228, 240, 250) en un matériau ferromagnétique doux supportant au moins une bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), caractérisée en ce que
• lesdits modules statoriques présentent aux extrémités frontales desdits noyaux (216, 218, 226, 228, 240, 250) des surfaces d'accouplement complémentaires assurant une continuité magnétique et mécanique,
- ladite machine comporte en outre :une enveloppe extérieure cylindrique (200) en un matériau conducteur thermique,
- une pluralité de nervures longitudinales (212, 312, 232, 332, 252, 352) pleines et massives s'étendant radialement et positionnées entre ladite enveloppe extérieure cylindrique (200) et lesdits modules statoriques, afin d'assurer le positionnement mécanique de ladite culasse par rapport à ladite enveloppe extérieure cylindrique et favoriser une conduction thermique des calories desdits modules statoriques vers ladite enveloppe extérieure cylindrique (200).
2 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que lesdites nervures longitudinales (212, 312, 232, 332, 252, 352) prolongent radialement soit ladite enveloppe extérieure cylindrique (200), soit un desdits modules statoriques en un matériau ferromagnétique doux, soit sont sous la forme d'un matériau conducteur placé à l'interface entre l'enveloppe extérieure cylindrique (200) et les modules statoriques.
3 - Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la bobine est sous la forme de spires enroulées disposées dans des plans formant avec le plan radial un angle croissant de part et d'autre du plan transversal médian de ladite bobine, de sorte à ce que l'épaisseur radiale de la bobine soit plus importante à l'intérieur qu'à l'extérieur de ladite culasse.
4 - Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que
• ladite culasse est constituée de N/2 modules statoriques
(215, 225, 245) en un matériau ferromagnétique doux présentant deux noyaux statoriques (216, 218 ; 226, 228 ; 240, 250) appelés bras,
• lesdits deux bras s'étendant symétriquement par rapport à un plan médian radial,
• chacun desdits bras supportant une bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251),
• lesdits bras présentant à leurs extrémités frontales des zones d'assemblages complémentaires assurant une continuité magnétique .
5 - Machine électrique selon la revendication 4 caractérisée en ce que lesdites modules statoriques en un matériau ferromagnétique doux présentent deux noyaux statoriques s'étendant de part et d'autre d'une nervure dirigée du côté opposé audit rotor et venant en contact avec la surface intérieur de ladite enveloppe extérieure cylindrique en un matériau conducteur thermique.
6 - Machine électrique selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite enveloppe extérieure cylindrique en un matériau conducteur thermique présente des nervures s'étendant radialement, dont l'extrémité frontale vient en contact avec lesdits noyaux statoriques en un matériau ferromagnétique doux, au niveau de l'intersection de deux modules statoriques adjacents.
7 - Machine électrique selon la revendication précédente caractérisée en ce que lesdites nervures et/ou lesdites extrémités frontales présentent un chanfrein pour permettre l'introduction en force de ladite culasse dans ladite enveloppe extérieure cylindrique.
8 - Machine électrique selon la revendication 6 caractérisée en ce que lesdites nervures sont en contact avec les extrémités latérales de deux noyaux statoriques consécutifs pour assurer le positionnement des noyaux statoriques constitutifs de ladite culasse.
9 - Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite culasse est constituée de N modules statoriques présentant chacune un noyau statorique en un matériau ferromagnétique doux supportant une bobine dont les spires sont disposées dans des plans formant un angle croissant de part et d'autre du plan transversal médian de ladite bobine,
• lesdits noyaux statoriques présentant à leurs extrémités frontales des zones d'assemblages complémentaires assurant une continuité magnétique,
• ladite machine comportant en outre une enveloppe extérieure cylindrique (200) présentant N nervures longitudinales, dont la surface intérieure frontale vient en contact avec la surface extérieure de la zone de raccordement de deux noyaux statoriques adjacents, pour assurer le calage mécanique de ladite culasse par rapport à ladite enveloppe extérieure cylindrique (200) et une conduction thermique des calories de ladite culasse vers ladite enveloppe extérieure cylindrique (200).
10 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un empilement de tôles (400) dans le sens axial et en un matériau amagnétique mais meilleur conducteur thermique que l'air est disposé à l'interface entre l'enveloppe extérieure cylindrique (200) et ladite bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), ledit empilement de tôles (400) étant préférentiellement en contact avec ladite enveloppe extérieure cylindrique (200) et ladite bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251).
11 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un matériau conducteur thermique est disposé à l'interface entre l'enveloppe extérieure cylindrique (200) et ladite bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), ledit matériau conducteur thermique (401) étant préférentiellement en contact avec ladite enveloppe extérieure cylindrique (200) et ladite bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251).
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