FR3125366A1 - Stator de machine électrique tournante et procédé de fabrication - Google Patents

Abstract

S tator de machine électrique tournante et procédé de fabrication Stator (1) de machine électrique tournante, comportant une masse statorique (2) formée d’un empilement de tôles, comportant des encoches (3), des conducteurs électriques (10) logés dans les encoches, au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, mieux tous les conducteurs électriques, étant en forme d'épingle en U ou en I, la masse statorique (3) étant composée d’une pluralité de paquets (5) disposés consécutivement le long d’un axe longitudinal (X) du stator, les tôles d’au moins un paquet, mieux de tous les paquets, étant décalées angulairement les unes par rapport aux autres autour de l’axe de longitudinal (X) du stator, deux paquets (5) consécutifs étant séparés par une entretoise (20). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Stator de machine électrique tournante et procédé de fabrication

La présente invention concerne les machines électriques tournantes et plus particulièrement les stators de telles machines. L’invention porte plus particulièrement sur la masse statorique du stator et la machine électrique tournante correspondante. Elle concerne également le procédé de fabrication de tels stators.

L’invention porte plus particulièrement sur les machines synchrones ou asynchrones, à courant alternatif. Elle concerne notamment les machines de traction ou de propulsion de véhicules automobiles électriques (Battery Electric Vehicle) et/ou hybrides (Hybrid Electric Vehicle – Plug-in Hybrid Electric Vehicle), telles que voitures individuelles, camionnettes, camions ou bus. L’invention s’applique également à des machines électriques tournantes pour des applications industrielles et/ou de production d’énergie, notamment navales, aéronautiques ou éoliennes.

Il est connu de prévoir un décalage angulaire entre les tôles du stator, comme par exemple dans les demandes de brevet FR 3 067 879, JP 2003 018802, JP 57-183251 et JP 55-053157. On peut parler de vrillage du stator.

Le brevet US 10 424 979 porte sur un stator comportant deux paquets de tôles comportant des encoches ouvertes vers l’entrefer. Les deux paquets de tôles sont vrillés, étant séparés par un élément central non électriquement conducteur, comportant une culasse fermée et des dents droites non vrillées. En outre, ce brevet décrit un système d’isolation spécifique pour fil rond.

La demande internationale WO 2019/142663 porte sur un stator vrillé en V, dans lequel les conducteurs électriques sont déformés par le paquet de tôles. Il est de ce fait nécessaire de prévoir pour ce stator une isolation des conducteurs électriques d’épaisseur suffisante, ce qui dégrade le taux de remplissage en cuivre des encoches et la résistance thermique. En outre, le paquet comporte un relief extérieur pour permettre sa déformation.

La demande de brevet JP 2020 120536 a pour objet un stator non vrillé, comportant des fils ronds, et équipé d’une plaque de distribution de fluide de refroidissement disposés annulairement entre deux paquets de tôles du stator.

Il existe un besoin pour faciliter la fabrication de stators vrillés, et améliorer leurs performances électromagnétiques et de refroidissement.

L’invention vise à répondre à tout ou partie de ce besoin et a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un stator de machine électrique tournante, comportant une masse statorique formée d’un empilement de tôles, comportant des encoches, des conducteurs électriques logés dans les encoches, au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, mieux tous les conducteurs électriques, étant en forme d'épingle en U ou en I,
la masse statorique étant composée d’une pluralité de paquets disposés consécutivement le long d’un axe longitudinal X du stator, les tôles d’au moins un paquet, mieux de tous les paquets, étant décalées angulairement les unes par rapport aux autres autour de l’axe de longitudinal du stator,
deux paquets consécutifs étant séparés par une entretoise.

Le stator selon l’invention permet d’améliorer les performances de réduction de bruits et de vibrations de la machine résultante, ainsi que le refroidissement de la machine.

L’invention permet également de réduire le coût total de la machine, en permettant de simplifier l’assemblage du rotor avec un empilement de tôles dans une seule orientation angulaire, avec une interface entre le rotor et un arbre de la machine simplifiée.

Les tôles de l’empilement de tôles du stator sont magnétiques.

La masse statorique comporte des dents définissant entre elles les encoches, les dents étant rattachées à une culasse du stator.

Les conducteurs électriques peuvent avoir une forme inclinée, du fait du décalage angulaire entre les tôles.

Dans un mode de réalisation, les conducteurs électriques présentent un changement d’inclinaison, notamment au niveau de l’entretoise précitée. Ils peuvent avoir ainsi une double inclinaison, dans un sens puis dans le sens opposé. Les deux inclinaisons peuvent avoir le même angle en valeur absolue. Au niveau de l’entretoise, les conducteurs électriques peuvent avoir une forme curviligne. Cette forme curviligne peut résulter du cintrage des conducteurs électriques pendant la réalisation de l’inclinaison.

L’entretoise peut être magnétique. Elle peut comporter un matériau magnétique.

En variante, l’entretoise séparant les paquets de tôles peut être amagnétique. Elle peut comporter un matériau amagnétique. Au niveau de l’entretoise amagnétique, il n’y a donc pas de circulation de flux magnétique.

L’entretoise peut être au moins partiellement métallique, voire entièrement métallique. Le métal utilisé peut être magnétique ou amagnétique.

En variante ou additionnellement, l’entretoise peut être au moins partiellement réalisée dans un matériau non métallique, par exemple plastique.

L’entretoise peut dans un mode de réalisation comporter un anneau en matériau plastique, par exemple surmoulé sur des éléments métalliques, par exemple de forme parallélépipédique. Ces éléments métalliques peuvent avoir un rôle mécanique tandis que le plastique utilisé pour le surmoulage peut permettre de faciliter le passage du fluide de refroidissement ou d’intégrer une sonde thermique.

L’entretoise peut comporter des tôles de culasse. Les tôles de culasse de l’entretoise peuvent être magnétiques ou amagnétiques. Elles comportent une partie annulaire dite de culasse, qui vient se superposer à une culasse de la masse statorique. Elles peuvent notamment être dépourvues de dents. L’entretoise peut comporter des dents. Les dents de l’entretoise peuvent venir se superposer sur une culasse de la masse statorique. Les dents de l’entretoise peuvent être inclinées par rapport à l’axe longitudinal du stator, ou ne pas être inclinées. Les dents de l’entretoise peuvent être placées radialement dans le prolongement des encoches de la masse statorique.

L’entretoise peut comporter avantageusement des dents en particulier lorsqu’il y a une continuité de l’isolant d’encoche entre deux paquets de la masse statorique.

Les dents de l’entretoise peuvent recouvrir la largeur de culasse du stator lorsqu’elles sont alignées avec les encoches du stator, ce qui améliore la performance thermique de la machine. En variante, les dents de l’entretoise peuvent recouvrir la largeur de culasse du stator ainsi qu’une partie de la dent du stator correspondante, lorsqu’elles sont alignées avec les dents du stator formées entre les encoches de celui-ci, ce qui améliore la performance mécanique de la machine.

L’entretoise peut comporter une partie de culasse reliant les dents de l’entretoise entre elles. Cette partie de culasse peut se superposer avec une culasse de la masse statorique.

L’entretoise peut comporter une partie de culasse ménageant des ouvertures vers l’extérieur. Lesdites ouvertures peuvent être ménagées entre les dents citées précédemment. Les ouvertures de l’entretoise peuvent être placées radialement dans le prolongement des dents de la masse statorique.

L’entretoise peut permettre de constituer une entrée d’air frais au centre de la machine, de favoriser la circulation d’air dans le stator, et donc d’améliorer le refroidissement de la machine. Cela est notamment utile sur une machine de grande longueur. Un stator selon l’invention peut également être utile sur une machine comportant un carter refroidit à eau.

L’entretoise selon l’invention peut permettre d’améliorer le refroidissement de la machine en créant un canal de passage ou d’alimentation d’un fluide de refroidissement, liquide ou gazeux, tel que de l’air, de l’huile ou autre.

Grace à l’invention, on peut bénéficier d’un circuit de refroidissement passant par le cœur du stator grâce à l’assemblage du stator et du carter.

L’entretoise peut avoir une hauteur mesurée le long de l’axe longitudinal du stator comprise entre 1 et 10 mm, mieux entre 2 et 8 mm, voire entre 3 et 6 mm.

L’entretoise peut notamment avoir une hauteur mesurée le long de l’axe longitudinal du stator comprise entre une et trois fois la hauteur des isolants d’encoche, étant notamment d’environ deux fois la hauteur des isolants d’encoche dépassant du paquet, autrement appelé débord des isolants du paquet. On entend par ‘hauteur des isolants d’encoche’ la hauteur des isolants qui dépasse des encoches du paquet de tôles. Une telle hauteur permet de diminuer les risques de court-circuit au niveau de l’interface entre les paquets consécutifs, et d’augmenter la distance d’arc, notamment entre le conducteur et la masse.

Le stator peut comporter au moins un cordon de soudure des tôles d’un même paquet. Le cordon de soudure peut faire saillie sur la surface extérieure de la masse statorique, ou non.

Le cordon de soudure peut notamment être visible sur la surface extérieure de la masse statorique. Le cordon de soudure peut notamment avoir une inclinaison par rapport à l’axe longitudinal X du stator, du fait du décalage angulaire entre les tôles. Pour un paquet donné, le stator peut comporter un ou plusieurs cordons de soudure répartis angulairement autour de l’axe longitudinal X du stator, par exemple deux, trois ou quatre. Ils peuvent notamment être répartis angulairement régulièrement, notamment à 180°, ou à 120°, ou encore à 90°.

Les cordons de soudure peuvent être continus sur la longueur d’un paquet, voire de tous les paquets, ou en variante interrompus au niveau de l’entretoise.

Les cordons de soudure peuvent avantageusement être continus sur la longueur de tous les paquets en particulier lorsque l’entretoise comporte des éléments métalliques. En effet, ces éléments métalliques permettent aux cordons de soudure de se prolonger du premier paquet de tôles aux éléments métalliques de l’entretoise puis au second paquet de tôles. Cette solution améliore considérablement l’intégrité mécanique du stator avant insertion dans un carter ou une frette.

En variante, la masse statorique peut être dépourvue de cordon de soudure, étant par exemple dépourvue de protubérance sur sa surface extérieure. Elle peut être dépourvue de moyen de saisie. Cela peut faciliter son insertion dans un carter. En effet, le stator est alors avantageusement dépourvu d’excroissance extérieure qui serait contraignante pour un frettage dans un carter ou dépourvu de rainures dans la culasse qui dégraderaient la surface d’échange entre les paquets et le carter, ce qui est notamment avantageux lorsque le carter est refroidi à eau.

Chaque tôle peut être décalée par rapport à la tôle adjacente d’un angle élémentaire. Dans un même paquet de tôles, l’angle élémentaire peut être constant. Entre deux paquets de tôles, l’angle élémentaire peut être le même en valeur absolue. En variante, l’angle élémentaire peut être différent d’un paquet de tôles à l’autre.

L’angle élémentaire du décalage angulaire entre deux tôles consécutives peut être compris entre 0,004° et 0,085°, étant par exemple compris entre 0,017°et 0,032°, mieux entre 0,008 et 0,016°, étant par exemple de l’ordre de 0,01°.

Un décalage angulaire total d’un paquet de tôles, mesuré entre une première tôle et une dernière tôle du paquet de tôles, peut être compris entre 2 et 10°, étant par exemple compris entre 2,5 et 8°, mieux entre 3 et 6°, étant par exemple de l’ordre de 3,75°.

L’angle élémentaire du décalage angulaire entre deux tôles consécutives peut correspondre au pas dentaire du stator sur la hauteur du paquet divisé par le nombre de tôle dans le paquet. Dans un mode de réalisation, l’angle élémentaire est égal au pas dentaire divisé par le nombre de tôles dans le paquet.

Les tôles d’un même paquet peuvent être décalées les unes par rapport aux autres d’un angle élémentaire constant. Dans un mode de réalisation, toutes les tôles de chaque paquet du stator peuvent être décalées les unes par rapport aux autres d’un angle élémentaire constant.

La masse statorique peut dans un mode de réalisation comporter deux paquets. En variante, elle peut comporter plus de deux paquets, notamment trois ou quatre ou plus. La masse statorique peut comporter un nombre pair de paquets. En variante, la masse statorique peut comporter un nombre impair de paquets.

Les tôles des paquets de la masse statorique peuvent être décalées angulairement toutes dans un même sens autour de l’axe longitudinal X du stator.

En variante, les tôles des paquets de la masse statorique peuvent être décalées angulairement dans au moins deux sens, notamment dans plusieurs sens, autour de l’axe longitudinal X du stator.

Les tôles des paquets de la masse statorique peuvent être décalées angulairement successivement dans un sens puis dans l’autre, étant disposées en V. Elles peuvent être disposées en V, étant décalées symétriquement par rapport à un plan de symétrie perpendiculaire à l’axe longitudinal X du stator. La disposition en V, avec un vrillage dans deux directions différentes, permet de minimiser voire supprimer la charge exercée sur les roulements du rotor.

La masse statorique peut comporter un seul paquet central coupé en deux par ledit plan de symétrie.

En variante, la masse statorique peut comporter deux paquets centraux séparés par ledit plan de symétrie. Les deux paquets centraux peuvent ne pas être décalés angulairement l’un par rapport à l’autre.

Dans un mode de réalisation, le stator peut comporter deux paquets de tôles, un premier paquet de tôles décalées angulairement dans un sens, et un deuxième paquet de tôles décalées angulairement dans l’autre sens. Les angles élémentaires de décalage peuvent avoir la même valeur absolue. Cela peut permettre avantageusement d’annuler totalement la composante axiale du couple sur le rotor.

Dans un mode de réalisation, les tôles des paquets de la masse statorique peuvent être décalées angulairement successivement dans un sens puis dans l’autre, étant disposés en chevrons. Avantageusement, les chevrons sont disposés de manière symétrique.

Tous les paquets du stator peuvent avoir chacun la même longueur, ou en variante des longueurs différentes.

Deux paquets peuvent avoir des longueurs différentes. Par exemple, la disposition des paquets dans la masse statorique peut être telle que la longueur des paquets peut augmenter puis diminuer lorsque l’on se déplace le long de l’axe du stator, ou augmenter tout le long du stator, ou diminuer tout le long du stator.

En variante encore, la longueur des paquets peut varier avec une variation en dents de scie lorsque l’on se déplace le long de l’axe du stator.

Dans un mode de réalisation, le ou les paquets centraux peuvent avoir une longueur différente des autres paquets, par exemple une longueur plus courte ou plus longue.

Les encoches du stator peuvent être fermées. Par « encoche fermée », on désigne des encoches qui ne sont pas ouvertes radialement vers l’entrefer.

Dans un mode de réalisation, au moins une encoche, voire chaque encoche, peut être continûment fermée du côté de l’entrefer par un pont de matière venu d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. Toutes les encoches peuvent être fermées du côté de l’entrefer par des ponts de matière fermant les encoches. Les ponts de matière peuvent être venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche. La masse statorique est alors dépourvue de découpe entre les dents et les ponts de matière fermant les encoches, et les encoches sont alors continûment fermées du côté de l’entrefer par les ponts de matière venus d’un seul tenant avec les dents définissant l’encoche.

En outre, les encoches peuvent également être fermées du côté opposé à l’entrefer par une culasse rapportée ou d’un seul tenant avec les dents. Les encoches ne sont alors pas ouvertes radialement vers l’extérieur. La masse statorique peut être dépourvue de découpe entre les dents et la culasse.

Dans un mode de réalisation, chacune des encoches est de contour continûment fermé. Par « continûment fermé », on entend que les encoches présentent un contour fermé continu lorsqu’elles sont observées en section transversale, prise perpendiculairement à l’axe de rotation de la machine. On peut faire le tour complet de l’encoche sans rencontrer de découpe dans la masse statorique.

La masse statorique peut être réalisée par empilement de tôles magnétiques, les encoches étant venues par découpage des tôles. La fermeture des encoches du côté de l’entrefer est obtenue par des ponts de matière venus d’un seul tenant avec le reste des tôles formant la masse statorique.

Le stator peut être dépourvu de cales magnétiques rapportées de fermeture des encoches. On élimine ainsi le risque de détachement accidentel de ces cales.

Le stator peut comporter deux conducteurs électriques par encoche. Le stator peut dans un mode de réalisation comporter deux colonnes de brins de conducteurs électriques.

Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage distribué. Le bobinage peut être ondulé ou imbriqué. Le bobinage peut ne pas être concentré ou bobiné sur dent. Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage entier ou fractionnaire.

Chaque conducteur électrique peut comporter un ou plusieurs brins («wire» ou «strand» en anglais). Par « brin », on entend l’unité la plus élémentaire pour la conduction électrique. Un brin peut être de section transversale ronde, on peut alors parler de ‘fil’, ou en méplat. Les brins en méplat peuvent être mis en forme en épingles, par exemple en U ou en I. Chaque brin est revêtu d’un émail isolant.

Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage unique, notamment entier ou fractionnaire. Par « bobinage unique », on entend que les conducteurs électriques sont reliés électriquement ensemble dans le stator, et que les connexions entre les phases sont faites dans le stator, et non pas à l’extérieur du stator, par exemple dans une boite à bornes. Un bobinage est constitué d’un nombre de phasesmdécalées dans l’espace de telle façon que lorsqu’elles sont alimentées par un système de courant multi-phasés, elles produisent un champ tournant.

Le bobinage peut être dans l’invention entier ou fractionnaire. Le bobinage peut être entier à pas avec ou sans raccourcissement, ou en variante fractionnaire. Dans un mode de réalisation, les conducteurs électriques forment un bobinage fractionnaire, notamment à pas raccourci.

Pour un bobinage fractionnaire, le nombre d’encoches par pôle et par phase est fractionnaire, c’est-à-dire que le rapportqdéfini parZ=Ns/(2pq) s’écrit sous la forme d’une fraction irréductiblez/m,zetmétant deux nombres entiers non nuls,métant différent de 1, où Ns est le nombre d’encoches du stator,qle nombre de phases du bobinage etple nombre de paires de pôles.

Le nombre d’encoches du stator peut être compris entre 18 et 96, mieux entre 30 et 84, étant par exemple de 18, 24, 27, 30, 36, 42, 45, 48, 54, 60, 63, 72, 81, 92, 96, mieux étant de 48 ou 60 ou 63. Le nombre de pôles du stator peut être compris entre 2 et 24, voire entre 4 et 12, étant par exemple de 6 ou de 8.

La combinaison nombre d’encoches/nombre de pôles du stator peut être choisie parmi les combinaisons de la liste suivante, qui n’est pas limitative : 30/4, 42/4, 45/6, 48/8, 63/6, 60/8, 84/8.

Au moins un premier conducteur électrique logé dans une première encoche peut être relié électriquement à un deuxième conducteur électrique logé dans une deuxième encoche, à la sortie desdites encoches.

Tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre située à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale, peuvent être reliés électriquement ensemble.

Le stator peut comporter un connecteur de phases comportant des éléments métalliques connectés à des conducteurs électriques du stator. Les éléments métalliques peuvent être disposés radialement extérieurement ou intérieurement par rapport aux conducteurs électriques auxquels ils sont connectés. Les éléments métalliques connectés à des conducteurs des bobinages du stator peuvent être maintenus par un support isolant. Par ailleurs, le connecteur de phases peut présenter des pattes de connexion à un bus d’alimentation. La machine peut ainsi être reliée à un onduleur, connecté électriquement aux pattes de connexion du connecteur.

Epingles

Des conducteurs électriques au moins, voir une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingles, de U ou de I. L’épingle peut être en forme de U («U-pin» en anglais) ou droite, étant en forme de I («I-pin» en anglais).

Les conducteurs électriques en épingle et méplat permettent d’augmenter le coefficient de remplissage de l’encoche, rendant la machine plus compacte. Grâce à un coefficient de remplissage élevé, les échanges thermiques entre les conducteurs électriques et la masse statorique sont améliorés, ce qui permet de réduire la température des conducteurs électriques à l’intérieur des encoches.

En outre, la fabrication du stator peut être facilitée grâce aux conducteurs électriques en forme d'épingles. Enfin, les épingles ne nécessitant pas d’avoir des encoches ouvertes, on peut avoir des encoches fermées qui permettent de tenir les épingles et on peut donc ainsi supprimer l’étape d’insertion des cales du stator.

Des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, s’étendent axialement dans les encoches. Les conducteurs électriques peuvent être introduits dans les encoches correspondantes par l’une ou les deux extrémités axiales de la machine.

Un conducteur électrique en forme de I a deux extrémités axiales chacune placées à l’une des extrémités axiales du stator. Il passe dans une encoche unique, et peut être soudé à chacune de ses extrémités axiales à deux autres conducteurs électriques, au niveau des extrémités axiales du stator. Le stator peut par exemple comporter 6, 10, 12, 14, 18, 22 ou 26 conducteurs électriques en forme de I, les autres conducteurs électriques pouvant tous être en forme de U.

Le stator peut être dépourvu de conducteur électrique en forme de I.

Un conducteur électrique en forme de U a deux extrémités axiales toutes deux placées à l’une des extrémités axiales du stator. Ces deux extrémités axiales sont définies par les deux jambes du U. Il passe dans deux encoches différentes, et peut être soudé à chacune de ses extrémités axiales à deux autres conducteurs électriques, au niveau d’un même côté axial du stator. Le bas du U, c’est-à-dire le côté du U formant le chignon ou tête de bobine, est disposé de l’autre côté axial du stator.

Au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingle en U.

En outre, l’encombrement des conducteurs électriques au niveau des têtes de bobines est diminué. Cela facilite l’imbrication des conducteurs électriques.

Brins

Dans l’invention, chaque conducteur électrique peut comporter un ou plusieurs brins («wire» ou «strand» en anglais). Par « brin », on entend l’unité la plus élémentaire pour la conduction électrique. Un brin peut être de section transversale ronde, on peut alors parler de ‘fil’, ou en méplat. Les brins en méplat peuvent être mis en forme en épingles, par exemple en U ou en I. Chaque brin est revêtu d’un émail isolant.

Le fait que chaque encoche puisse comporter plusieurs conducteurs et/ou plusieurs brins permet de minimiser les pertes par courants induits, ou pertes Joule AC, lesquelles évoluent avec le carré de la fréquence d’alimentation, ce qui est particulièrement avantageux à haute fréquence et lorsque la vitesse de fonctionnement est élevée. Le transfert thermique vers la source froide en est également facilité. On peut ainsi obtenir un meilleur rendement à haute vitesse.

Lorsque les encoches sont fermées, on peut obtenir une réduction des flux de fuites vu par les conducteurs, ce qui entraîne une diminution des pertes par courants de Foucault dans les brins.

Dans un mode de réalisation, chaque conducteur électrique peut comporter plusieurs épingles, chacune formant un brin, comme explicité ci-dessus. Tous les brins d’un même conducteur électrique peuvent être reliés électriquement les uns aux autres à la sortie de l’encoche. Les brins reliés électriquement les uns aux autres sont placés en court-circuit. Le nombre de brins reliés électriquement ensemble peut être supérieur ou égal à 2, étant par exemple compris entre 2 et 12, étant par exemple de 3, 4, 6 ou 8 brins.

Plusieurs brins peuvent former un même conducteur électrique. Un même courant électrique d’une même phase circule dans l’ensemble des brins d’un même conducteur électrique. Tous les brins d’un même conducteur électrique peuvent être reliés électriquement les uns aux autres, notamment à la sortie de l’encoche. Tous les brins d’un même conducteur électrique peuvent être reliés électriquement les uns aux autres à chacune de leurs deux extrémités axiales, notamment à la sortie de l’encoche. Ils peuvent être reliés électriquement en parallèle.

Tous les brins de tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre située à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale, peuvent être reliés électriquement les uns aux autres.

Dans un mode de réalisation, chaque conducteur électrique comporte trois brins. Dans le cas où une encoche comporte deux conducteurs électriques, une encoche peut donc loger six brins, par exemple, répartis entre les deux conducteurs électriques.

En variante, une encoche comporte quatre conducteurs électriques. Chaque conducteur électrique peut comporter deux brins. L’encoche loge alors huit brins, répartis entre les quatre conducteurs électriques.

Les brins d’un même conducteur électrique peuvent être en contact deux à deux sur toute leur longueur. Ils peuvent notamment être en contact au niveau des têtes de bobines. En outre, ils peuvent notamment être en contact au niveau des extrémités de soudure. Ils peuvent être accolés. Dans un mode de réalisation, les brins peuvent être soudés par paire de trois brins. Une telle configuration permet une bonne optimisation de l’espace disponible dans et autour du stator. On gagne notamment en compacité au niveau de la hauteur des chignons. En outre, on peut réduire les risques de court-circuit entre les conducteurs électriques.

Les brins peuvent être positionnés dans l’encoche de façon que leur dimension circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine soit supérieure à leur dimension radiale. Une telle configuration permet une réduction des pertes par courants de Foucault dans les brins.

Un brin peut avoir une largeur comprise entre 1 et 5 mm, étant par exemple de l’ordre de 2,65 ou 3 mm. La largeur d’un brin est définie comme sa dimension dans la direction circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine.

Un brin peut avoir une hauteur comprise entre 1 et 5 mm, étant par exemple de l’ordre de 1,25 ou 1,8 mm. La hauteur d’un brin est définie comme son épaisseur dans la dimension radiale.

Les conducteurs électriques peuvent être réalisés en cuivre ou aluminium, ou tout autre matériau conducteur émaillé ou revêtu de tout autre revêtement isolant adapté.

La masse statorique peut être réalisée par empilement de tôles. Les dents peuvent être reliées entre elles par des ponts de matière, et du côté opposé par une culasse. Les encoches peuvent être fermées. Elles peuvent être réalisées entièrement par découpage dans les tôles. Chaque tôle de l’empilement de tôles peut être monobloc.

Chaque tôle est par exemple découpée dans une feuille d’acier magnétique ou contenant de l’acier magnétique, par exemple de l’acier de 0,1 à 1,5 mm d’épaisseur. Les tôles peuvent être revêtues d’un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein de l’empilement. L’isolation électrique peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles, le cas échéant.

Le stator peut comporter une carcasse extérieure entourant la culasse.

Les dents du stator peuvent être réalisées avec un empilement de tôles magnétiques, recouvertes chacune d’un vernis isolant, afin de limiter les pertes par courants induits.

Machine

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, une machine électrique tournante comportant un stator tel que défini ci-dessus.

La machine électrique tournante peut être synchrone ou asynchrone. La machine peut être utilisée comme moteur ou comme générateur. La machine peut être à reluctance. Elle peut constituer un moteur synchrone ou en variante un générateur synchrone. En variante encore, elle constitue une machine asynchrone.

La vitesse maximale de rotation de la machine peut être élevée, étant par exemple supérieure à 10 000 tr/min, mieux supérieure à 12 000 tr/min, étant par exemple de l’ordre de 14 000 tr/min à 15 000 tr/min, voire même de 20 000 tr/min ou de 24 000 tr/min ou de 25 000 tr/min. La vitesse maximale de rotation de la machine peut être inférieure à 100 000 tr/min, voire à 60 000 tr/min, voire encore inférieure à 40 000 tr/min, mieux inférieure à 30 000 tr/min.

L’invention peut convenir tout particulièrement pour des machines de forte puissance.

Rotor

La machine électrique tournante peut comporter un rotor. Le rotor peut comporter une masse rotorique et des aimants permanents insérés dans celle-ci. Le rotor peut être à aimants permanents, avec des aimants surfaciques ou enterrés. Le rotor peut être à concentration de flux. Il peut comporter une ou plusieurs couches d’aimants disposées en I, en U ou en V. En variante, il peut s’agir d’un rotor bobiné ou à cage d’écureuil, ou d’un rotor à réluctance variable.

La masse rotorique peut s’étendre selon l’axe de rotation et disposée autour d’un arbre. L’arbre peut comporter des moyens de transmission de couple pour l’entraînement en rotation de la masse rotorique.

Le rotor peut comporter des aimants permanents insérés dans la masse rotorique. La masse rotorique peut comporter des tôles rotoriques. Les logements des aimants permanents peuvent être réalisés entièrement par découpage dans les tôles. Chaque tôle de l’empilement de tôles peut être monobloc.

En variante, il peut s’agir d’un rotor bobiné ou à cage d’écureuil, ou d’un rotor à réluctance variable.

Le rotor peut être pourvu d’un évent aligné axialement avec l’entretoise du stator, ce qui peut avantageusement permettre de constituer une circulation d’un fluide de refroidissement dans la machine.

Le nombre de paires de pôles p au rotor est par exemple compris entre 1 et 24, étant par exemple de 1, 2, 3, 4, 5 ou 6.

Le diamètre du rotor peut être inférieur à 600 mm, voire inférieur à 400 mm, mieux inférieur à 300 mm, mieux encore inférieur à 200 mm, et supérieur à 40 mm, mieux supérieur à 60 mm, étant par exemple compris entre 80 et 160 mm.

L’arbre peut être réalisé dans un matériau magnétique, ce qui permet avantageusement de diminuer le risque de saturation dans la masse rotorique et d’améliorer les performances électromagnétiques du rotor.

En variante, le rotor comporte un arbre amagnétique sur lequel est disposée la masse rotorique. L’arbre peut être réalisé au moins en partie dans un matériau de la liste suivante, qui n’est pas limitative : acier, inox, titane ou tout autre matériau amagnétique.

La masse rotorique peut dans un mode de réalisation être disposée directement sur l’arbre amagnétique, par exemple sans jante intermédiaire. En variante, notamment dans le cas où l’arbre n’est pas amagnétique, le rotor peut comporter une jante entourant l’arbre du rotor et venant prendre appui sur ce dernier.

La masse rotorique peut comporter un ou plusieurs trous pour alléger le rotor, permettre son équilibrage ou pour l’assemblage des tôles rotoriques la constituant. Des trous peuvent permettre le passage des tirants maintenant solidaires entre elles les tôles.

Chaque tôle est par exemple découpée dans une feuille d’acier magnétique ou contenant de l’acier magnétique, par exemple de l’acier de 0,1 à 1,5 mm d’épaisseur. Les tôles peuvent être revêtues d’un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein de l’empilement. L’isolation électrique peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles, le cas échéant.

Les tôles peuvent être découpées dans un outil à la suite les unes des autres. Elles peuvent être empilées et clipsées ou collées dans l’outil, en paquets complets ou sous-paquets. Les tôles peuvent être encliquetées les unes sur les autres. En variante, le paquet de tôles peut être empilé et soudé en dehors de l’outil.

La masse rotorique peut présenter un contour extérieur qui est circulaire ou multilobé, une forme multilobée pouvant être utile par exemple pour réduire les ondulations de couple ou les harmoniques de courant ou de tension.

Le rotor peut comporter au moins un flasque qui peut être disposé à une extrémité du paquet de tôles rotoriques. Dans un mode de réalisation, le rotor comporte deux flasques chacun disposé à une extrémité du paquet de tôles rotoriques.

Dans un mode de réalisation, le rotor n’est pas vrillé, étant droit.

Le rotor peut être monté en porte à faux ou non, par rapport aux roulements utilisés pour guider l’arbre.

La machine peut comporter un seul rotor intérieur ou, en variante, un rotor intérieur et un rotor extérieur, disposés radialement de part et d’autre du stator et accouplés en rotation.

La machine peut être insérée seule dans un carter ou insérée dans un carter de boite de vitesse. Dans ce cas, elle est insérée dans un carter qui loge également une boîte de vitesse.

Procédé de fabrication d’un stator

L’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un stator de machine électrique tournante tel que défini plus haut.

L’invention a notamment pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un stator de machine électrique tournante, comportant les étapes suivantes :
(a) fournir un ensemble de conducteurs électriques en forme d’épingle et une pluralité de paquets de tôles,
(b) vriller les conducteurs électriques dans un sens,
(c) insérer lesdits conducteurs électriques vrillés dans un premier paquet de tôle,
(d) disposer une entretoise sur le premier paquet de tôles.

Dans l’invention, on utilise les conducteurs électriques pour vriller les tôles qui ne sont qu’empilées les unes sur les autres sans aucun effort mécanique, ce qui évite notamment tout effort sur un isolant éventuel des conducteurs électriques. On a ainsi dans l’invention avantageusement la possibilité d’utiliser un isolant standard.

Le procédé peut comporter l’étape supplémentaire suivante :
(e) vriller dans l’autre sens les conducteurs électriques dépassant du premier paquet de tôles.

L’entretoise permet de maintenir les tôles du premier paquet de tôles pendant cette étape (e) de vrillage des conducteurs.

Le procédé peut comporter l’étape supplémentaire suivante :
(f) insérer un deuxième paquet de tôles sur les conducteurs électriques.

L’étape (f) peut avoir lieu après l’étape (e) ou en variante directement après l’étape (d), sans étape (e).

Les étapes (e) et/ou (f) peuvent être renouvelées avec des paquets de tôles supplémentaires, autant de fois que de paquets de tôles à ajouter.

Une fois les conducteurs électriques et les paquets de tôles montés et vrillés, ceux-ci peuvent être soudés par l’extérieur. On ménage alors un cordon de soudure sur les tôles d’un même paquet.

On peut disposer un même conducteur électrique en forme de U dans deux encoches différentes non consécutives de la masse statorique du stator. Dans le cas où un conducteur électrique est en forme de U, il peut être soudé à deux autres conducteurs électriques d’un même côté de la machine.

On peut relier entre eux deux conducteurs électriques en forme de I préalablement introduits dans deux encoches différentes non consécutives de la masse statorique du stator. Dans le cas où un conducteur électrique est en forme de I, il peut être soudé à un autre conducteur électrique et au connecteur, des deux côtés opposés de la machine.

Dans l’invention, on peut relier électriquement ensemble tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre située à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’un exemple de réalisation non limitatif de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

La est une vue en perspective, schématique et partielle, d’un stator conforme à l’invention.

La est une vue en perspective, schématique et partielle, du stator de la .

La est une vue en perspective, schématique et partielle, du stator de la en cours de fabrication.

La est une vue en perspective, schématique et partielle, du stator de la en cours de fabrication.

La est une vue en perspective, schématique et partielle, du stator de la en cours de fabrication.

La est une vue en perspective, schématique et partielle, du stator de la en cours de fabrication.

La est une vue en perspective, schématique et partielle, du stator de la en cours de fabrication.

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Claims (16)

1. Stator (1) de machine électrique tournante, comportant une masse statorique (2) formée d’un empilement de tôles, comportant des encoches (3), des conducteurs électriques (10) logés dans les encoches, au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, mieux tous les conducteurs électriques, étant en forme d'épingle en U ou en I,
   la masse statorique (3) étant composée d’une pluralité de paquets (5) disposés consécutivement le long d’un axe longitudinal (X) du stator, les tôles d’au moins un paquet, mieux de tous les paquets, étant décalées angulairement les unes par rapport aux autres autour de l’axe de longitudinal (X) du stator,
   deux paquets (5) consécutifs étant séparés par une entretoise (20).
2. Stator selon la revendication précédente, l’entretoise comportant des tôles de culasse, étant dépourvues de dents.
3. Stator selon la revendication 1, l’entretoise (20) comportant des dents (21).
4. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’entretoise (20) comportant une partie de culasse (22) ménageant des ouvertures (23) vers l’extérieur.
5. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’entretoise (20) étant amagnétique.
6. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’entretoise (20) ayant une hauteur (h) mesurée le long de l’axe longitudinal (X) du stator comprise entre 1 et 10 mm, mieux entre 2 et 8 mm, voire entre 3 et 6 mm.
7. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un cordon de soudure des tôles d’un même paquet (5).
8. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, les tôles d’un même paquet (5) étant décalées les unes par rapport aux autres d’un angle élémentaire constant.
9. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, les tôles des paquets (5) de la masse statorique (3) étant décalées angulairement toutes dans un même sens autour de l’axe longitudinal (X) du stator.
10. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, les tôles des paquets (5) de la masse statorique (2) étant décalées angulairement successivement dans un sens puis dans l’autre, étant disposés en V.
11. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, les tôles des paquets (5) de la masse statorique (2) étant décalées angulairement successivement dans un sens puis dans l’autre, étant disposés en chevrons.
12. Stator selon l’une quelconque des revendications précédentes, tous les paquets (5) du stator (1) ayant chacun la même longueur.
13. Machine électrique tournante (1) comportant un stator (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un rotor.
14. Procédé de fabrication d’un stator (1) de machine électrique tournante, comportant les étapes suivantes :
    (a) fournir un ensemble de conducteurs électriques (10) en forme d’épingle et une pluralité de paquets (5) de tôles,
    (b) vriller les conducteurs électriques dans un sens,
    (c) insérer lesdits conducteurs électriques vrillés dans un premier paquet de tôle (5),
    (d) disposer une entretoise sur le premier paquet de tôles.
15. Procédé selon la revendication précédente, comportant l’étape supplémentaire suivante :
    (e) vriller dans l’autre sens les conducteurs électriques dépassant du premier paquet de tôles (5).
16. Procédé selon l’une des deux revendications précédentes, comportant l’étape supplémentaire suivante :
    (f) insérer un deuxième paquet (5) de tôles sur les conducteurs électriques (10).