Brevet FR2164716A1 — publié le 19730803

La présente invention se rapporte à des stators de machines dynamoélectriques et elle a trait plus particulièrement à un stator dans lequel une partie des enroulements inducteurs est formée d'un fil de bobinage d'un premier type, par exemple d'aluminium d'un diamètre donné, tandis que la partie restante des enroulements inducteurs est formée d'un fil de bobinage différent, par exemple de cuivre de résistivité relativement faible ou bien d'aluminium d'un diamètre différent. Des moteurs à induction à courant alternatif monophasé, par exemple du type à enroulements répartis, comprennent habituellement un enroulement inducteur primaire ou principal et un enroulement inducteur auxiliaire, les deux enroulements étant décalés angulairement sur un noyade stator et étant excités respectivement de manière à établir des champs magnétiques déphasés et à produire ainsi un couple de démarrage. Dans un mode de réalisation d'un moteur a induction monophasé, appelé moteur a enroulement auxiliaire résistant, l'enroulement auxiliaire peut former la totalité ou une partie d'un circuit d'enroulement de démarrage qui présente entre des fils externes ou d'excitation une résistance totale plus élevée que le circuit d'enroulement principal.La différence entre les résistances des circuits dhenroulement principal et de démarrage provoque un déphasage des courants de l'enroulement principal et de l'enroulement de démarrage, et par conséquent, des champs magnétiques-déphasés souhaités. Dans une autre forme de moteur a induction monophasé, on obtient le déphasage voulu à l'aide d'un condensateur branché en série avec l'enroulement auxiliaire. Dans certains moteurs à enroulement auxiliaire résistant( par exemple de grande capacité), l'enroulement auxiliaire est débranché du circuit et est par conséquent désexcité lorsque le moteur atteint une vitesse prédéterminée, par exemple sous l'impulsion d'un contacteur sensible a une vitesse; ou bien d'un relai sensible a un courant. Dans des moteurs utilisant des condensateurs dans le circuit d'enroulement auxiliaire, l'enroulement auxiliaire et son condensateur associé peuvent ou non rester dans le circuit. Lorsque le condensateur et l'enroulement auxiliaire ne sont pas débranchés en marche, ces moteurs sont considérés comme étant du type à branchement permanent de condensateur. On a réalisé depuis de nombreuses années, les-=onroulements inducteurs de petites machines dynamoélectriques, le plus couram ment au moyen de fils de bobinage en cuivre émaillé. L'enroulement de démarrage, dont au moins certaines de ces bobines sont, en général, bobinées ou placées sur des bobines de l'enroulement principal, est couramment réalisé au moyen d'un fil de cuivre de plus petit diamètre. Cependant, plus récemment, des considérations économiques, par exemple le coût relatif du cuivre par comparaison à d'autres matériaux électriquement conducteurs tels. que l'aluminium ont accru l'envie d'utiliser des matériaux autres que le cuivre ss pour former au moins l'enroulement primaire. Cependant, on s'est heurté à différents problèmes lors de la mise en pratique de cette tendance. Par exemple, la résistivité de l'aluminium est de 2,828 micro-ohms-centimètres à 200C par comparaison à 1,724 pour le cuivre. En conséquence, pour une longueur donnée de fil d'une résistance fixe, un fil d'aluminium doit avoir un diamètre 1,5 fois supérieur à celui du fil de cuivre. En d'autres termes, pour obtenir la même résistance d'enroulement, le volume d'aluminium doit être plus de une fois et demie supérieur à celui du cuivre. Dans le brevet des Etats-Unis nO 3 488 569, on précise les résistivités relatives de filsSde bobinage de cuivre et d'aluminium qui sont utilise sés concurremment dans l'enroulement d'un moteur induction. Dans le brevet des Etats-Unis nO 3 348 183, on décrit un procédé de compactage d'une bobine isolée qui est formée d'un fil de bobinage en aluminium émaillé. Dans les brevets des Etats-Unis nOs 3 515 919 et 3 528 179, on décrit un stator pour moteur à induction monophasé, dans lequel l'enroulement principal est formé d'un fil de bobinage en aluminium, les bobines de l'enroulement principal, qui sont disposées dans les mêmes encoches que les bobines de l'enroulement de démarrage, étant soumises à un tassement. Par le passé, lorsqu'on à essayé d'utiliser des enroulements en aluminium à la place d'enroulements en cuivre, on a considéré généralement qu'il était nécessaire d'utiliser un noyau de stator plus gros et comportant de plus grandes encoches pour recevoir le volume accru de fil d'aluminium. En conséquence, on voit qu'il est souhaitable de mettre au point une structure dans laquelle on puisse utiliser l'aluminium comme métal conducteur dans la totalité ou une partie d'un enroulement primaire de stator dans des noyaux de stator qu n'étaient pas considérés auparavant comme suffisamment granas pour permettre l'utilisation de conducteurs en aluminium et qui permettent d'obtenir encore un niveau souhaité de performances. Les extrémités de fils d'aluminium sont généralement reliées par un connecteur de type mécanique, tandis que les extrémités de fil de cuivre sont généralement reliées par d'autres moyens, par exemple par soudage ou brasage. En conséquence, dans la connexion commune établie dans un moteur à induction monophasé, on doit généralement relier ensemble un ou plusieurs gros fils d'enroulement principal ( formés d'aluminium si on a utilisé celui-ci comme métal d'enroulement primaire ou principal), un petit fil de cuivre de l'enroulement de démarrage et un fil de connexion externe en forme de tresse. Lorsqu'un ou plusieurs de ces fils sont en aluminium, on utilise une connexion mécanique ou sertie à la place d'une connexion soudée du fait de la difficulté rencontrée normalement lorsqu'on essaie de réaliser une connexion soudée ou brasée entre des conducteurs en cuivre et en aluminium.Lorsqu'on utilise des connecteurs du type mécanique ou serti, il est souhaitable qu'une partie du connecteur perfore l'isolation du fil de bobinage et établisse une bonne connexion électrique. Cependant, lorsqu'on doit relier ensemble plus de deux fils ( comme dans la structure mentionnée ci-dessus comportant une connexion à fil commun), il s'est avéré nécessaire d'enlever l'émail des fils du fait que fréquemment il se produit un mauvais contact entre des fils et la partie de perforation du connecteur.En conséquence, il s est également avéré souhaitable de réaliser un agencement d'enroulement et/ou une structure de connexion dans laquelle on pourrait utiliser de l'aluminium comme conducteur d'enroulement principal et dans laquelle on pourrait également réaliser une connexion commune comportant un fil dsenroulement principal en opérant par soudage. L'invention concerne un stator pour machine dynamoélectrique comprenant un noyau magnétique de stator pourvu de plusieurs encoches destinées à recevoir des enroulements et comportant chacune une extremité fermée. Il est prévu au moins un enroulement inducteur comportant une ou plusieurs bobines possédant chacune une ou plusieurs spires. Dans l'exemple représenté, l'enroulement comprend une première et une seconde section reliées en série.La première section comprend plusieurs bobines concentriques de pas progressivement croissant, chaque bobine de la première section comportant des côtés occupant une paire différente d'encoches à leurs extrémités fermées, tandis que la seconde section d'enroulement comprend plusieurs bobines concentriques de pas progressivement croissant, chaque bobine de la seconde section comportant des côtés partageant respectivement une paire d'encoches avec les côtés d'une bobine d'une premiere section et étant disposés audessus. Dans le mode préféré de réalisation, la première section d'enroulement est formée d'un fil présentant un diamètre présé lectionné et une résistivité relativement élevée, par exemple en aluminium. La seconde section d'enroulement est formée d'un fil d'un diamètre plus petit que la valeur présélectionnée mais présentant également une résistivité relativement faible, tel que du cuivre ; les côtés des bobines de la première section qui sont situées dans les encoches partagées sont tassés de façon à permettre une meilleure mise en place des côtés respectifs des bobines de la seconde section situés au-dessus. L'utilisation du fil de cuivre de plus petit diamètre et de plus grande résistance mécanique dans la seconde section d'enroulement facilite le bobinage ou la mise en place des bobines de la seconde section et/ou permet de remplacer, au moins partiellement, le fil de cuivre par un fil d'aluminium dans des structures de stators de types connus et de grands facteurs-d'espace, et par conséquent, de réaliser au moins certaines économies résultant du remplacement du fil de cuivre par du fil d'aluminium. En outre, les enroulements sont disposés dans le moteur monophasé représenté de manière que la connexion commune dans laquelle trois fils ou plus sont assemblés soit réalisée par brasage et de manière que toutes les connexions avec le fil d'aluminium fassent intervenir seulement deux extrémités de fil et soient par conséquent, réalisées avec des connecteurs mécaniques. Puisque les connecteurs mécaniques maintiennent ensemble seulement deux extrémités de fil, il n'est plus nécessaire d'enlever l'isolation ou l'émail des extrémités du fil avant de réaliser de telles connexions. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent Fig.l, une vue en bout, sous forme schématique, montrant un ensemble de stator de moteur à induction à courant alternatif monophasé suivant l'invention, la figure mettant en évidence'la disposition générale de l'enroulement principal et de l'enroulement de démarrage par rapport au noyau du stator. Fig. 2, une vue partielie à échelle agrandie montrant un groupe d'encoches de réception de bobines du noyau de stator de la Fig. 1, comme il apparaitrait en vue développée, la figure montrant les côtés des bobines de la première et de la seconde section d'enroulement principal ainsi que les côtés des bobines de l'enroulement de démarrage. Fig. 3, un schéma montrant une connexion en parallèle des enroulements principaux de la Fig. 1. Fig. 4, une vue schématique montrant une connexion en série des enroulements principaux de la Fig. 1. Sur les dessins, on a représenté les modes préférés de réalisation de l'invention se rapportant à un stator d'un moteur à induction à courant alternatif monophasé et à deux pôles. En référence à la Fig. 1, un ensemble de stator à deux pôles,désigné par 10, comprend un noyau de stator 11 qui peut être formé d'un empilage de tôle magnétique relativement mince. Le noyau 11 comprend une culasse 12 comportant plusieurs dents 13 espacées d'intervalles égaux, et s'étendant radialement vers l'intérieur de manière à délimiter entre elles des encoches 14 destinées à recevoir des enroulements, les extrémités intérieures 15 des dents 13 délimitant un trou 16 de réception d'un rotor en cage d'écureuil, non représenté et de type classique. Dans le mode de réalisation représenté, le noyau de stator 11 est pourvu de vingt-quatre encoches d'enroulement 14 espacées d'intervalles égaux. Dans un certain nombre prédéterminé d'encoches 14, on dispose un enroulement inducteur principal ou de service de façon à former deux pôles principaux diamètralement opposée et alignés sur l'axe représenté par une ligne en tirets 17, cet enroulement comportant au moins deux bobines qui possèdent chacune une ou plusieurs spires. Dans au moins une des encoches contenant des spires de l'enroulement principal appartenant à chaque pôle, au moins une des spires est formée d'un premier métal, tandis qu'au moins une des spires de l'enroulement principal est formée d'un second métal, par exemple respectivement de l'aluminium et du cuivre. Les extré- mités des enroulements principaux sont reliées à des fils externes, comme cela sera précisé dans la suite.Cependant, de préférence, les enroulements sont agencés de façon que le métal pouvant être utilisé plus commodement et plus sûrement pour établir une connexion électrique soit relié au moins à un et de préférence, à tous les fils externes. En outre, il est préférable que le métal d'enroulement présentant la résistance mécanique la plus élevée soit placé dans une encoche donnée, après que les enroulements formés de l'autre métal sélectionné aient été placés dans la même encoche donnée. Dans les modes de réalisation représentés, l'enroulement principal est divisé en deux parties 18a et 18b formant chacune un des pôles principaux. Les parties 18a et 18b comprennent respectivement une première et une seconde section reliées en série et désignées par 19a, 20a et 19b, 20b. Chacune des premières sections d'enroulement principal 19a, 19b comprend cinq bobines concentriques de pas progressivement croissant, tandis que chacune des secondes sections d'enroulement principal 20a, 20b comprend trois bobines concentriques de pas progressivement croissant. Pour plus de commodité, les cinq bobines des premières sections d'enroulement principal 19a, 19b, ont été respectivement désignées par M1 , M2 t M3 , M4 , et M5 , tandis que les trois bobines des secondes sections d'enroulement principal 20a, 20b sont désignées respectivement par M6 , M7 et M8 .Les bobines d'enroulement principal M1 à M5 des premières sections 19a, 19b sont reliées en série, ainsi que les bobines M6 à M8 des secondes sections 20a, 20b. En considérant la première section d'enroulement principal 19a, les côtés de la bobine de pas minimal M1 occupent respectivement une paire d'encoches 14-1 sur des côtés opposés de l'axe 17, des encoches 14-2 étant placées dans des positions intermédiaires. Les côtés de la bobine d'enroulement principal M2 occupent respectivement une paire d'encoches 14-3, les côtés de la bobine d'enroulement principal M3 occupent respectivement une paire d'encoches 14-4, les côtés de la bobine d'enroulement principal M4 occupent respectivement une paire d'encoches 14-5, tandis que les côtés de la bobine d'enroulement principal M5 occupent respectivement une paire d'encoches 14-6. Les côtés des bobines d'enroulement principal M1 à M5 sont respectivement disposés au fond ou aux extrémités fermées des paires d'encoches 14-1 à 14-6. En considérant la section d'enroulement principal 20a, les côtés de la bobine M6 partagent les deux encoches 14-4 avec les côtés de la bobine M3, les côtés de la bobine M7 partagent les deux encoches 14-5 avec les côtés de la bobine M4, tandis que les côtés de la bobine M8 partagent les deux encoches 14-6 avec les côtés de la bobine M5 , les bobines M6, M7 et M8 étant respectivement bobinés ou placées sur les bobines M3, M4 et M5. Les bobines d'enroulement principal M1 à M5 de l'autre première section d'enroulement principal 19b et les bobines M6 à M8 de l'autre seconde section d'enroulement principal 20b sont disposées de la même façon dans des encoches correspondantes 14, comme indiqué sur la Fig. 1. Les sections d'enroulement principal 19a, 19b sont de préférence formées d'un fil de bobinage en aluminium isolé, tandis que les sections d'enroulement principal 20a, 20b sont de préférence formées d'un fil de bobinage constitué d'un métal d'une résistivité relativement basse, tel que du cuivre, tandis que les côtés des bobines M3, M4 et M5 , qui partagent respectivement les encoches 14-4, 14-5 et 14-6 avec les côtés des bobines M6, M7 et M8 sont de préférence tassés, de la manière décrite dans les brevets des Etats-Unis mentionnés ci-dessus, afin de mieux recevoir les côtés des bobines M6, M7 et M8 Un enroulement inducteur auxiliaire ou de démarrage est disposé de la même façon dans des encoches prédéterminées 14 et forme deux pôles auxiliaires diamétralement opposés et alignés sur les axes représentés par la ligne en tirets 21, ces pôles auxiliaires étant décalés angulairement par rapport aux pôles principaux. L'enroulement de démarrage est divisé en deux parties 22a, 22b, reliées en série et formant respectivement les pôles auxiliaires ou de démarrage diamètralement opposés. Dans le mode de réalisation représenté, chaque partie 22a, 22b de l'enroulement de démarrage comprend trois bobines concentriques de pas progressivement décroissant qui ont été désignées respectivement par S1, S2 et S3. En ce qui concerne la partie d'enroulement de démarrage 22a, les côtés de la bobine S1 sont les seuls occupants des deux encoches 14-2 situées de part et d'autre de l'axe 21. Les côtés de la bobine S2 partagent les encoches 14-1 avec les côtés de bobines M1 des premières sections d'enroulement principal 19a, 20a, les côtés de la bobine S3 partagent les encoches 14-3 avec les côtés des bobines M2 des premières sections d'enroulement principal 19a, 19b, les côtés des bobines Sr S3 étant respectivement bobinés ou placés sur les côtés des bobines M1, M2. Les bobines d'enroulement de démarrage S1 à S3 de l'autre partie 22b de l'enroulement sont disposées de la même façon dans des encoches correspondantes 14 situées sur le côté opposé du noyau de stator 11, comme indiqué sur la Fig. 1.Les côtés des bobines M2 des premières sections d'enroulement principal 19a, 19b qui partagent respectivement les encoches 14-3 avec les côtés des bobines d'enroulement de démarrage S3 sont de préférence tassés également pour mieux recevoir les côtés des bobines d'enroulement de démarrage S3. En référence à la Fig. 2, chacune des encoches 14 contient de préférence un isolateur 23 classique, des isolateurs de phase 24 étant disposés entre les deux bobines dans des encoches partagées et les bobines étant maintenues dans les encoches respectives par des cales classiques 25. On notera que les côtés de chacune des bobines M1 à M5 des premières sections 19a, 19b, d'enroulement principal partagent une encoche respective avec un côté d'une autre bobine, les côtés des bobines M1 et M2 partageant respectivement des encoches 14-1 et 14-3 avec les côtés des bobines S2 et S3 de l'enroulement de démarrage, tandis que les côtés des bobines M3 à M5 partagent respectivement des encoches 14-4 à 14-6 avec les côtés des bobines M6 à M8 des secondes sections 20a, 20b d'enroulement principal. En référence à la Fig.3 qui représente une connexion en parallèle des parties d'enroulement principal 18a, 18b, des extrémités 26a, 26b, des premières sections d'enroulement principal 19a 19b, sont reliées ensemble ainsi qu'a un fil externe 27 par un connecteur 28. Les extrémités 29a, 29b des premières sections d'enroulement principal 19a, 19b sont reliées aux extrémités 30a, 30b des secondes parties d'enroulement principal 20a, 20b de façon à former des connexions entre pôles par des connecteurs 31a, 31b du type serti. Des extrémités 32a, 32b des secondes sections d'enroulement principal 20a, 20b sont reliées à une extrémité 33 de la partie 22b d'enroulement de démarrage et un fil externe commun 34 par une connexion 35. Une extrémité 36 de la partie 22a d'enroulement de démarrage est reliée à un fil externe 37 par une connexion 38. Lorsque les premières sections d'enroulement principal 19a, 19b sont formées d'un fil d'aluminium et lorsque les secondes sections d'enroulement principal 20a, 20b et l'enroulement de démarrage 22 sont formés d'un fil de cuivre, les connecteurs 28 et 31a, 31b sont de préférence des connecteurs mécaniques, tandis que les connexions 35, 38 sont de préférence des connexions brasées. En référence à la Fig.4, dans laquelle les premières et les secondes sections d'enroulement principal 19a, 19b, 20a, 20b sont reliées en série, les premières sections d'enroulement principal 19a, 19b sont reliées en série par un connecteur 39, la seconde section d'enroulement principal 20a est reliée à la première section d'enroulement principal 19a par un connecteur 40, tandis que la seconde section d'enroulement principal 10b est reliée à la première section d'enroulement principal 19b, par un connecteur 4X. La seconde section d'enroulement principal 20a est reliée à un fil externe 27 par une connexion 42, la seconde section d'enroulement principal 20b et l'enroulement de démarrage 22 sont reliés à un fil externe 34 par une connexion 35, tandis-que l'enroulement de démarrage 22 est relié au fil externe 37 par une connexion 38. Egalement, lorsque les premières sections d'enroulement principal 19a, 19b sont formées d'un fil d'aluminium et les secondes sections d'enroulement principal 20a, 20b et l'enroulement de démarrage 22 d'un fil de cuivre, les connecteurs 39, 40 et 41 sont de préférence mécaniques ou du type sertis de façon à former des connexions entre pôles. Les connexions 35, 38 et 42 sont les connexions de fils externes.et sont de préférence réalisées par brasage. Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, concernant un moteur à courant alternatif monophasé de 230volts à deux pôles et de 1,5 CV de puissance, le noyau présente une hauteur d'empilage d'environ 7cm, un trou central d'environ 6,73cm, et il est sensiblement circulaire de façon à présenter un diamètre extérieur d'environ 13,9cm. Les premières sections d'enroulement principal 19a, 19b sont formées d'un fil d'aluminium de 1,083mm de diamètre et elles comportent des bobines M & à M5 possédant respectivement 31, 40, 50, 41 et 50 spires. Les secondes sections d'enroulement principal 20a, 20b sont formées d'un fil de cuivre de 0,86mm de diamètre et elles comportent des bobines M6 à M8 possèdant respectivement 7, 16, et 7 spires. Les parties 22a, 22b de l'enroulement de démarrage sont formées d'un fil de cuivre de 0,584mm de diamètre et elles comportent des bobines S1 à S3 posse- dant respectivement 26, 47 et 66 spires. Dans ce mode particulier de réalisation, les côtés des bobines M2 à M5 ont été respectivement tassés de façon à obtenir des facteurs d'espace de 82,5%, 77% 80% et 77%, le facteur d'espace normal des côtés non compactés dfune bobine étant d'environ 70% et ce facteur d'espace étant calculé comme étant égal à cent fois le rapport de la section circulaire des fils isolés à la section droite délimitée par la surface intérieure du garnissage d'encoches et une droite tangente au côté des fils tourné vers le trou de stator et concrétisé par les isolateurs de phase 24.La bobine M1 n'a pas été tassée du fait qu'il existait dans les encoches un espace suffisant pour recevoir les bobines M1 et S2 sans tassage de ladite bobine M1. Ce moteur, dans lequel les enroulements principaux sont branchés en parallèle comme indiqué sur la Fig. 3, a produit un couple avec rotor freiné de 0,1 kg/m. On a trouvé que ce couplé ainsi que les autres caractéristiques de performance du moteur étaient équivalents aux valeurs obtenues pour le même moteur dont tous les enroulements sont formés d'un fil de cuivre, avec néanmoins l'avantage économique de former une grande partie de l'enroulement principal en fil d'aluminium, à savoir 212 spires de fil d'aluminium pour 20 spires de fil de cuivre. En outre, au moins les encoches M3 et M5 ont été sensiblement remplies par le métal de l'enroulement principal, comme le montre la Fig. 2. I1 va de soi que l'invention est également applicable à des moteurs comportant plus de deux pôles, à des moteurs comportant des enroulements auxiliaires en quadrature ou non( par exemple à décalage d'enroulement de démarrage) et également à des moteurs polyphasés. En outre, bien qu'on ait précisé l'utilisation d'aluminium et de cuivre, il va de soi qu'un enroulement principal ou un enroulement auxiliaire peuvent comporter deux ou plusieurs sections formées chacune d'une autre combinaison de métaux. Par exemple, dans certaines applications, il peut être eouhaitable de présélectionner un fil du même métal( et par conséquent, de la même résistivité) mais de diamètres différents. Dans d'autres cas, il peut être préférable de pré sélectionner un premier métal et un alliage d'un métal identique ou différent pour former les différentes sections d'enroulement. - REVENDICATIONS 1 - Stator pour machine dynamoélectrique comprenant un noyau magné tique pourvu d'encoches destinées à recevoir deux enroulements définissant au moins deux axes magnétiques décalés angulaire ment, caractérisé en ce qu'au moins un des enroulements com prend une première ét une seconde section comportant chacune au moins une bobine formée de plusieurs spires, un côté de chacune des bobines partageant une des encoches de noyau et lesdites première et seconde sections étant formées de matiè res conductrices différentes et présélectionnées. 2 - Stator suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les spires d'au moins une des bobines se trouvant dans l'encoche partagée sont tassées afin de faciliter la mise en place des spires de l'autre bobine dans la même encoche. 3 - Stator suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la premiere section d'un premier enroulement est formé d'un con ducteur de cuivre, en ce que la seconde section dudit premier enroulement est formée d'un conducteur d'aluminium, en ce qu'un premier fil externe est brasé au moins sur une extrémité du conducteur de cuivre de la première section du dit premier en roulement et en ce qu'un second fil externe est relié saune extrémité du second enroulement. 4 - Stator suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'au tre extrémité dudit second enroulement est brasée sur le con ducteur de cuivre de la première section dudit premier enrou lement et sur ledit premier fil externe.