Brevet FR2530884A1 — publié le 19840127

"Bobinege pour stater de machine tournante électrique" La présente invention se rapporte à un bobinage pour stator de machine tournante électrique et, plus particulièrement, de machine tournante électrique dans laquelle les deux poles de chaque paire de pôles associes da stator ne sont pas dizposés directement en regard l'un de l'autre, mais sont décalés l'un par rapport à l'autre suivant la direction de l'axc de rotation du rotor, comme décrit dans la demande de brevet fxangais N 88 11960 du ler Juillet 1982 au non du Demandeur. Une machine tournante électrique rélaisée auivant le principe exposé dans cette précédente demande de brevet peut tourner, si elle fonctionne eu moteur, à une vitesse qui est le double de la vitesse de rotation d'une machine classique, soit une vitesse synchrone de 6000 tours/minute sous une fréquence de 50 He pour laquelle la vitesse synchroue est habituellement de 3000 toura/minute. La présente invention fournit pour les bobinages des pôles statoriques d'une telle machine, un mode de réalisation nonveau, adapté pour une répartition optimale du champ tournant ici de pulsation double de la pulsation habituelle, et possèdant, par ailleura, de nombreux avantages d'ordre pratique. A cet effet, la bobinage objet de l'invention comprend des conducteurs exiaut "aller" et "retour" répartis symétriquement, de part et d'autre du plan médian ddu pôle statorique, et immêdiatement à partir de ce plan médian, tous les conducteure "aller" étant situés d'un même côté dudit plan médian, et toue les conducteurs "retour" étant située de l'autre côté. Un tel bobinage se distingue surtout des bobinages classiques par le fait que les conducteurs axiaur de ses enroulements occupent les encoches du stator immédiatement de part et d'autre et à partir du plan de symétrie du pôle. 3ien entendu, les bob ages de tous les pales statoriques de la machine seront réalisés selon ne même principe. Cette disposition permet d'obtemir, dans l'entrefer de chaque pôle, un champ tournant de pulsation doublée, résultant d'une répartition périphérique particulière du courant se rapprochant d'une fonction de cosinus de la moitié de l'angle polaire désigné par e. Le bobinage peut recouvrir le périmètre complet de l'entrefer, auquel cas la répartition périphérique du courant se rapproche évidennnt le plus de la répartition théorique fonction de cosinus e/s, le champ tournant étant lui aussi réparti suivant une fonction similaire sur tout le périmètre de l'entrefer. Le bobinage peut aussi. recouvrir seulement une partie du périmètre complet de l'entrefer, en ayant toujours des conducteurs axiaux présents immédiatement à partir du plan médian dui pôle, ce qui permet d'obtenir le même genre de répartition du courant et du champ avec une approximation acceptable. Chaque conducteur axial "aller" du bobinage est asso cié à un conducteur axial "retour" tel que notamment le conducteur symétrique par rapport au plan médian du pôle, de manière à former une spire ; toutes les spires ainsi formées peuvent être montées soit en série, soit en parallele. Le bobinage selon l'invention est réalisable soit avec des fils de section ronde, soit avec des conducteurs plats, formés à partir de ruban ou par découpage, cette dernière solution permettant de séduire les profondeurs d'encoches, donc le diamètre total de la machine.De plus, l'utilisa- tion de conducteurs plats est particulièrement adaptée pour la réalisation d'un bobinage composé de spires montées en parallèle : dans ce cas, les conducteurs plats forment des spires superposées, symétriques par rapport au plan médian du pôle, dont toutes les extrémités situées d'un côté de ce plan sont superposées et réunies par une première connexion commune, et dont toutes les extrémités situées de l'au- tre côté dudit plan sont également superposées et réunies par une seconde connexion commune. Quelle que soit la section des conducteurs, le bobinage selon l'invention peut être formé préalabhlement et mis en place par l'extérieur sur un empilement de tôles annulaires avec des encoches ouvertes vers l'extérieur, qui après mise en place des enroulements du bobinage est logé dans la caracasse de la machine tournante.En effet, compte tenu de ce que dans les machines nci considérées la circu- lation du champ est strictement radiale dans les pôles statoriques et ariale dans la carcasse extérieure, et considérant de plus que cette circulation est et même sens radial (soit dirigée vers l'are, soit dirigée vers l'extérieur) sur tout le périmètre de l'entrefer de chacun des pôles, il peut être envisagé, sans accoitre exagérément les pertes magnétiques, , de de constituer chaque pôle statorique par nn empilement de tôles dont les encoches sont ou- vertes vers l'extérieur, et non pas vers l'intérieur.Cette conception procure une tres grande facilité pour la mise en place du bobinage, laquelle peut ainsi être automatisée assez simplement. En conservant un pôle statorique constitué par un empilement de tôles avec des encoches ouvertes vers l'extérieur, on peut aussi former le bobinage directement sur cet empilement de tôles. Pour l'explication du principe de l'invention, on a considéré jusqu'ici un seul bobinage, tel que le bobinage de l'un des deux pôles statoriques, décalés axialement, d'une machine monophasée. Bien entend linvention se rapporte plus généralement à des systèmes diphasés, triphasés ou polyphasés, auquel cas le bobinage d'une phase peut seit occupeur un secteur distinct des secteurs ocoupés par les bobinages des autres phases, soit chevaucher, partiellement ou totalement, les bobinages des autres phases. De toute façon, l'invention sera mieur comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatife, quelques formes de réalisation de ce bobinage pour stator de machine tournante electrique Figure 1 est uje vue en perspective, trés schématique, d'une machine tournante électrique monophasée avec deux pôles statoriques décalés axialementi dont chacun est pourvu d'un bobinage conforme à la présente invention Figure 2 est une vue en coupe, passant par un plan perpendiculaire a' à l'axe de la machine tournante de figure 1, montrant le bobinage de l'un des deux pôles statoriques Figure 3 est un diagramme indiquant la répartition periphérique théorique du courant, dans le bobinage de la figure 2 Figures i et 5 sont des vues similaires respectivement aux figures 2 et 3, mais relatives au bobinage de l'autre poule statorique de la meme machine tournante. Figures 6 et 7 sont des vues an coupe, très sehema- tiques, passant respectivement par les deux groupes de bobinges, réalisés conformément à l'invention, d'une machine tournante électrique triphasée ; Figure 8 représentes sous forme développée, les deux bobinages appartenant à l'une des phases de cette machine triphasée Figure 9 représente encore, sous forme développée, les deux bobinages appartenant å l'une des phases, dans une variante Figures 10 et 11 sont des vues an coupe transversale, illustrant un mode de mise an place possible du bobinage selon l1invention sur le pôle statorique correspondant, puis dans la carcasse de la machine tournante Figure 12 est une representation développée d'une autre forme de réalisation du bobinage objet de l'inven- tion Figure 13 en est une nue en coupe, suivant 13-13 de figure 12 Figure i4 est une vue an bout d'un pôle statorique pourvu du bobinage selon l'invention, cette vue illustrant une autre possibilité pour la formation du bobinage Figure 15 est une représentation développée du bobinage de la figure 14 Figures 16 et 17 sont9 enfin, des représentations de- veloppées de bobinages appartenant à des phases distinctes dans une machine polyphasée. la figure 1 rappelle le principe d'une machine tour- nante électrique selon la demande de brevet français N 82 11960 du leer Juillet 1982 au nom du Demandeur, dane le cas simple, pris pour exemple, d'une machine monophasée Le stator de cette machine comprend deux pôles (A9 B) déca- les l'une par rapport a l'autre suivant la direction de l'axe de rotation (2) du rotor (3), les deux pôles (A,B) étant situés ici sur une même généraitrice. Les bobinags des deux pôles statoriques (A) et (B) , qui font plus particulièrement l'objet de la présente invention, sont désignés respectivement par (4) et (5).Ainsi, la figure 2 est une vue en coupe passant par le pôle (A) et montrant le premier bobinage (4), et la figure 4 est une vue en coupe passant par le pôle (B) et montrant l'autre bobinage (5). En se reportant de nouveau à la figure 1, le repère (6) indique la circulation de l'induction magnétique, qui est de direction : radiale dans les pôles stateriques (A) et (B) et dans l'entrefer cylindrique, axiale entre les pôles rotoxiques (3a) et (3b), et axiale dans la carcasse (non représentée) entourant les pôles statoriques (A) et (B), comme déjà décrit dans la demande de préeitée au nom du Demandeur. Dans chaque bobinage (4, 5) les conducteurs axiaux "aller' et "retour" sont répartis symétriquement, de part et d'autre du plan médian du pôle (A, B), et immédiatement à partir de ce plan médian. Sur le pôle (A) et si l'on se réfère à la figrue 2, tous les conducteurs axiaux "aller" (7) sont situés à droite du plan médian (8), et tous les conducteurs axiaux "retour" (9) sont situés à gauche du plan médian (8). Un tel bobinage (4) permet d'obtenir dans le pôle (A) une répartition périphérique du courant se rapprochant, aux harmoniques près, de la répartition théorique indiquée sur la figure 3 qui est fonction de cosinue 6/2.La disposition des conducteure axiaux "aller" (10) et "retour" (11), par rapport au plan médian (12), est inversée pour le pôle (B) comme le montre la figure 4 La répartition périphérique du courant dans le pôle (B) siétablit donc comme dans le pôle (A), en fonction de cosinus #/2, avec inversion de signe (voir figure 5). La répartition périphérique du courant d'une machine classique se trouve donc ici ramenée sur deux périmètres d'entrefer, correspondant respectivement aux deux pôles (A, B). Le calcul de la cireulation de l'induction, figurée en (6) sur la figure 1, montre qu'avec la disposition choisie les ampères-tours dans l'entrefer sont eux aussi réartis suivant une fonction d'onde fondamentale sinusoïdale de #/a. Cette disposition, applicable non seulement à une machine monapha- sée mais plus généralement à une machine diphasée, triphasée ou polyphasée, permet d'obtenir dans l'entrefer des pôles (A, B) un champ tournant de pulsation double de celle d'une machine classique à même nombre de phases et de pôles. Ainsi, dans le cas d'une machine avec une paire de pôles (A, B) par phase, un courant de fr6quence égale à 50 Hz correspond ici à un champ tournant de fréquence égale à 100 Hz, donc àf une vitesse synchrone de 6000 tours/minute. Les figures 6 et 7 montrent, sous une forme très schéma- tique, les bobinages (4, 4r, 4") des pôles statoriques d'une machine tournante triphasée, correspondant au pôle (A) précé- demment considéré, et les bobinages (59 5', 5") des pôles statoriques respectivement associés aux précédents, c'est-à-dire correspondant au pôle (B) précédemment cousidéré, donc décalés axialement par rapport aux pôles du premier groupe. Sur la figure 8 sont représentés, sous forme développée, les bobinages (4, 5) appartenant soit aux deux pôles (A, B) de la machine monophasée initialement considérée (figures 1 à 5), soit à une paire de pôles associes d'une phase de la machine triphasée des figures 6 et 7. Chaque bobinage (4, 5) recouvre ici le périmètre complet de l'entrefer, les enroulements étant réalisés en spirale. Les conducteurs axiaux (7, 9) du premier bobinage (4) sont tous montés en série, et il en est de même pour tous les conducteurs axiaux (10, 11) du second bobinage (5). Ces deux bobinages (4, 5), considérés dans leur ensemble, sont eux-mênes montés en série, comme le montre la liaison indiquée en (13). Dans une variante, illustrée toujours sous forme développée par la figure 9, chaque bobinage (4, 5) recouvre seulement une partie du périmère complet de l'entrefer, laissant ainsi des encoches vides (14). Toutefois, conformément au principe de la présente invention, les conducteurs axiaux (7, 9, 10, 11) occupent toujours les encoches situées inmédiatement de part et d'autre des plans médians (8, 12) des pôles (A, B). Ces deux plans médians (8, 12) sont ici confondua puique les pôles associés (A, B0 se situent sur une même génératrice, mais ceci ne constitue nullement une obligation puisque les pôles statoriques assciês pourraient aussi être disposés sur des génératrices distinctes, notamment des génératrices diamétralement opposées comme décrit dans la précédente demande de brevet N 82 11960 au nom du Demandeur. Une réalisation pratique de chaque pôle, tel que celui désigné (A), est montrée aux figures 10 et 11. Le pôle (A) est constitué d'un empilement de tôles annulaires (15), dont les encoches (14) sont ouvertes vers l'extérieur. Les conducteurs axiaux (7, 9) du bobinage (4), préalablement formé, sont donc mis en place par l'extérieur dans les eneches (14), sur l'empilement des tôles (15) -voir figure 30. Ensuite, le pôle (A) constitué par l'empilement de tôles (15) pourvu du bobinage (4), est introduit axialement à l'intérieur de la carcasse (16). Pour la constitution de l'ensemble du stator, les deux pôles (A, B) sont mis en place, avec un certain espacement axial, à l'intérieur de la même carcasse (16), d'épaisseur appropriée pour conduire le flux magnétique, qui est finalement obturée par des flasques d'extrémité.En variante. la carcasse qui enveloppe les pôles statoriques peut, pour faciliter la mise en place de ces pôles, être constituée du plusieurs secteurs, assemblés autour des pôles et tenus, par exemple, par les plasques d'extrémité. Selon une autre forme de réalisation, montrée aux figrues 12 et 13, les bobinages (4, 5) zont constitués par la superposition de conducteurs plats (17), formes à partir de ruban ou par découpage. Ces conducteurs plats (17) forment des spires superposées 7 de longueur périphérique régulièrement crossante, de manière à posséder des tron çons de conducteurs axiaux répartis symétriquement de part et d'autre du plan médian (8, 12), et immédiatement à par tir de ce plan median.Toutes les extrémités de spires si tuées d'un côté du plan médian (8, 12) sont ioi réunies par une première connexion commune (18), et toutes les extrémites de spires situées de l'autre cote du plan médian sont réunies par une seconde connexion commune (19). Ainsi, tous les conducteurs "aller" sont montés en parallèle, de même que tous les conducteurs "retour", contrairement au système d'enrolement en série des figures 8 et 9. Ce bobinage à spires plates superposées, préalablement formé, peut astre mis an place sur les tôles d'un pôle statorique, puis à l'intérieur de la carcasse, de la manière déjà décrite précédemment en référence aux figures 10 et 11. Selon une autre possibilité, illustrée aux figures 14 et 15, le bobinage tel que (4) peut aussi être formé directement sur l'empilement de tôles (15) du pôle statorique (A) correspondant, les encoches (14) ôtant toujours ouvertes vers l'extérieur. Dans ce cas, les conducteurs du bobinage (4) forment des spires imbriquées, en respectant toujours la symétrie par rapport au plan médian (8), tous les conducteurs axiaux "aller" (7) ôtant situés d'un côté du plan médian, et tous les conducteurs axiaux "retour" (9) étant situés de l'autre côté du plan médian, les uns et les autres étant disposés immédiatement à partir dudit plan médian. Dans le cas d'une machine polyphasées les bobinages tels que (4, 4', 4") des différentes phases peuvent être séparés, c'est-à-dire occuper des secteurs distincts par exemple d'environ 120 chacun dans le cas d'une machine triphasée, comme le montre la figure 16. Les bobinages peuvent aussi se chevaucher, totalement ou partiellement, comme montre' sur la figure 17 pour les bobinages (4, 4') de deux phases seulement (dans un but de clarté du dessin). Les bobinages selon la figure 12 a spires plates , avec une section "en gradins" (voir figure 13), sont partioulièrement adaptes pour permettre les chevauchements. Comme il va de soi, et comme il ressort de ce qui pré- cède, l'invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation de ce bobinage pour stator de machine tournan- te électrique qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'eremples 9 elle en embrasse 9 au contraire, toutes les variantes fondées sur le même principe. - REVENDICATIONS 1. - Bobinage pour stator de machine tournante électrique, et plus particulièrement de machine tournante électrique dans laquelle les deux pôles (A, B) de chaque paire de pôles associes du stator ne sont pas disposes di- rectement en regard l'un de l'autre, mais sont décalés l'un par rapport à autre suivant la direction de l'axe de rotation (2) du rotor (3), caractérise en ce qu'il comprend des conducteurs axiaux "aller" (7, 10) et "retour" (9, 11) répartis symétriquement, de part et d'autre du plan médian (8, 12) du pôle (A, B), et immédiatement à partir de ce plan médian (8, 12), tous les conducteurs "aller" (7, 10) étant situés d'un même coté dudit plan médian, et tous les conducteurs "retour" (9, 11) étant situés de l'autre côté. 2. - Bobinage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il recouvre le périmètre complet de ltentrefer. 3. - Bobinage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il recouvre seulement une partie du périmètre complet de l'entrefer. 4. - Bobinage selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3 caractérisé en ce que chaque conducteur axial "aller" (7, 10) est associé à un conducteur axial "retour" (9, 11), tel que notamment le conducteur symétrique par rapport au plan médian (8, 12) du pôle (A, B), de manière à former une spire, toutes les spires du bobinage (4, 5) étant montées en série. 5. - Bobinage selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que chaque conducteur axial "aller" (7, 10) est associe à un conducteur axial "retour" (9, 11), tel que notamment le conducteur symétrique par rapport au plan médian (8, 12) du pale (A, B), de manière a former une spire, toutes les spires du bobinage (4, 5) ôtant montées en parallèle. 6. - Bobinage selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisé en ce qutil est réalisé avec des conducteurs plats (17), formés à partir de ruban ou par découpage. 7. - Bobinage selon l'ensemble des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les conducteurs plates (17) forment des spires superposées, symétriques par rapport au plan médian (8, 12) du pôle (A, B) , dont toutes les extrémités situées d'une côté de ce plan médian sont superposées et réunies par une première connexion commune (18), et dont outes les extrémités situées de l'autre côt6 dudit plan sont également superposées et réunies par une seconde connexion commune (19). Bobinage selon l'une quelconque des re"endica= tione 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est formé préalablement et mis en place par l'extérieur sur un empilement de tôles annulaires (15) avec des encoches (14) ouvertes vers l'extérieur. 9. - Bobinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, excepté la revendication 2, appliqué à une machine polyphasée, caractérisé en ce qu'il occupe un secteur distinet des secteurs occupés par les bobinages (4', 4") des autres phases que celle du bobinage (4) considéré. 10. - Bobinage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, appliqué à une machine polyphasée, caractérisé en ce qu'il chevauche, partiellement ou totalement, les bobinages (4', 4") des autres phases que celle du bobinage (4) considéré.