Brevet FR2535924A1 — publié le 19840511

PROCEDE DE BOBINAGE DE MACHINES ELECTRIQUES TOURNANTES, ET MACHINES AINSI BOBINEES Là présente invention concerne un procédé de bobinage des enroulements équipant des machines électriques tournantes, ainsi que les machines obtenues selon ce procédé. II existe, pour le bobinage des machines tournantes, comme dans toute activité industrielle, de nombreux procédés concurrents et, en conséquence, des outils variés. Un bobinage ou enroulement est un ensemble, constitué de conducteurs isolés entre eux et par rapport à la masse, disposé dans les encoches de la machine électrique. Il est induit lorsque, soumis à l'action d'un champ magnétique, il produit de l'énergie électrique ou mécanique ; il est inducteur lorsque, alimenté par une source d'énergie électrique, il crée un champ magnétique. Sur les machines tournantes le bobinage ne contribue pas toujours à la transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique (ou a la transformation inverse). Il peut, seulement, améliorer les conditions de fonctionnement, c'est le cas par exemple d'enroulements amortisseurs des machines synchrones ou connexions équipotentielles des machines à courant continu. Le bobinage peut ainsi être monté sur des parties fixes ou tournantes. En faisant abstraction des études et de la conception, on peut classer chronologiquement les différentes opérations de bobinage comme suit: - préparation des isolants (découpe, pliage, séchage); - préparation du circuit magnétique (nettoyage et/ou vernissage des flancs d'encoches); - isolation des conducteurs (émaillage, enrubannage); - formation des conducteurs ou des bobines (enroulement, étirage, cintrage); - isolation des bobines (enrubannage, gainage); - montage et calage des bobines (clavetage, frettage); - calage, soudage et isolation des connexions; - imprégnation, vernissage, finition, et contrôles. La plupart de ces opérations relèvent de techniques diverses connues, qui sont déterminées essentiellement par le type et par les dimensions de la machine à exécuter. Selon le cas d'espèce présenté, la mise en place et le choix de ces techniques s'avère être le plus souvent une question d'adaptation requérant du savoir faire. Dans ce qui suit, on considère plus particulièrment le procédé général de formation d'un bobinage sur un circuit magnétique de machine tournante. Les premières machines tournantes, dites machines Gramme du nom de leur inventeur, utilisaient des tores en matériau magnétique autour desquels étaient enroulés les conducteurs électriques formant les bobinages. Cette première méthode dite de bobinage toroïdal, encore appelée en anneau Gramme, est simple et permet de répartir aisément le bobinage, de manière uniforme ou non, sur une partie ou sur la totalité de la circonférence de la machine. Elle présente cependant un grave inconvénient résultant de la présence de brins actifs de conducteurs dans l'entrefer. Pour cette raison majeure, cette technique n'est plus guère utilisée sauf dans certains cas particuliers d'obtention de tensions élevées et les techniques actuelles utilisent généralement des tôles à encoches. Le rotor d'une machine tournante est ainsi généralement formé d'un anneau de tôles minces d'acier doux, isolées les unes des autres afin de diminuer les courants parasites. A la périphérie de cet ensemble de tôles on poinçonne des encoches, parallèles à l'axe du cylindre ainsi constitué destinées à recevoir les conducteurs induits. Les conducteurs sont reliés entre eux par des connexions latérales inactives de manière que dans chacun des circuits élémentaires réalisés, les forces électromotrices produites tendent à agir dans le même sens. Cet ensemble, dans le cas d'un moteur à courant continu notamment, est soumis au flux émanant d'un système inducteur ou stator constitué par 2p pôles alternativement Nord et Sud, régulièrement encastrés dans une culasse d'acier coulé ou de fonte concentrique à l'induit. Les pôles sont également réalisés le plus souvent avec des tôles dotées d'encoches. Selon que les tôles sont destinées â-un stator ou à un rotor, les encoches sont formées respectivement du côté de la périphérie circulaire interne ou externe correspondant au côté de l'entrefer. Selon les dimensions et le nombre de pôles les tôles peuvent être d'une seule pièce, ou prévues pour être montées sur croisillon, ou formées de segments. La forme des encoches est variées, établie en fonction notamment du type de machine tournante. Les bobinages se trouvent ainsi localisés en certains endroits imposés par la position et la forme des encoches. Ces types de bobinages à répartition angulaire localisée sont plus avantageux à de nombreux points de vue que les bobinages toroïdaux précités étant donné qu'il n'y a plus de brins actifs dans l'entrefer ; par contre, l'exécution du bobinage s'avère généralement plus complexe ainsi que la structure de la machine tournante. Un objet de l'invention concerne un procédé de bobinage permettant de remédier aux inconvénients de ces deux techniques tout en préservant les avantages respectifs, en appliquant la technique du bobinage toroïdal sur des tôles ou des armatures massives à encoches. Ainsi que l'on pourra s'en rendre compte, le procédé mis en oeuvre selon l'invention s'applique en effet tout aussi bien aux structures magnétiques feuilletées, c'est-dire-formées- de tôles et qui sont les plus utilisées, qu'à celles formées d'armatures massives en matériau magnétique, en ferrite par exemple. L'invention propose un procédé de bobinage des machines électriques tournantes utilisant au moins une structure magnétique à encoches, massive ou feuilletée, caractérisé en ce que le bobinage des conducteurs est effectué sur la structure magnétique selon un mode toroïdal en faisant passer les conducteurs, du coté entrefer de la structure magnétique, uniquement dans des encoches, de manière à préserver l'absence de brins actifs dans l'entrefer. Les particularités et avantages de la présente invention appa raîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui preprésentent: - Fig.l, un schéma de détail mettant en relief le procédé de base mis en oeuvre selon l'invention; - Figs.2 et 3, un mode de réalisation respectivement statorique et rotorique du bobinage selon la Fig.l - Figs 4 et 5, un mode préféré de réalisation des éléments statorique et rotorique des Figs 2 et 3; Figs.6 et 7s des variantes de réalisation du mode préféré selon les figures 4 et 5, portant sur la structure magnétique à encoches utilisée, et - Figs.8 et 9, d'autres variantes de réalisation du mode selon les figures 4 et 5, portant sur l'adaptation de la structure à encoches utilisée. Le procédé de bobinage selon l'invention consiste à appliquer un mode toroldal de bobinage sur des tôles à encoches en préservant l'absence de brins conducteurs actifs dans l'entrefer. La Fig. 1 de détail permet d'illustrer clairement ce procédé de base ainsi que les Figs. 2 et 3 correspondant respectivement à un stator et à un rotor. Ces vues sont perpendiculaires à l'axe de la machine. En se reportant à la Fig.l on distingue une structure magné tique à encoches 1 relative au rotor et une structure magnétique à encoches 2 relative au stator de la machine. En fait, il faut considérer pour chacun des éléments 1 et 2, dans le cas de tôles,un empilement de tôles identiques selon l'axe de la machine, c'est à dire, perpendiculairement au plan de figure. Chaque tôle est pourvue d'encoches telles El, E2. Ces encoches sont placées en regard sur chaque pile pour constituer des logements longitudinaux selon des génératrices du cylindre formé par l'empilement, pour y faire passer des conducteurs. Les parties pleines séparant les encoches sont appelées des dents, par exemple Di, D2. Les encoches et dents alternées sont réparties en général régulièrement et sont situées du côté entrefer EF.Le bobinage B1 pour le rotor, B2 pour le stator, est conformément à l'invention, toroidal en s'appuyant, côté entrefer, dans le fond et sur les parois des encoches El, E2 sans sortir du logement constitué par les encoches afin de préserver l'absence de brins conducteurs actifs dans l'entrefer. Sans entrer dans le détail1 les caractéristiques d'exécution telles que le nombre de spires passant par les encoches, le nombre de bobinages distincts, etc... seront définis notamment en fonction du nombre et de la position des pôles à former. Du fait du bobinage toroidal, les spires des bobines se situent dans des plans radiaux passant par lVaxe de la machine. Il peut être remarque que la conception qui vient d'être décrite ne ménage pas la présence de brins conducteurs du côté de la périphérie de la structure magnétique opposée à celle portant des encoches, c'est à dire la périphérie interne Cl du rotor et périphérie externe C2 du stator (Fig.Ï). Ces périphéries sont généralement circulaires, celle Cl du rotor pouvant comporter un logement pour clavetage ultérieur sur l'arbre - et celle C2 du stator des parties évidées pour la pose et les fixations à culasse.Il résulte que ce procédé de base risque de compliquer les opérations de centrage du stator et du rotor à cause des conducteurs qui débordent côté zip Cl et C2- et qui interdisent un centrage simple des deux armatures magnétiques 1 et 2 supportant les bobines B1 et B2. Pour y remédiers il est prévu selon une réalisation préférées de modifier la structure magnétique pour y adjoindre également du côté périphérique opposé à l'entrefer, des logements destinés à recevoir les conducteurs et éviter que ceux-ci ne débordent sur les surfaces cylindriques Cl et C2. Ceci revient, selon un premier mode de réalisation indiqué sur les Figs. 4 et 5, à modifier la forme de la tôle ou de l'armature massive (élément 10 Fiv. 5, 20 Fig. 4) en la dotant également d'encoches E3, E4 (ou de dents D3, D4) sur la périphérie C1, C2 correspondante. Il n'est toutefois pas nécessaire que les nouvelles séries de dents D4 et D3 introduites au stator et au rotor, soient en matériau magnétique comme l'illustre les Figs. 6 et 7. Dans le cas d'un stator (Fig. 6), la structure à encoches en matériau magnétique est réalisée par un élément 21 de plus faible diamètre extérieur que la valeur C2 prévue et un élément additionnel 22, concentrique avec le précédent, vient compléter la partie manquante pour ménager les encoches ou logements E4 du côté périphérique extérieur ayant le diamètre externe C2 voulu. L'élément rapporté 22 est réalisé en un matériau différent de celui de l'élément 21, par exemple un matériau isolant ou métallique non magnétique; il constitue ainsi un anneau dentelé 22 qui peut s'ajuster à l'extérieur d'un paquet de tôles classiques 21 mais de plus faible diamètre extérieur. L'ensemble sera bobiné comme indiqué sur la figure 4 en logeant les conducteurs dans les encoches de part et d'autre. Dans le cas d'un rotor (Fig.7), la structure est similaire mais inversée puisque l'élément Il correspond à celui 1 de la Fig.1 mais ayant un plus grand diamètre interne et l'élément 12 au complément à apporter pour atteindre le cercle interne Cl et disposer d'encoches E3 sur cette périphérie circulaire interne. L'avantage des variantes selon les Figs. 4 et 5 est de pouvoir constituer des surfaces circulaires Ci, C2 qui peuvent être usinées concentriquement aux diamètres d'entrefer rotor et stator avec les mêmes facilités qu'auparavant. Une autre remarque qui peut être faîte à la structure statorique selon la Fig.4, ou rotorique selon la Fig.5, est que le nombre de dents D3, D4, (ou d'encoches E3, E4) ménagées sur la périphérie opposée à celle côté entrefer n'a pas à être obligatoirement égal à celui des dents D1, D2 (ou encoches El, E2) réparties régulièrement du côté entrefer EF. Il n'y a pas lieu non plus que les dents D3, D4 (ou encoches E3, E4) soient de même. dimension ni régulièrement réparties sur les périphéries C1 et C2 correspondantes. Les Figs.-8 et 9 donnent deux exemples de réalisation avec trois dents et trois encoches identiques et réparties régulièrement.Il va de soi que ces réalisations périphériques à nombre de dents différent de celui de la machine côté entrefer, et à répartition angulaire régulière ou non, peuvent être combinées tout aussi bien avec les réalisations prece dentes décrites à l'aide des Figs. 6 et 7, c'est à dire portées par les éléments 12 ou 22 rapportés. On voit que pour passer du mode général exposé à l'aide des Figs. 1 à 3, au mode préférentiel selon les Figs. 4 et 5, ce dernier mode incluant ou non les variantes selon les Figs. 6 et 7 etlou selon les Figs. s et 9, le procédé de bobinage à seulement à tenir compte de la présence d'encoches de part et d'autre des tôles aussi bien du côté entrefer que de l'autre et que, sur ce dernier cotez le nombre et la disposition des - encoches reste relativement libre ce qui peut autoriser une plus grande souplesse d'exécution des bobines. Le procédé de bobinage selon l'invention permet le bobinage à la machine des machines électriques, en se servant de machines à bobiner les tores, tout en conservant les avantages is bobinages à répartition localisée. Il en résulte une fabrication facilitée et de moindre coût, particulièrment adaptée pour l'exécution de petites machines tournantes. La technique proposée s'applique à des circuits magnétiques massifs ou feuilletés, droits ou inclinés, ainsi qu'aux machines électriques de toutes sortes - machines à courant continu; - machines à courant alternatif; - moteurs et génératrices, amplificateurs rotatifs; - capteurs magnétiques à couplage inductif variable de type synchro, résolver, transformateur différentiel; - capteurs de positon angulaire, capteurs tachymétriques; - machines à plusieurs paires de pôles, etc ... REVENDICATIONS 1. Procédé de bobinage de machines électriques tournantes utilisant au moins une structure magnétique à encoches (1, 2), massive ou feuilletée, caractérisé en ce que le bobinage(B1, B2) des conducteurs est effectué sur la structure selon un mode toroïdal en faisant passer les conducteurs, du côté entrefer de la structure magnétique, uniquement dans des encoches (E i, E2), de maniere à préserver l'absence de brins actifs dans l'entrefer (EF). 2. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que la structure magnétique est pourvue d'encoches (E3, E4), également du côté périphérique opposé à celui correspondant à l'entrefer, dans lesquelles on fait également passer les conducteurs en sorte de ne pas déborder sur la périphérie (C1, C2) correspondante. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bobinage est réalisé sur une machine à bobiner les tores. 4. Machine tournante réalisée en utilisant le procédé selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisée en ce que les spires des bobinages (B1, B2) se situent dans des plans radiaux. 5. Machine tournante selon la revendication 4 et obtenue en procédant selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque structure magnétique (10,20) est pourvue d'encoche côté entrefer (El, E2) et du coté opposé (E3, E4), c'est à dire aussi bien du côté périphérique interne qu'externe, et est réalisée au moyen d'un assemblage concentrique de deux pièces en matériau différent (11-12, 21-22). 6. Machine tournante selon la revendication 5, caractérisée en ce que pour chaque structure, une première pièce est constituée par une structure mangétique à encoches conventionnelle (11, 21) mais de plus faible diamètre externe dans le cas d'un stator et de plus grand diamètre interne dans le cas d'un rotor, et d'une deuxième pièce qui constitue la partie complémentaires (21, 22) pour atteindre le diamètre désiré (C1, C2). 7. Machine tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce que la deuxième (21,22) pièce est en matériau isolant ou en matériau métallique non magnétique. 8. Machine tournante selon l'ensemble des revendications 2 à 4 ou selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que les -encoches (E3, E4). ménagées dans la structure magnétique du côté opposé à l'entrefer ne sont pas en nombre égal à celui des encoches (El, E2) du côté entrefer (EF). 9. Machine tournante selon l'ensemble des revendications 2 et 4 ou selon l'une quelconque des revendication 5 à 7, caractérisée en ce que les encoches ménagées dans la structure magnétique du côté opposé àl'entrefer sont de dimensions variables. 10. Machine tournate selon l'ensemble des revendications 2 à4 ou selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que les encoches ménagées dans la structure magnétique du côté opposé à l'entrefer sont réparties irrégulièrernent.