Brevet FR2579385A1 — publié le 19860926

1.- "Machine synchrone sans balais à entrefer axial notamment comme moteur de robot " L'invention part d'une machine synchrone sans balais à entrefer axial avec un rotor en forme de disque portant des segments d'aiments permanents et deux paquets de tôles de stator de forme annulaires maintenus dans le boitier de la machine des deux côtés du rotor en forme de disque, ces paquets de tôles portant respectivement un bo- binage d'induit triphasé bobiné à partir d'un fil isolé avec des c8tés d'éléments s'étendant radialement et avec des têtes de bobinages internes et externes reliant les c8tés d'éléments. Dans une machine synchrone connue de ce type, les paquets de tôles de stator munies d'encoches s'étendant radialement sont revêtus du bobinage d'induit de façon que les c8tés d'éléments se placent selon une ou plusieurs cou- ches dans les encoches et les têtes de bobinages reliant les c8tés d'éléments sont disposées sur le bord interne et le bord externe des paquets de tôles de stator, en étant de préférence repliés en direction axiale. Cette machine syn- chrone cornue est mise en oeuvre comme moteur d'entraine- ment tour des robots car du fait de la grande capacité calo- rifique de leurs paquets de tôles de stator dans lesquels les bobinages d'induit sont directement insérés, elles ont une possibilité de surcharges élevées. Cependant, du fait des paquets de tôles: de stator encochés, il intervient des ccur es modulaires non sou-haitables et du fait des dents susceptibles d'être excitées magrntiquement, cette machine a tendance à émettre, selon sa vitesse de rotation et sa ré- -sonnance propre, des bruits plus ou moins intenses. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet, une machine synchrone caractérisée en ce que chaque paauet de t8les de stator est réalisé sous la forme d'un enroulement de t4te sans encoches en une bande d'acier de largeur constante, et que chaque bobinage d'induit est réalisé sous la forme d'un bobinage ondulé auto-porteur à deux couches, qui est collé sur la face frontale de l'enroulement de tôle par une masse de scelle- ment. La machine synchrone à entrefer axial conforme à l'invention définie ci-dessus, présente par contre l'avan- tage que sans réduire la possibilité élevée de surcharges de la machine, les couples modulaires habituels fortement marqués sont évités grâce aux paquets de tôles de stator exempts d'encoches. Les bruits d'origine magnétique sont également évités. La machine synchrone conforme à l'inven- tion est d'une technique de fabrication très simple tant en ce qui concerne son stator que son rotor. Les bobinages d'in- duit et les paquets de tôles de stator sont préfabriqués séparément et reliés ensemble par simple collage. L'enco- chage et le bobinage des paquets de tôles de stator, qui sont d'une technique de fabrication coûteuse, sont suppri- més. Grâce à la masse de scellement, une bonne transmission de chaleur est en outre garantie entre le bobinage d'induit, réalisé sous la forme de ce que l'on appelle un bobinage d'entrefer, et le paquet de tôles de stator. La machine synchrone conforme à l'invention peut être mise en oeuvre de façon également avantageuse aussi bien comme moteur de robot que comme générateur de véhicules automobiles. Les sections transversales de puissance néces- 3.- sairement plus importantes pour le générateur de véhicule automobile qui doit être réalisé sous la forme d'une machine basse tension, peuvent être réalisées par branchements en parallèles de bobinages partiels, sans pour autant que la hauteur axiale de construction du bobinage d'induit soit modifiée. La machine synchrone conforme à l'invention a pour les deux cas d'application, les masses en rotation ré- duites qui sont nécessaires et dispose, même pour une tempé- rature environnante élevée et grâce à un bon refroidissement par l'air, d'une possibilité de surcharge suffisamment élevée. La machine synchrone conforme à l'invention est dans une large mesure résistante aux secousses et convient donc pour l'exploitation sur des véhicules automobiles. Dans le cas de son utilisation comme générateur de véhicule automobile, les redresseurs nécessaires sont intégrés dans le boitier de la machine et disposés dans le courant d'air de refroi- dissement. La réalisation sous la forme de machines refroi- dies par un liquide est possible sans modification de la construction de la partie électrique. D'autres caractéristiques de l'invention rendent possibles des compléments avantageux et des amélio- rations de la machine synchrone à entrefer axial définie ci- dessus. Une forme de réalisation avantageuse de l'in- tion réside en ce que les c8tés d'éléments et les tètes de bobinages externes du bobinage ondulé, sont disposés selon seulement deux couches de bobinage superposées et que le fil, dans le cours du bobinage, est guidé du début à la fin du bobinage de façon que ce fil passe exclusivement dans la zone qu'il occupe de la couche de bobinage inférieure à la couche de bobinage supérieure, tandis que les transitions entre cou- ches se situent dans la zone des têtes de bobinages externes. Grâce à cette réalisation, le bobinage d'entrefer présente à l'exception des têtes de bobinages internes, une épaisseur axiale constante de deux épaisseurs de fil seulement. 4.- En outre, selon une autre caractéristique de l'invention, les cotés d'éléments orientés radialement s'éten- dent vers l'intérieur de façon que dans une couche de bobi- nage, les côtés d'éléments contigus apparternant à des élé- ments de bobinage différents se touchent au moins approxima- tivement au point de pliage des têtes de bobinage internes. Ainsi, les têtes de bobinage externes peuvent en outre être disposées partiellement à l'intérieur de la face frontale des paquets de tales de stator.Pour la même puissance de la machine synchrone, il en résulte un diamètre externe plus réduit du stator ou bien inversement, pour un diamètre ex- terne constant du stator, on obtient une puissance électrique plus importante. Une forme de réalisation avantageuse de l'in- vention est caractérisée en ce que les segments d'aimants permanents du rotor en forme de disque, sont enrobés entre deux couches d'armature et que ces couches d'armature sont rétreintes vers l'intérieur dans les intervalles polaires de façon qu'elles s'appliquent l'une sur l'autre et ménagent des canaux d'air radiaux. Grâce à ces dispositions, il est cr6éé entre les segments d'aimants permanents des canaux d'air radiaux à travers lesquels l'air est projetté vers l'extérieur lors de -la-rotation du rotor- en-forme de ---..... disque, cet air assurant un refroidissement plus intense des bobinages d'induit et des paquets de tôles du stator. L'invention va être exposée plus en détail en se référant à un exemple de réalisation représenté sur les dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une machine synchrone à entrefer axial mise en oeuvre -comme moteur de robot, - la figure 2 est une représentation schéma- tique d'un bobinage ondulé triphasé à deux couches pour la machine hexapolaires entrefer axial selon la figure 1, cette représentation étant limitée à une phase de bobinage et à 5.- l'indication des deux autres phases de bobinage. La machine synchrone à entrefer axial visible en coupe longitudinale sur la figure 1 comporte un bottier de machine 10 en deux parties avec deux flasques de palier 11, 12, dans lesquels est monté rotatif un arbre de rotor 13. Sur cet arbre de rotor 13 et solidaire de cet arbre en rota- tion, est monté un rotor en forme de disque 14 qui porte le système d'excitation constitué de segments d'aimants perma- nents 15. Dans le présent exemple de réalisation, six seg- ments d'aimants permanents 15 sont uniformément répartis sur la périphérie du rotor en forme de disque 14. Ces seg- ments d'aimants permanents 15 sont enrobés entre deux cou- ches d'armature 16, 17. Comme on peut le voir sur la moitié inférieure du rotor en forme de disque 14 sur la figure 1, les couches d'armature 16, 17 sont rétreintes vers l'inté- rieur dans les intervalles polaires, de sorte qu'elles s'ap- pliquent l'une sur l'autre. Il est ainsi crée des canaux d'air radiaux 28 pour mieux canaliser l'air de refroidisse- ment. Pour prendre en charge les efforts centrifuges, le ro- tor en forme de disque 14 est entouré à l'extérieur deun bandage 18 en un matériau à haute résistance. Un tel ban- dage 18 est constitué de plusieurs couches de tissu strati- fié de verre, qui sont enroulées sous précontrainte sur les segments d'aimants permanents 15. Comme matériau pour les couches d'armature, on utilise, soit de la matière plastique renforcée de fibres de verre (GFK), ou bien de l'acier non magnétique type - V2A -. Sur les deux côtés du rotor en forme de disque 14 et à une certaine distance axiale, un paquet de t8les de stator de forme annulaire 19 ou bien 20 est respectivement maintenu dans le boltier 10 de la machine. Chacun de ces paquets de t8les de stator 19, 20 revêt la forme d'un en- roulement de t8le exempt d'encoches 21, 22 constitué d'une bande d'acier de largeur constante. Les enroulements de tôle 21, 22 sont maintenus dans le bottier 10 de la machine en 6.- étant posés à la presse et sont bloqués contre un déplace- ment axial par des moyens de blocage, non représentés, tels que des broches radiales ou des éléments élastiques. Chaque paquet de tôles de stator 19, 20 ou bien chaque enroulement de tôle 21, 22 porte un bobinage d'induit triphasé 23, 24, bobiné en fil isolé, avec des côtés d'éléments 25 s'étendant radialement et avec des têtes de bobinages 26, 27 externes et internes reliant ces côtés d'éléments. Comme on peut le voir sur la figure 2, chaque bobinage d'induit 23, 24 est réalisé sous forme d'un en- roulement ondulé auto-porteur à deux couches. Les enroule- ments d'induits préfabriqués 23, 24 sont placés en tant que bobinage d'entrefer sur les faces frontales des enroulements de tôles qui leur sont associés 21 ou bien 22 et sont collés avec ceux-ci au moyen d'une masse de scellement conductrice de la chaleuro Comme on peut le voir en détail sur la figure 2, les côtés d'éléments 25 et les têtes externes de bobinages 26 des enroulements d'induits respectifs 23, 24, sont dispo- sés dans seulement deux couches superposées de bobinage, les côtés d'éléments 25 s'étendant radialement dans chaque cou- che de bobinage individuelle s'appliquant étroitement l'un sur l'autre au point de pliage des têtes de bobinage inter- nes 27. Sur la figure 2, seule une phase de bobinage du bo- binage ondulé triphasé en deux couches, dont le début est désigné par U et dont la fin est désignée par X, est com- plètement représenté, tandis que les deux autres phases de bobinage avec les débuts de bobinage V ou bien W et les fins de bobinage Y ou bien Z ne sont visibles qu'avec un peu plus d'un élément de bobinage. Sur cette figure 2, les côtés d'éléments 25 qui se situent dans la couche de bobinage inférieure sont indiqués en tirets, tandis que les côtés d'éléments 25 qui se situent dans la couche de bobinage supérieure sont représentés en trait plein. Lors de la réalisation du bobinage ondulé se- 7.- lon la figure 2, le fil isolé est guidé au cours du bobinage de chaque phase de bobinage du début U ou bien V ou bien W de la phase jusqu'à la fin X, ou bien Y ou bien Z de la phase de façon qu'il s'étende exclusivement dans la zone de la couche inférieure de bobinage dans la couche supérieure de bobinage. Les transitions de la couche inférieure de bobi- nage vers la couche supérieure de bobinage se situent exclu- sivement dans la zone des têtes de bobinage externes 26. Les trois phases de bobinage sont alors bobinées de façon continue, chaque phase de bobinage occupant environ un tiers d'un pas polaire. Il est également possible de préfabriquer séparément les trois phases de bobinage et de les emboiter ensuite l'une dans l'autre de la façon décrite. Le bobinage ondulé à deux couches représenté sur la figure 2, présente à l'exception des tètes de bobinage internes 27, une épais- seur axiale constante de deux épaisseurs de fil isolant, seu- lement. Il est ainsi possible de disposer une partie des têtes de bobinage externes 26 à l'intérieur des faces frontales de l'enroulement annulaire de tôle 21 ou bien 22, comme cela est visible sur la figure 1. Comme cela ne pouvait être représenté qu'à titre indicatif sur la figure 2, les têtes de bobinage ex- ternes 26 sont de préférence en forme d'arc, de sorte que les têtes de bobinage 26 voisines appartenant à différents éléments de bobinage se situant dans la même couche de bobi- nage, se touchent au moins le long d'un tronçon de tète de bobinage. Les côtés d'éléments 25 dans les deux couches de bobinage se situent dans deux plans s'étendant à angle droit par rapport à l'axe du rotor en forme de disque 14 parallèlement l'un par rapport à l'autre. Les transitions, dans les tètes externes de bobinage 26 entre la couche de bobinage inférieure et la couche de bobinage supérieure, sont telles qu'elles se situent dans le bobinage ondulé en deux couches 23, 24 collées sur le paquet de tôles de stator 19, 20 ou bien sur l'enroulement de tôle 21, 22, en dehors du 8.- paquet de tôles de rotor 19, 20 ou bien de l'enroulement de tôle 21, 22. Les enroulements de tôles 21, 22 constituant les paquets de tôles de rotor 19, 20, peuvent, pour leur maintien dans le bottier 10 de la machine, être également enrobés par injection avec le matériau du bottier. Le refroidissement des deux enroulements d'induit 23, 24 s'effectue comme suit: A travers les canaux d'air radiaux 28, l'air est projeté radialement vers l'extérieur lors de la rota- tion du rotor en forme de disque 14 et il parvient par des fentes de refroidissement 29 entre les paquets de tôles de rotor 19 ou 20 et le bottier de la machine fortement nervuré vers l'intérieur, à nouveau vers l'intérieur. De ces nervurages internes deux nervures internes 30 sont vi- sibles sur la figure 1. Une autre partie de la chaleur ar- rive du bobinage d'induit par l'intermédiaire de la masse de scellement conductrice de la chaleur dans les paquets de tôles de stator 19, 20 vers le bottier 10 de la machine, également fortement nervuré vers l'extérieur. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation représenté d'une machineaynchrone à entrefer axial prévu pour être mise en oeuvre en tant que moteur de robot. C'est ainsi que la machine synchrone à entrefer axial peut également trouver son application comme générateur de réseau de bord dans un véhicule automobile. De tels générateurs de réseau de bord sont conçus sous la forme de machines à basse tension. Les sections transversales conductrices plus impor- tantes nécessaires à cet effet, peuvent être obtenues par branchement en parallèle de bobinages partiels d'une phase de bobinage sans que le bobinage ait de ce fait, une hauteur constructive axiale plus importante. Les redresseurs néces- saires dans le cas de générateurs de réseau de bord sont intégrés dans le bottier de la machine et disposés dans l'écoulement d'air de refroidissement. La réalisation du 9.- générateur de réseau de bord est également possible avec un refroidissement par liquide. Le liquide de refroidisse- ment passe dans ce cas, dans des canaux sur la surface du boltier de la machine. La chaleur en provenance des enrou- lements d'induits est en partie délivrée aux canaux dans lesquels passe le fluide de refroidissement, par l'intermé- diaire de l'air dans l'espace interne de la machine synchro- ne et par l'intermédiaire du bottier fortement nervuré inté- rieurement de la machine. RE V E N D I C A T I 0 N S 1.- Machine synchrone sans balais à entrefer axial avec un rotor en forme de disque portant des segments d'aimants permanents et deux paquets de tales de stator de forme annulaires maintenus dans le bottier de la machine des deux c8tés du rotor en forme de disque, ces paquets de t8les portant respectivement un bobinage d'induit triphasé bobiné à partir d'un fil isolé avec des c8tés d'éléments s'étendant radialement et avec des têtes de bobinages in- terne et externe reliant les cotés d'éléments, machine syn- chrone caractérisée en ce que chaque paquet de t8les de stator (19, 20) est réalisé sous la forme d'un enroulement de tôle sans encoches (21, 22) en une bande d'acier de lar- geur constante, et que chaque bobinage d'induit (23, 24) est réalisé sous la forme d'un bobinage ondulé auto-porteur à deux couches, qui est coJié sur la face frontale de l'en- roulement de tôle (21, 22) par une masse de scellement. 2.- Machine synchrone selon la revendication 1, caractérisée en ce que les c8tés d'éléments (25) et les têtes de bobinages externes (26) du bobinage ondulé (23, 24) sont disposés selon seulement deux couches de bobinage super- posées et que le fil, dans le cours du bobinage, est guidé du début à la fin du bobinage de façon que ce fil passe ex- clusivement dans la zone qu'il occupe de la couche de bobi- nage inférieure à la couche de bobinage supérieure, tandis que les transitions entre couches se situent dans la zone des têtes de bobinages externes (26). 3.- Machine synchrone selon la revendication 2, caractérisée en ce que les côtés d'éléments orientés ra- dialement (25) s'étendent vers l'intérieur de façon que dans une couche de bobinage, les c8tés d'éléments contigus (25) appartenant à des éléments de bobinage différents se touchent au moihs approximativement au point de pliage des têtes de bobinage internes (27). 4.- Machine synchrone selon l'une quelconque 11.- des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que les têtes de bobinage externes (26) sont de préférence réalisées en forme d'arc de façon que les têtes de bobinage (26) voi- sines appartenant à des éléments de bobinage différents se situant dans la même couche de bobinage, se touchent au moins le long d'un tronçon de t9te de bobinage. 5.- Machine synchrone selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les c8tés d'éléments (25) dans deux couches de bobinage se situent dans deux plans s'étendant à angle droit par rapport à l'axe de l'induit en forme de disque (14) et parallèlement l'un à l'autre. 6.- Machine synchrone selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les têtes de bobinage externes (26) reposent au moins partiellement sur la face frontale de l'enroulement de tôle (21, 22). 7.- Machine synchrone selon la revendication 6, caractérisée en ce que les transitions, se situant dans la zone des t8tes de bobinage externes (26), entre la couche de bobinage inférieure et la couche de bobinage supérieure se situent à l'extérieur des enroulements de t8le (21, 22). 8.- Machine synchrone selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que les phases de bobinage du bobinage ondulé (23, 24) sont bobinées en continu. 9.- Machine synchrone selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que les trois phases de bobinage du bobinage ondulé (23, 24) sont préfa- briquées séparément et ensuite emboîtées les unes dans les autres. 10.- Machine synchrone selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les enrou- lements de tôle (21, 22) sont maintenus dans le bottier (10) de la machine en étant posés à la presse et sont bloqués en décalage axial par des moyens de blocage, tels que des 12.- broches radiales ou des éléments élastiques. 11.- I.achine synchrcne selon l'une quelconque des reverdications 1 à 10, caractérisée en ce que les seg- ments d'aimants permanents (15) du rotor en forme de disque (14) sont enrobés entre deux couches d'armature (16, 17), et que ces couches d'armature (16, 17) sont rétreintes vers l'intérieur dans les intervalles polaires de façon qu'elles s'appliquent l'une sur l'autre et ménagent des canaux d'air radiaux (28).