Brevet FR2811155A1 — publié le 20020104

- 1 - La présente invention concerne une machine asynchrone, et plus particulièrement une machine asynchrone ayant un nombre de pôles supérieur ou égal à quatre. Les machines asynchrones sont très largement répandues et présentent notamment pour avantage de ne pas utiliser d'aimants permanents et de pouvoir par conséquent fonctionner plus facilement à des températures élevées. Le rotor peut être à cage, coulée ou brasée, ou bobiné. Le stator comporte de manière conventionnelle une culasse présentant un circuit d'encoches avec des dents. Les enroulements du stator sont bobinés sur le circuit d'encoches avec un pas dentaire supérieur à un, ce qui signifie qu'un enroulement est séparé par plus d'une dent entre un aller et un retour dans le circuit d'encoches. Les enroulements forment, à l'extérieur de la culasse du stator, des têtes de bobine ou chignons dont l'encombrement axial est relativement important. Il existe un besoin pour disposer d'une machine asynchrone dont l'encombrement axial soit plus faible, afin de permettre notamment son utilisation sous le capot d'un véhicule automobile, comme alterno-démarreur par exemple. En outre, les têtes de bobine sont sources de pertes par effet Joule, ce qui limite le courant maximum. Il existe enfin un besoin pour simplifier la réalisation du stator, notamment l'opération de bobinage. La présente invention a pour objet une nouvelle machine asynchrone qui remédie à tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus. La machine asynchrone selon l'invention est à au moins quatre pôles et se caractérise par le fait que le stator est bobiné avec un pas dentaire égal à un. La fabrication du stator s'en trouve simplifiée, puisqu'il est plus facile de bobiner chaque enroulement sur une dent que de le bobiner de manière conventionnelle. De plus, les têtes de bobine sont raccourcies, de sorte que l'encombrement axial du stator est réduit, de même que les pertes ohmiques associées. Du fait de la diminution de ces dernières, on peut faire passer un courant plus important dans les conducteurs électriques, à pertes Joule équivalentes. Avantageusement, le nombre de dents du stator est choisi de manière à -2- éliminer les harmoniques d'espace de rang pair. On choisira ainsi le nombre de dents égal à 2mp, o p désigne le nombre de paires de pôles et m le nombre de phases. Dans une réalisation préférée, la largeur angulaire relative a des dents, au niveau de l'entrefer entre le rotor et le stator, est choisie de manière à minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang impair, supérieur ou égal à un rang limite prédéterminé, de préférence les harmoniques d'espace de rangs 11 et 13 pour une machine triphasée. Toujours dans une réalisation préférée, l'inclinaison ai des barres ou faisceaux de conducteurs électriques dans chaque encoche du rotor et le nombre d'encoches du rotor sont choisis pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang impair inférieur ou égal au rang limite précité, et de préférence pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rangs 5 et 7 pour une machine triphasée. Avantageusement, on choisira le nombre d'encoches du rotor pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang 7 et leur inclinaison pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang 5. Dans une réalisation particulière de machine asynchrone multiphasée à 2p pôles, p supérieur ou égal à 2, on choisit a voisin de 0,5, o a correspond à la largeur angulaire relative d'une dent du stator au niveau de l'entrefer, le nombre d'encoches du rotor Nr égal à 7p et l'inclinaison aci égale à 2n/5p, l'inclinaison ai étant l'angle autour de l'axe du rotor dont a tourné l'une des extrémité d'une encoche par rapport à l'autre extrémité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple non limitatif de réalisation, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique, en coupe, d'une machine asynchrone, - la figure 2 représente, isolément et de manière schématique, la carcasse magnétique du rotor, et la figure 3 représente l'évolution du taux d'harmoniques d'espace de rangs 11 et 13 en fonction de la largeur angulaire relative a des dents au niveau de l'entrefer. La machine asynchrone 1 représentée sur la figure 1 comporte un stator 2 et un rotor 3, d'axe X. Cette machine 1 est ici une machine triphasée à huit pôles et le stator 3- comporte vingt-quatre dents 4 servant chacune de noyau à un enroulement 5. Les encoches 8 formées entre les dents 4 reçoivent les enroulements 5. Le rotor 3 comporte des barres conductrices non représentées sur les figures, s'étendant chacune dans une encoche 7. Ces barres sont reliées à leurs extrémités axiales par des anneaux conducteurs. Les encoches 7 tournent d'un angle aci autour de l'axe X d'une extrémité axiale 7a à l'autre 7b. La largeur angulaire relative a de chaque dent, mesurée autour de l'axe X au niveau de l'entrefer 6, est choisie conformément à l'invention pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rangs 11 et 13. De manière générale, les harmoniques d'espace du champ magnétique dans l'entrefer sont donnés par la formule simplifiée suivante +oo 2V'2mN H(0) = E sin(nta/2m) Ih cos(ho)t-npO), n appartenant à Z*-E n=-oo ne o E représente l'ensemble des entiers pairs ou multiples de m. Cette formule est obtenue en prenant comme hypothèses simplificatrices un entrefer constant, une perméabilité infinie du circuit magnétique et l'absence de franges de flux. Dans cette formule, m correspond au nombre de phases, N au nombre de spires, n est l'ordre de l'harmonique d'espace, h l'ordre de l'harmonique de temps, p le nombre de paires de pôles, 0 la position angulaire autour de l'axe X du rotor et e la largeur de l'entrefer séparant le stator du rotor, cta est un rapport sans unité qui représente la largeur angulaire dentaire relative, laquelle correspond à la largeur angulaire d'une dent 4 du stator au niveau de l'entrefer 6 divisée par la largeur angulaire d'un pôle complet constitué d'une dent 4 et des deux demi-encoches 8 qui l'entourent et dans lesquelles se logent les conducteurs 5 de la bobine. at = m p 1 o ô désigne la largeur angulaire d'une dent 4 au niveau de Tn l'entrefer 6, en radians. Pour éliminer un harmonique d'espace de rang n, on choisit at de telle sorte -4- que: sin nrta/2m = 0, soit nua/2m = r, ce qui conduit à 2m a = (1). n Pour une machine triphasée, on voit qu'en choisissant a = 6/11 on élimine lharmonique d'espace de rang 11 et en choisissant a = 6/13 on supprime l'harmonique d'espace de rang 13. On choisit a de manière à réduire le taux -r des harmoniques de rangs 11 et 13, défini par: sin2(nnra/6) À= -v);n E {11;13} n n2sin2(!ac/6) On a représenté sur la figure 3 l'évolution de -r en fonction du paramètre a. On voit sur cette figure que r est minimum pour a = 0,5. On remarquera que les harmoniques d'espace de rangs 11 et 13 sont atténués quel que soit le nombre de pôles de la machine. Par ailleurs, le flux du rang d'espace n de l'ordre de temps h à travers un kim cadre du rotor formé par deux barres adjacentes et par les portions d'anneaux qui les relient est donné par la formule Bn,hDL sin(npao/2) 4n,h = sin[npnt/Nr] X X np npaJ/2 COS(g.,hwst-np Ok) (2) avec les mêmes hypothèses simplificatrices que précitées. Dans cette formule Bn,h désigne l'induction de rang d'espace n et d'ordre de temps h, D désigne le diamètre extérieur du rotor, L sa longueur, Nr le nombre d'encoches du rotor, ai l'inclinaison des encoches du rotor, gn, h le glissement relatif au rang d'espace n de l'ordre de temps h soit gnh = 1 - n (1 - g) o g désigne le glissement du rotor et Ok est h - la position angulaire de l'axe du kieme cadre à l'origine du temps. D'après la formule (2) figurant plus haut, on voit qu'il est possible d'éliminer les effets permanents de l'harmonique d'espace de rang n. c'est-à-dire son flux à travers le rotor, si l'on choisit le nombre d'encoches du rotor de telle sorte que sin(npx/Nr) = 0, soit npn/N, = a, ce qui conduit à: Nr = np (3) On voit également que l'on peut éliminer les effets permanents d'un harmonique d'espace de rang n' en choisissant ai tel que sin(2n'pctdj/2) = 0, soit n'pa./2 = A, ce qui conduit à: Ci = 23/n'p (4) De préférence, on choisira le nombre Nr le plus élevé possible. Ainsi, pour une machine à huit pôles, on choisira le nombre Nr égal à 28, ce qui permet de réduire les effets permanents de l'harmonique d'espace de rang 7. Pour éliminer les effets permanents de l'harmonique de rang 5, on choisira l'angle cti égal à 2n/40. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. On peut notamment mettre en ouvre l'invention dans une machine à plus ou moins de huit pôles. Lorsque la machine comporte moins de huit pôles, c'est-à-dire quatre ou six pôles, il est préférable que la vitesse de rotation du rotor soit élevée, par exemple supérieure ou égale à 6000 trs/mn, et que la machine fonctionne avec un couple et une induction relativement faibles -6- REVENDICATIONS 1. Machine asynchrone (1) à quatre pôles ou plus, comprenant un stator (2) et un rotor (3), le stator comportant un circuit d'encoches avec des dents (4) sur lesquelles sont bobinés les enroulements (5) du stator, machine caractérisée par le fait que le stator est bobiné avec un pas dentaire égal à un. 2. Machine asynchrone selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte huit pôles ou plus. 3. Machine asynchrone selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte quatre ou six pôles et par le fait qu'elle est agencée pour que le rotor tourne à une vitesse élevée, de préférence supérieure ou égale à 6000 trs/mn. 4. Machine selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisée par le fait que le nombre de dents (4) du stator (2) est choisi de manière à éliminer les harmoniques d'espace de rang pair. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la largeur angulaire relative a des dents, au niveau de l'entrefer (6) entre le rotor et le stator, est choisie de manière à minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang impair supérieur ou égal à un rang limite prédéterminé, de préférence les harmoniques d'espace de rangs 11 et 13 pour une machine triphasée. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'inclinaison aci des barres ou faisceaux de conducteurs électriques du rotor et le nombre Nr d'encoches (7) du rotor sont choisis pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang impair inférieur ou égal à un rang limite prédéterminé, et de préférence pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rangs 5 et 7 pour une machine triphasée. 7. Machine asynchrone selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que l'on choisit le nombre Nr d'encoches (7) du rotor pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang 7 et leur inclinaison cti pour minimiser le taux d'harmoniques d'espace de rang 5. 8. Machine asynchrone à quatre pôles ou plus, comportant un stator (2) comprenant un circuit d'encoches (8) et des dents (4) et un rotor présentant des encoches (7) pour loger des barres ou des faisceaux de conducteurs, caractérisée par le fait que le -7- stator comporte 2mp dents, o m désigne le nombre de phases et p le nombre de paires de pôles, par le fait que le stator est bobiné avec un pas dentaire égal à un, par le fait que la largeur angulaire relative at d'une dent du stator, au niveau de l'entrefer, est choisie voisine de 0,5, par le fait que le nombre Nr d'encoches du rotor est choisi égal à 7p et par le fait que l'inclinaison aci autour de l'axe (X) du rotor, dont tourne l'une des extrémités d'une encoche (7) du rotor par rapport à l'autre extrémité, est choisie égale à 2n/5p.