Brevet FR2861225A1 — publié le 20050422

L'invention concerne une machine électrique tournante polyphasée telle qu'un alternateur ou alternodémarreur, notamment pour véhicule automobile, du type comprenant à l'intérieur d'un carter un stator entourant un rotor, le stator comportant un enroulement triphasé en étoile et un enroulement triphasé en triangle dont les sorties sont reliées à des ponts redresseurs montés en parallèle entre la masse et la borne de sortie de l'alternateur, les deux enroulements étant reçus ensemble dans des encoches du stator. Une machine électrique tournante de ce type est connue par le brevet français N 2 737 063 auquel on pourrait se reporter pour plus de détails. Pour que les tensions produites par les deux enroulements, l'un en étoile et l'autre en triangle, soient identiques, il est indiqué que les spires de l'enroulement en triangle doit être i3 fois le nombre des spires de l'enroulement en étoile. Il est également précisé que le rapport des sections des spires des deux enroulements doit être la valeur l/ I3. L'état de la technique se limite ainsi à faire état de quelques effets positifs spécifiques que procure l'enroulement de stator composite. L'invention a pour but d'aller plus loin en proposant des possibilités d'optimiser les performances d'une machine électrique tournante telle que définie plus haut, grâce à l'enroulement de stator composite. Pour atteindre ce but, la machine électrique tournante selon l'invention dans laquelle le rapport des nombres des spires des enroulements en étoile et en triangle est choisi de façon que le nombre des spires de chaque enroulement soient des nombres entiers, tout en maintenant le rapport de ces nombres le plus proche possible de la valeur N/3, est caractérisée en ce que le nombre de spires de l'enroulement étoile et le nombre de spires de l'enroulement triangle sont respectivement de 3 et 5. Selon encore une autre caractéristique, le diamètre du fil de l'enroulement en étoile est différent du diamètre du fil de l'enroulement en triangle et le rapport des diamètres est choisi de façon à être proche du rapport optimal de des résistances des enroulements, et les diamètres des enroulements de stator en étoile et en triangle sont choisis pour obtenir un coefficient de remplissage des encoches supérieur à 50%. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'enroulement en étoile est formé par deux fils en parallèle, avantageusement bobinés en réparti. Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les spires de l'enroulement en étoile d'une encoche de stator sont disposées au niveau de l'ouverture d'encoche, en réparti, tandis que les spires de l'enroulement en triangle se trouvent dans le fond de l'encoche. Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, dans un rotor comportant des paires de pôles et des aimants permanents, le nombre des aimants est inférieur au nombre de pôles et les aimants sont disposés symétriquement au centre du rotor. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une machine électrique tournante de l'état de la technique; - la figure 2 illustre le schéma électrique d'une machine électrique tournante dont l'enroulement de stator comporte un enroulement en étoile et un enroulement en triangle, selon l'état de la technique; - la figure 3 est une vue en coupe, avec arrachement, du stator d'une machine électrique tournante selon l'invention; - la figure 4 est une vue en perspective d'un rotor d'une machine électrique tournante selon l'invention; et - la figure 5 est une courbe représentant l'état thermique T de la machine en fonction du rapport R des nombres des spires des enroulements étoile et triangle. En se reportant à la figure 1, on décrit ci-après brièvement une machine électrique tournante, dans le cas présent un alternateur, de l'état de la technique, auquel l'invention est applicable. Cette machine comporte essentiellement un carter 1 et à l'intérieur de celui-ci, un rotor 2 solidaire en rotation d'un arbre 3 et un stator 4 qui entoure le rotor et comporte un corps en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, ici du type semi-fermé, pour le montage des enroulements de stator formant de part et d'autre de celui-ci un chignon indiqué en 5. Le rotor est réalisé dans l'exemple représenté sous forme d'un rotor à griffes comprenant deux roues polaires 7, 8 axialement juxtaposées et présentant chacune un flasque transversal pourvu à sa périphérie externe de dents 9 de forme trapézoïdale dirigées axialement vers le flasque de l'autre roue polaire, la dent d'une roue polaire pénétrant dans l'espace existant entre deux dents 9 adjacentes de l'autre roue polaire, de sorte que les dents des roues polaires soient imbriquées. Un bobinage d'excitation 10 est implanté axialement entre les flasques et les roues polaires 7, 8. Il est porté par une partie de rotor en forme d'un noyau cylindrique, qui pourrait être distinct des flasques ou être en deux parties appartenant chacune à l'un des flasques. Lorsque le bobinage d'excitation 10 est activé, c'est-à-dire alimenté électriquement, le rotor est magnétisé et devient un rotor inducteur avec formation de pôles magnétiques au niveau des dents des roues polaires. En variante, le rotor peut être à pôles saillants et comporte alors plusieurs bobinages d'excitation enroulés chacun autour d'un tel pôle. L'arbre 3 du rotor 2 porte à son extrémité avant une poulie 12 appartenant à un dispositif de transmission de mouvements entre l'alternateur et le moteur thermique du véhicule qu'équipe l'alternateur, et à son extrémité arrière 13 des bagues collectrices reliées par des liaisons filaires aux extrémités du ou des bobinages d'excitation du rotor. Des balais appartiennent à un porte-balais représenté de façon générale en 14 et sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Le porte-balais est relié à un régulateur de tension. Le carter 1 est en deux parties, à savoir un palier avant 16 adjacent à la poulie 12 et un palier arrière 17 portant le porte-balais et le régulateur de tension. Les paliers sont de forme creuse et comportent chacun centralement un roulement à billes respectivement 19 et 20 pour le montage à rotation de l'arbre 2 du rotor 3. Les paliers sont, dans la machine représentée, ajourés pour permettre le refroidissement de l'alternateur par circulation d'air. A cette fin, le rotor porte au moins à l'une de ses extrémités axiales un ventilateur destiné à assurer cette circulation de l'air. Dans l'exemple représenté, un ventilateur noté 23 est prévu sur la face frontale avant du rotor et un autre ventilateur 24, plus puissant, à la face arrière, chaque ventilateur étant pourvu d'une pluralité de pâles indiquées en 25 et 26. En variante, l'alternateur peut aussi être refroidi par eau, le carter étant alors configuré pour comporter un canal de circulation d'eau approprié. Une machine électrique tournante du type représenté à la figure 2 et à laquelle l'invention est applicable comporte un dispositif d'enroulement de stator composite qui comprend, comme cela est représenté sur la figure 2, un enroulement triphasé en étoile 28 et un enroulement triphasé en triangle 29 dont les sorties sont reliées à des ponts redresseurs respectivement 30 et 31 comportant des éléments redresseurs tels que des diodes 32 ou des transistors du type MOSFET, notamment lorsque la machine est du type réversible et consiste en un alternodémarreur. Les ponts redresseurs sont montés en parallèle entre la masse et la borne de sortie continue 33. Les ponts sont des ponts double alternance du type Graetz. Pour que les tensions délivrées par les deux enroulements soient sensiblement identiques, le nombre de spires de l'enroulement triangle 29 est J3 fois plus important que le nombre de spires de l'enroulement étoile 28. Le rapport entre les sections des spires de l'enroulement triangle et les spires de l'enroulement étoile est de 1/I3. Etant donné que le schéma de la figure 2 est connu, par exemple par le brevet français N 2 737 063, il ne sera pas décrit ci-après plus en détails. Comme on le voit sur la figure 3, les spires des enroulements étoile 28 et triangle 29 sont disposées dans les mêmes encoches notées 35, les spires de l'enroulement triangle étant placées à proximité de l'ouverture 36 des encoches, tandis que les spires de l'enroulement étoile 28 se trouvent placées dans le fond. L'invention a pour but de perfectionner des machines électriques tournante du type représenté sur les figures 1 et 2 en optimisant leurs performances, notamment grâce à une configuration appropriée de l'enroulement de stator composite, et de mesures constructives supplémentaires, comme cela sera décrit ci-après. L'invention est esentiellement fondée sur la découverte que le choix du nombre des spires reçues dans chaque encoche du stator, des enroulements étoile 28 et triangle 29 a un impact considérable sur les performances de la machine. Dans le cadre de l'invention, on a constaté que pour obtenir des conditions thermiques optimales, le nombre de spires doit être le plus petit possible mais que le rapport du nombre de spires de l'enroulement triangle par rapport au nombre de spires de l'enroulement étoile doit être le plus proche possible de la valeur optimale égale à 'J3. Des mesures ont permis d'établir la courbe caractéristique représentée sur la figure 5 qui indique sur l'ordonnée l'état thermique de la machine, à savoir la température mesurée sur le fer du corps du stator ou au niveau des diodes des ponts redresseurs et sur l'abscisse le rapport R des nombres de spires des deux enroulements. L'abscisse porte ainsi différents rapports ou couples de spires envisageables en fonction des deux conditions et en prenant en compte que chaque nombre de spires doit être un nombre entier. Ainsi l'abscisse porte les rapports envisageables pour des nombres de spires de l'enroulement étoile 2, 3, 4. On constate que la courbe présente la forme d'une cloche s'ouvrant vers le haut, avec une valeur minimum entre les rapports 5/3 et 7/4, là où le rapport a la valeur optimale est de V3. La dégradation thermique à droite de la valeur 'N/3 lors de l'augmentation du nombre de spires de l'enroulement étoile s'explique par le fait que le chignon devenu alors important ne laisse pas passer l'air de refroidissement, ce qui a pu être mesuré sous forme d'une augmentation de la température du fer du stator. A gauche de la valeur J3 la thermique se dégrade parce que pour un nombre de spires d'enroulement étoile égal à 2, il faut associer quatre spires d'enroulement triangle, ce qui entraîne un rapport égal à 2 au lieu du rapport optimal N/3. Ce rapport éloigné de la valeur optimale provoque un déséquilibre dans le système électrique, ce qui se manifeste sous forme d'une augmentation des températures au niveau des diodes des ponts redresseurs. Par conséquent, il s'est avéré qu'une configuration d'enroulement comportant dans chaque encoche trois spires d'enroulement étoile et cinq spires d'enroulement triangle est particulièrement-avantageuse. Il a été indiqué plus haut, que l'enroulement de stator composite, c'està-dire en partie en étoile et en partie en triangle, doit encore respecter la condition que le rapport de la résistance de l'enroulement triangle doit être égal à la résistance de l'enroulement étoile multiplié par l/'13. Pour se rapprocher de ce rapport optimum de l//3, l'invention propose d'utiliser des fils d'enroulement triangle et d'enroulement étoile de diamètres différents. On obtient une optimisation des conditions thermiques dans laquelle la machine peut fonctionner, si l'on fait en sorte que le coefficient de remplissage des encoches soit supérieur ou égal à 50%, et que le diamètre des fils soit le plus gros possible pour assurer une bonne aération des chignons. Mais étant donné que la mise en place des spires dans les encoches est plus facile pour des fils d'un diamètre moins important, il est prévu de réaliser les spires de l'enroulement étoile par des fils en parallèle. Cependant, le nombre de fils en parallèle doit être le plus faible possible pour assurer la bonne aération des chignons. 1l s'est avéré dans le cadre de l'invention comme particulièrement avantageux de réaliser l'enroulement triangle avec un fil d'un premier diamètre et l'enroulement étoile avec deux fils en parallèle d'un second diamètre bobiné en réparti. En appliquant cette disposition au couple particulièrement avantageux de cinq spires d'enroulement triangle et de trois spires d'enroulements étoile dans chaque encoche du stator, on obtient la configuration représentée sur la figure 3 avec six fils d'enroulement étoile, à raison de deux fils par spire, au fond de l'encoche sous les cinq spires d'enroulement triangle. A titre d'exemple, dans un enroulement de stator composite sans dispositions en parallèle de fils, l'enroulement triangle pourrait être réalisé avec un fil de 1,6 mm et l'enroulement étoile avec un fil de 2,24 mm. La réalisation en parallèle des spires de l'enroulement étoile pourrait permettre l'emploi pour les fils d'enroulement étoile et les fils d'enroulement triangle des fils de diamètres respectivement de 1,6 mm et de 1,7 mm. Il est à noter que la disposition des fils d'enroulement triangle près de l'ouverture 36 des encoches 35 et des fils d'enroulement étoile dans le fond des encoches assure un bon équilibre en débit électrique. Cependant, pour améliorer les conditions thermiques et pour réduire le bruit de la machine, il est avantageux de placer les fils d'enroulement étoile en ouverture des encoches, en réparti, et des fils d'enroulement triangle au fond des encoches. Les performances, à savoir la puissance et le rendement, d'une machine selon l'invention peuvent encore être augmentées en utilisant un rotor présentant la configuration selon la figure 4. Ce rotor comporte, de façon connue en soi et par exemple décrite dans le brevet français N 2 784 248, interposé entre deux dents 9 adjacentes à la périphérie du stator tel que le stator 2 selon la figure 1, un certain nombre d'aimants permanents 38, en choisissant le nombre de ces aimants de façon qu'il soit inférieur au nombre de pôles du rotor et que leur disposition soit symétrique par rapport à l'axe du rotor. Cette disposition de l'invention est également applicable à des rotors du type à pôles saillants. Il est à noter qu'il est encore avantageux dans le cadre de l'invention de prévoir à la périphérie externe du corps du stator, en forme de paquet de tôle, un système élastique, avec à l'avant un joint plat 40 et à l'arrière des tampons 41, de la résine souple et thermoconductrice étant intercalée entre le palier avant et le corps du stator, comme on le voit sur la figure 1. 1l ressort de la description qui précède, que l'invention procure, par rapport à l'état de la technique, de multiples avantages, tels qu'une amélioration de la puissance massique, d'une diminution du bruit magnétique et du taux d'ondulation. Ces avantages sont obtenus grâce au décalage de 30 degrés électriques des deux enroulements étoile et triangle dans le stator en respectant un rapport du nombre de spires de J3 et un rapport de résistance des enroulements de 1//3. La machine pourrait être refroidie à air par un ventilateur avant et un.ventilateur arrière. La puissance de la machine peut encore être augmentée en utilisant des ventilateurs plus performants tels que des ventilateurs obtenue par superposition de deux ventilateurs élémentaires chacun comportant une série de pales. Le diamètre du fil de l'enroulement étoile est différent du diamètre du fil de l'enroulement triangle. L'enroulement étoile pourrait être bobiné avec deux fils en main et l'enroulement triangle avec un fil en main. L'enroulement étoile est bobiné en ondulé réparti et les fils utilisés sont des fils ronds pour améliorer le refroidissement des chignons du stator. La section du fil est supérieure ou égale à 1,5 mm. On pourrait alterner la position des phases dans le chignon. Pour améliorer encore le refroidissement des chignons, on prévoit des enroulements de hauteur axiale différente au niveau des chignons. Ainsi, l'un des enroulements s'étend en saillie axiale par rapport à l'autre enroulement au niveau de chaque chignon. Dans ce cas, on place l'enroulement étoile dans le fond des encoches. REVENDICATIONS 1. Machine électrique tournante polyphasée telle qu'un alternateur ou alterno-démarreur, notamment pour véhicule automobile, du type comprenant à l'intérieur d'un carter un stator entourant un rotor, le stator comportant un enroulement triphasé en étoile et un enroulement triphasé en triangle dont les sorties sont reliées à des ponts redresseurs montés en parallèle entre la masse et une borne de sortie commune, les deux enroulements étant reçus ensemble dans des encoches du stator, dans laquelle le rapport (R) des nombres des spires des enroulements en étoile (28) et en triangle (29) est choisi de façon que le nombre des spires de chaque enroulement (28, 29) soit un nombre entier tout en maintenant le rapport de ces nombres de spires le plus proche possible de la valeur.13 et le plus petit possible, caractérisée en ce que le nombre de spires de l'enroulement étoile (28) et le nombre de spires de l'enroulement triangle (29) sont respectivement de 3 et 5. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre du fil de l'enroulement en étoile (28) est différent du diamètre du fil de l'enroulement en triangle (29), en ce que les diamètres sont choisis de façon que le rapport des sections transversales des deux enroulements soit proche de la valeur 'J3 et en ce que les diamètres des enroulements de stator en étoile (28) et en triangle (29) sont choisis pour obtenir un coefficient de remplissage des encoches (35) du stator (4), qui est supérieur à 50%. 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'enroulement en étoile (28) est formé par deux fils en parallèle, avantageusement bobinés en réparti. 4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les spires de l'enroulement en étoile (28) dans une encoche de stator (35) sont disposées au niveau de l'ouverture (36) de l'encoche (35), en réparti, tandis que les spires de l'enroulement en triangle (29) se trouvent dans le fond de l'encoche 5. Machine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, dans un rotor (2) comportant des paires de pôles (9) et des aimants permanents (38) disposés à la périphérie du rotor entre deux pôles (9) adjacents, le nombre des aimants (38) est inférieur au nombre de pôles, les aimants étant disposés symétriquement par rapport au centre du rotor. 6. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le corps du stator (4) est fixé au carter (1) à l'aide d'un système de suspension élastique (40, 41). 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que le système élastique comprend à l'avant du corps du stator un joint plat (40) et à l'arrière des tampons (41). 8. Machine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le rotor (2) porte au moins un ventilateur arrière (24), d'une configuration très performante, telle qu'un ventilateur double obtenu par superposition de deux ventilateurs.