Brevet FR2886481A1 — publié le 20061201

Réduction du bruit d'une machine électrique tournante Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une machine électrique tournante comportant un rotor et un stator. L'invention concerne plus particulièrement le stator de la machine électrique tournante. L'invention trouve des applications notamment dans le domaine de l'industrie automobile et, en particulier, dans le domaine des alternateurs et des alterno-démarreurs. Etat de la technique Une machine électrique tournante comporte un rotor et un stator sur chacun desquels peut être réalisé un bobinage électrique comportant des éléments conducteurs. La machine électrique tournante peut être un alternateur qui transforme un mouvement de rotation du rotor en un courant électrique dans le stator. La machine électrique peut être également un moteur qui transforme un courant électrique, traversant le bobinage du rotor, en un mouvement de rotation du rotor. La machine peut enfin être réversible en transformant l'énergie mécanique en énergie électrique et vice et versa. Un stator d'une machine électrique tournante comporte de façon conventionnelle un corps présentant: - une culasse; - des encoches pour recevoir des éléments conducteurs; - des dents, rattachées à la culasse et disposées entre les encoches, destinées à coopérer avec les pôles d'un rotor. Or au cours de son utilisation, la machine électrique tournante crée un 2886481 2 bruit gênant pour le confort de l'utilisateur. Une partie de ce bruit provient des interactions magnétiques et mécaniques du rotor avec le stator de la machine. Pour éviter ces inconvénients, le document US 3 869 629 divulgue une 5 machine électrique comportant une chemise venant fermer des encoches régulièrement réparties dans le stator. Ces encoches reçoivent des éléments conducteurs du bobinage statorique. La chemise a une forme sensiblement cylindrique et est relié à un stator. Pour cela, la chemise comprend des zones en saillies séparées par des zones 10 de liaison. Les zones en saillies sont en vis-à-vis avec les dents du stator. Les zones de liaison ferment les encoches. Cette chemise permet de lisser les variation d'induction magnétique et donc par conséquent permet de réduire la variation des forces d'interactions 15 magnétiques du rotor avec le stator et donc le bruit magnétique. Le stator divulgué dans le document de l'art antérieur nécessite la réalisation d'une chemise devant s'adapter au plus juste à la forme des dents du stator. De plus, la chemise doit respecter une coaxialité stricte avec le stator mais également avec le rotor pour maintenir un entrefer constant. La réalisation et le montage d'une telle chemise sont ainsi longs et coûteux. Exposé de l'invention Aussi, un problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un stator qui permette: -de limiter le bruit dans la machine électrique tournante et notamment le bruit issu des interactions entre le rotor et le stator; - de réaliser cette limitation de façon simple et économique. Une solution au problème technique posé est selon un premier objet de la présente invention un stator caractérisé en qu'il comporte une couche chargée magnétiquement reliant au moins deux dents consécutives du stator. Selon des modes de réalisation préférentiels non limitatifs, le stator objet de l'invention présente les caractéristiques supplémentaires, prises isolément 2886481 3 ou en combinaison, énoncées ci-après. La couche relie les dents sur toute leur longueur axiale. La couche est une couche continue reliant l'ensemble des dents du stator. La couche a une épaisseur déterminée. La couche est une couche de peinture comportant des éléments métalliques. La couche est inoxydable. La profondeur des creux formés par la couche au niveau des ouvertures d'encoches est réduite. Selon un deuxième objet de l'invention, une machine électrique tournante est caractérisée en ce qu'elle comporte un stator selon le premier 20 objet de l'invention. Selon des caractéristiques supplémentaires: La machine électrique tournante comporte un rotor à griffes. La machine électrique tournante comporte un rotor à griffes portant des aimants permanents. Brève description des figures La Fig. 1 est une vue éclatée d'un rotor à griffes d'une machine 30 électrique tournante; La Fig. 2 est une vue en perspective d'un stator entourant un rotor d'une machine électrique tournante; La Fig. 3 est une vue en coupe transversale d'une partie d'un stator, selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention. 2886481 4 Dans la description qui suit, on a décrit un exemple non limitatif de machine électrique tournante. On a représenté à la Fig. 1, un rotor 10 de type à griffes. En variante, le rotor à griffes peut comporter des aimants permanents au niveau des pôles. Dans une autre variante, le rotor peut être de type à pôles saillants avec ou sans aimants. Dans la suite de la description, on utilisera une orientation axiale X-X d'avant en arrière qui correspond à une orientation de gauche à droite en considérant la Fig. 1. L'axe X-X est également l'axe de rotation du rotor. Le rotor 10 possède un arbre d'entraînement 1 qui permet le montage dudit rotor en rotation dans un carter (non représenté) de la machine. L'arbre est en rotation avec le carter par l'intermédiaire de roulements dont un seul 5 est représenté. L'arbre d'entraînement 1 comporte, sur une première extrémité, une partie filetée 19 pour la fixation d'une poulie (non représentée) et à une deuxième extrémité une partie pour la fixation de bagues collectrices 6 assurant l'alimentation électrique de la bobine 7 du rotor. De plus, l'arbre d'entraînement 1 supporte au moins une première roue 20 polaire avant 2, un noyau magnétique 3 recevant la bobine 7, une deuxième roue polaire 4, et le roulement 5. Le noyau magnétique 3 est ici un élément sensiblement cylindrique indépendant des deux roues polaires. La bobine du rotor de la machine électrique tournante est, quant à elle, réalisée dans un support de bobine 8, par exemple en matière plastique qui permet de recevoir et de guider au moins un élément conducteur lors de son enroulement. Le support est fixé, par exemple, par emmanchement à force sur le noyau magnétique. En outre, ce support de bobine peut avoir, en section axiale, une forme de U. Chacune des roues polaires 2, 4 comporte un plateau annulaire 11 portant à sa périphérie externe des griffes comprenant chacune une partie transversale 13 d'enracinement au flasque prolongée par une dent ou pôle 12, 14 d'orientation axiale. Les pôles 12, 14 sont, ici, au nombre de 6 pour chacune des roues polaires 2, 4. On peut trouver également des roues avec 7 ou 8 pôles. De plus, les pôles sont répartis angulairement de manière régulière 2886481 5 autour de l'axe X-X commun aux roues polaires 2, 4 et à l'arbre d'entraînement 1. Chacun des pôles 12, 14 d'une roue polaire s'étend axialement vers la roue polaire en vis-à-vis, de manière qu'ils soient imbriqués les uns dans les autres en délimitant radialement, avec la surface cylindrique externe du noyau 3, un espace dans lequel est agencé la bobine 7. A la Fig. 2, on a représenté un stator 20 entourant un rotor 10. En variante, le rotor peut entourer le stator. Le stator comporte un corps en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches 23, pour recevoir des éléments conducteurs 21. Le stator comprend également des dents 22 disposées entre les encoches 23 destinées à coopérer avec les pôles 12, 14 du rotor. Dans le cas d'une machine électrique triphasée simple, un pôle du rotor fait face à trois encoches. Dans le cas d'une machine double triphasée, un pôle du rotor fait face à 6 encoches. Les pôles 12, 14 du rotor sont aimantés alternativement. Par exemple, les pôles 12 appartenant à la roue polaire avant 2 sont polarisés nord, et les pôles 14 appartenant à la roue polaire arrière 4 sont polarisés sud. Lors de l'alimentation en courant de la bobine 7 du rotor, des lignes de flux se créent entre les pôles. Une ligne se déplace d'un pôle nord vers un pôle sud. Lorsque le rotor 10 tourne à l'intérieur du stator 20, les lignes de flux se 25 déplacent d'un pôle nord 12, vers un pôle sud 14 en passant par le corps du stator. Avec la rotation du rotor, l'induction magnétique au niveau du bord d'attaque des dents statoriques passe brutalement de 0 à sa valeur maximale à chaque passage d'un pôle 12, 14 du rotor devant ce bord. Or ces variations brutales créent un phénomène de vibration des dents. Un bruit magnétique va alors se produire entre le rotor et le stator. Ce bruit participe de manière importante, dans certaines plages de vitesses de fonctionnement de la machine, au bruit général de celle-ci. L'invention cherche notamment à limiter ces bruits magnétiques. La Fig. 3 présente une vue en coupe transversale d'une partie du rotor et du stator selon l'invention. 2886481 6 On peut distinguer les pôles 12, 14 du rotor, le stator 20 et l'entrefer 38. L'entrefer est, ici, l'espace radial séparant la surface périphérique axiale externe du rotor de la surface périphérique axiale interne du stator. On a représenté une dent 22 du stator. Celle-ci comporte une partie supérieure 33 rattachée à la culasse 36, une partie latérale 34 et une partie inférieure ou pied 35. La culasse 36 et les dents définissent les encoches 23, contenant les éléments conducteurs 21. Dans le cas où les pieds 35 des dents sont droits, l'encoche est dite ouverte. En variante, dans le cas où le pied 35 des dents a une forme évasée, comme présenté à la Fig. 3, l'encoche est dite semi-ouverte. Le pied 35 de la dent 22 comporte un bord d'attaque 40 où les variations d'induction au moment du passage des bords d'attaque 41 des pôles du rotor 15 sont les plus fortes. La Fig. 3 présente également des cales 37 utilisées pour fermer les encoches 23 et ainsi y maintenir les éléments conducteurs 21. Par ailleurs, le stator comporte une couche 39 chargée magnétiquement lui conférant des propriétés magnétiques supérieures à celles de l'air. Cette couche est alors apte à laisser passer un flux magnétique. Elle est notamment déposée sur la cale 37, reliant ainsi deux dents consécutives du stator. La couche peut être une couche de peinture comportant des particules métalliques guidant le flux. La couche peut être également rendue inoxydable par exemple en venant la recouvrir d'une couche supplémentaire inoxydable protégeant les particules métalliques de toute corrosion, par exemple une couche d'email. On peut ainsi utiliser la machine électrique tournante dans des milieux fortement salins. Au cours du fonctionnement de la machine, la dent 22 du stator va recevoir le flux de fuite 32 d'un pôle 12 du rotor au voisinage de celle- ci bien avant que ce pôle n'arrive au droit de cette dent. La partie magnétique de la couche va alors guider et amorcer le passage du flux de fuite 32 du pôle 12 dans la dent. Ainsi lorsque le pôle du rotor arrive au droit de la dent du stator considérée, cette dernière n'est pas soumise à une variation brusque du flux magnétique provenant du pôle 12 du rotor. En conséquence, la dent du stator, et notamment son pied 35, ne sera pas amenée à vibrer car la pente de la variation du flux magnétique aura été adoucie, limitant ainsi le bruit magnétique produit entre le rotor et le stator. On notera que le flux de fuite 32, produit par le pôle 12, s'annule au niveau de la dent 22 une fois que ce pôle est au droit de cette dent. Dans un mode de réalisation préférentielle, la couche relie au moins deux dents consécutives du stator sur toute leur longueur axiale. On permet ainsi un passage du flux 32 sur une plus grande surface entre les dents. Le flux de fuite 32 est à distinguer du flux utile 31. En effet le flux utile 31, provenant d'un pôle 12, entoure les encoches en créant dans les éléments conducteurs 21 une tension induite que l'on retrouve en sortie du bobinage du stator. Le flux de fuite 32, de part sont trajet dans le stator, ne contribue pas à la création de cette tension induite dans les éléments conducteurs. La présence d'un flux de fuite 32 est avantageuse dans le cas où la machine fonctionne en mode moteur. En effet dans ce mode particulier, la vitesse à vide de la machine est inversement proportionnelle au flux utile 31. Par la création d'un flux de fuite 32, on diminue le flux utile 31 et on augmente la vitesse à vide de la machine. On cherche à limiter cependant, dans la majeure partie des cas, le flux de fuite 32 afin d'atténuer les pertes de tension induite dans les éléments conducteurs 21 du stator. On notera que l'intensité du flux de fuite 32 dépend de l'épaisseur de la couche. A une épaisseur déterminée de la couche correspond alors une valeur de l'intensité de flux de fuite 32. Ainsi, lorsque la couche est dans un état de saturation magnétique, l'intensité du flux de fuite 32 pouvant passer par la couche est maximale. On peut maîtriser l'épaisseur de la couche par un procédé simple et économique, tel que par exemple un procédé utilisant un pistolet de peinture ou une buse dont le débit de dépose de peinture est maîtrisé. Ainsi, avec ce procédé l'ensemble de la surface interne du stator est 2886481 8 couvert par la couche. La couche est donc continue et repose sur l'extrémité radiale des pieds des dents et sur les cales 37 entre deux dents adjacentes. On vient ainsi retrancher la largeur de l'entrefer de l'épaisseur de la couche et donc par conséquent on augmente le flux utile 31. Le rendement (ratio du flux utile 31 sur le flux de fuite 32) de la machine électrique tournante en est amélioré. De plus, la couche continue donne également un aspect plus lisse à la surface interne du stator. On améliore ainsi sensiblement le bruit aéraulique entre le rotor et le stator. En effet, la rotation du rotor crée des tourbillons d'air dans l'entrefer qui vont s'amplifier au contact des ouvertures d'encoches. Or ici, les ouvertures sont partiellement comblées par la couche 39. Les tourbillons d'air sont donc atténués. La demanderesse a ainsi estimé par l'expérience que le gain de l'invention sur le bruit magnétique est de l'ordre de 3 à 6 dB et de l'ordre de 2 dB sur le bruit aéraulique de la machine électrique tournante. On notera que la part du bruit magnétique dans le bruit global de la machine est prépondérante lorsque la vitesse de la machine est réduite (inférieure à environ 6000 tours/minute) et qu'au-delà c'est la part du bruit aéraulique qui devient majeure. Avantageusement, on peut diminuer le bruit magnétique et aéraulique en limitant la profondeur des creux 30. On peut ainsi agir pour cela sur l'épaisseur des parties évasée des pieds des dents, sur lesquelles reposent les cales 37, en la diminuant. On peut également lors de la formation de la couche 38, combler d'avantage les creux 30 par un apport de matière au niveau des ouvertures d'encoches supérieure à la quantité de matière déposée sur le reste du stator. On peut pour cela prévoir un procédé qui déverse plus de matière au niveau de chaque ouverture d'encoche. La profondeur des creux 30 formés par la couche au niveau des ouvertures d'encoches est ainsi réduite. Dans une autre forme de réalisation où il n'y a pas de cale 37, on peut prévoir une couche, telle qu'une résine comportant des éléments magnétiques, qui en durcissant viendra, en plus de guider le flux de fuite 32, fermer l'encoche pour y maintenir les éléments conducteurs 21. 2886481 9 Ainsi, par un procédé simple et économique, on diminue les bruits magnétiques et aérauliques créés entre le rotor et le stator d'une machine électrique tournante. La présente description n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus. L'invention s'applique à tout type de machine électrique tournante tel qu'un alternateur, un ralentisseur électromagnétique ou un coupleur électromagnétique à courants de Foucault et également à tout type de machine électrique tournante réversible tel qu'un alterno-démarreur. 2886481 10 REVENDICATIONS 1. Stator (20) d'une machine électrique tournante comportant un corps présentant: - une culasse (36), - des encoches (23) pour recevoir des éléments conducteurs (21) ; - des dents (22), rattachées à la culasse et disposées entre les encoches, destinées à coopérer avec les pôles (12, 14) d'un rotor; caractérisé en ce qu'il comporte une couche (39) chargée magnétiquement reliant au moins deux dents consécutives du stator. 2. Stator selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche (39) relie les dents (22) sur toute leur longueur axiale. 3. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche (39) est une couche continue reliant l'ensemble des dents du stator. 4. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche (39) a une épaisseur déterminée. 5. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche (39) est une couche de peinture comportant 25 des éléments métalliques. 6. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche (39) est inoxydable. 7. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la profondeur des creux (30) formés par la couche au niveau des ouvertures d'encoches est réduite. 8. Machine électrique tournante caractérisée en ce qu'elle comporte un 35 stator (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Machine électrique tournante selon la revendication 8 caractérisée en ce que le rotor est un rotor à griffes. 10. Machine électrique tournante selon la revendication 8 caractérisée en 5 ce que le rotor est un rotor à griffes portant des aimants permanents.