Brevet FR2959622A1 — publié le 20111104

Etat de l'art antérieur La présente invention concerne une machine électrique tournante à structure homopolaire comportant un stator et un rotor tournant autour d'un même axe de rotation que le stator, logés dans une carcasse, au moins le stator ou le rotor étant constitué d'au moins une bobine électrique de forme annulaire portée par une culasse annulaire magnétique comportant au moins deux pôles décalés angulairement à égale distance l'un de l'autre, ces pôles étant constitués par des pattes solidaires de ladite culasse annu- taire et repliées parallèlement audit axe. La structure et le fonctionnement d'une machine électrique tournante de ce type, telle qu'une machine tournante électrique, sont décrits dans les de-mandes de brevets n°2809240FR et n°2828027 (inventeur François Ber- not). La figure 1 présente l'état de l'art antérieur pour cette structure homopolaire, dans une version octopolaire, à stator à griffes triphasé et rotor à aimants superficiels. Une autre version peut comporter un rotor à aimants enterrés. Une autre version peut comporter un stator polyphasé, le nombre de phase étant quelconque (supérieur ou égal à l'unité). Une autre version peut comporter un rotor externe inversé. La réalisation de la figure 1 comporte trois stators identiques, qui seront no- tés dans ce document phases lorsqu'ils sont complets avec leur bobine (c4, c5 ou c6). Lesdits stators sont numérotés (cl ), (c2) et (c3). Ces galettes sont déphasées les unes par rapport aux autres d'un angle de 30° mécanique environ. Dans le cas de la réalisation présentée à la figure 1, l'angle (cl 0) vaut sensiblement 30° et l'angle (c11) vaut sensiblement 60°. L'angle (c10) correspond sensiblement au tiers de l'angle électrique de la machine tournante, ledit angle électrique étant égal à 360° (un tour) divisé par le nombre 1 de paires de pôles (quatre dans ce cas octopolaire). L'angle (c11) vaut sensiblement le double de l'angle (c10). Ces décalages angulaires peuvent être différents, en fonction des applications, mais ces variations relèvent de l'état de l'art antérieur connu, appliqué à d'autres structures de machines tour- nantes notamment. Elles ne servent qu'à optimiser la machine finale. Une version diphasée de ladite machine ne comporterait que deux stators (cl) et (c2), qui seraient alors décalés d'un angle (c10)=45° dans la réalisation octopolaire décrite à la figure 1. Les règles de calcul des décalages angulaires entre phase ou stators respectifs font partie de l'état de l'art antérieur. Dans la réalisation de la figure 1, les stators (cl), (c2) et (c3) ont une structure à griffe, qui est caractérisée par une ondulation apparente des bobines statoriques, notées respectivement (c4), (c5) et (c6) autour des plans de rotation X/Y (c12) de chaque stator. Ladite ondulation peut être obtenue par vrillage des dents statoriques, comme le propose la demande de brevet n°2809240, ou encore par encerclement des bobines (c4), (c5) et (c6) comme le propose la demande de brevet n°2828027. Dans cette dernière réalisation astucieuse, présentée à la figure 2 pour un nombre de pôles égal à 28, les stators (cl), (c2) et (c3) sont tous réalisés de la même façon, à partir de deux galettes identiques (b1) et (b2), enserrant une bobine (b3). Lesdites galettes sont assemblées l'une sur l'autre, conformément à la demande de brevet n°2828027, de façon à ce que leurs dents respectives (b4) et (b5) soient sensiblement équidistantes. La galette (b1) est posée sur la galette (b2), comme l'indique la flèche (b7). Les zones de contact (b30) entre les galettes (b1) et (b2) doivent être correctement réalisées, afin d'éviter les entrefers magnétiques indésirables dans la zone de contact. La formes de cette zone de contact (b30) peut ne pas être constituée d'un plan coplanaire selon X/Y (c12), mais adopter toute autre forme comme une ondulation ou encore un crénelage, qui autoriserait le calage angulaire relatif desdites galettes (b1) et (b2). La galette (b2) est décalée 2959622 ,3 1 angulairement par rapport à la galette (b1). Ledit angle de calage (b6) vaut dans le cas du stator de la figure 2 sensiblement la moitié de l'angle électrique de la machine, c'est à dire pour cette polarité de 14 paires de pôles présentée à la figure 2, la valeur : 12,857°. 5 Il est important de noter que les réalisations des figures 1 et 2 considèrent que chaque dent (b4) et (b5) forme un pôle électrique complet de la machine. Nous sommes par conséquent en présence dans la figure 1 d'un assemblage de machines électriques tournantes monophasées, réunies 10 axialement autour d'un même rotor (c7). Ledit rotor peut être de plusieurs natures, synchrone, asynchrone ou à réluctance variable. Les différentes réalisations connues à ce jour des rotors font partie de l'état de l'art antérieur, elles s'adaptent toutes à la présence d'un ensemble de stators à griffes, tel que décrit à la figure 1. 15 Nous nommerons dans la suite de ce document les stators (c1), (c2) et (c3) sous le nom de «phase», afin d'en clarifier le rôle. Dans toute la description qui suit, nous considérerons donc comme formant une phase complète l'en-semble formé par deux galettes (b1) et (b2), enserrant une bobine (b3). La 20 figure 3 reprend de façon plus synthétique cette proposition, en présentant ces deux galettes (dl) pour (b1), et (d2) pour (b2), qui sont réunies l'une contre l'autre selon la direction (d3), pour former une seule phase (d4), telle que décrite ci-dessus correspondant à la réunion de deux galettes (b1) et (b2), enserrant une bobine (b3). Il faut noter à ce stade la description de 25 l'état de l'art, l'intérêt de prévoir un moyen de maintien axial des galettes (b1) et (b2) l'une sur l'autre, qui peut consister par exemple en une rondelle élastique de serrage, montée en un endroit quelconque de l'axe de rotation du plan XY (c12). Toutes ces descriptions des figures 1 et 2 font partie de l'état de l'art antérieur. Elles incluent la version à stator inversé, où les dents (b4) et (b5) des 1 galettes (b1) et (b2) sont situées sur la périphérie extérieure, avec un rotor qui est situé extérieurement au stator. L'état de l'art antérieur fait apparaître clairement l'interchangeabilité des dif- férents éléments d'une machine tournante électrique, notamment leur position relative interne ou externe, comme le présente la figure 4. La phase (d4), constituée de deux galettes (dl) et (d2) peut être située à l'extérieur d'une pièce (e2), pour former alors une machine tournante homopolaire monophasée (e4). La phase (d4), constituée de deux galettes (dl) et (d2) peut être située à l'intérieur d'une pièce (e3), pour former alors une machine tournante homopolaire monophasée (e5). La juxtaposition axiale des ces ma-chines complètes (e4) ou (e5), décalées angulairement d'un angle adéquat, tel que connu de l'état de l'art explicité ci-dessus, forme une machine tournante polyphasée. Dans cette présentation de la figure 4, les pièces (d4), (e2) et (e3) peuvent être statiques ou tournantes. Si une pièce (d4) est tournante, il faut alors l'alimenter par des bagues ou tout autre système (diodes tournantes par exemple). La combinaison (d4) statique et (e2) à aimants tournants (ou inducteur bobiné), correspond à une machine (e4) formant une machine dite synchrone. La phase (d4) est alors alimentée en courant alternatif et selon les procédés de contrôle dits brushless connus de l'homme de l'art. La combinaison (d4) statique et (e3) à aimants tournants (ou inducteur bobiné), correspond à une machine (e5) formant une machine dite synchrone inversée. La phase (d4) est alors alimentée en courant alternatif et selon les procédés de contrôle dits brushless connus. 25 La combinaison (e3) statique et (d4) tournant, correspond à une machine 2959622 ,5 1 (e5) formant un alternateur à griffes, dit de Lundell, largement utilisé dans les moteurs thermiques. Toutes les autres combinaisons sont possibles, comme (d4) tournant et (e2) 5 statique, ou encore (d4) tournant et (e3) statique, ou encore les deux parties (d4) et (e2) tournantes, ou encore les deux parties (d4) et (e3) tournantes. Ces différentes combinaisons sont largement décrites dans l'état de l'art, pour les machines tournantes à structure coplanaire. 10 La description qui suit de l'invention, concerne la réalisation de la phase (d4), qui peut s'insérer dans les diverses configurations, que nous venons d'évoquer. Ladite phase (d4) peut être intégrée dans une machine tournante, personnalisée par des parties (e2) ou (e3). La configuration finale de la machine qui intègre ladite phase (d4) concerne toutes les variantes d'utili- 15 sation finale de l'invention qui suivent, plus celles non-mentionnées qui relèvent de l'état de l'art antérieur. La liste suivante regroupe de façon non-exhaustive différentes variantes possibles d'applications de l'invention dans une machine électrique 20 tournante : • machine synchrone avec rotor à aimants ou bobiné, • machine asynchrone avec rotor à cage ou bobiné, • machine à réluctance variable, à rotor passif ou actif (aimanté). La liste suivante regroupe de façon non-exhaustive différentes variantes possibles de réalisation de l'invention pour former une machine électrique tournante : • la disposition relative des différentes parties (d4), (e2) et (e3), pour for-mer une machine de type (e4) ou (e5), conduit à une machine à stator extérieur ou à stator intérieur, dite inversée, • machine monophasée, diphasée, triphasée ou polyphasée, obtenue par 1 empilement axial de machines élémentaires (e4) ou (e5) correctement déphasées les unes par rapport aux autres d'un angle électrique sensiblement égal à un tour électrique (360° divisé par le nombre de paires de pôles) divisé par le nombre de phases, ledit déphasage angulaire pou- vant être créé au niveau du rotor ou du stator, • machine polyphasée, comportant au moins une phase, où chaque phase électrique est constituée de plusieurs machines élémentaires (e4) ou (e5) électriquement connectées en série ou en parallèle électriquement • machine polyphasée, comportant au moins une phase, où les phases (d4) sont toutes alignées angulairement et où le déphasage inter-phase est causé par la rotation selon le cas, soit des aimants, soit des inducteurs bobinés, soit des conducteurs de la pièce complémentaire (e2) ou (e3) • machine polyphasée, comportant au moins une phase, où les bobines (b3) sont divisées en plusieurs enroulements distincts, eux-mêmes couplés d'une phase à l'autre en zig-zag, étoile, ou triangle pour former une machine polyphasée complète • l'ensemble peut former aussi un transformateur statique, où toutes les parties (d4), (e2) et (e3) étant statiques, forment un déphaseur statique. 20 25 2 Description de l'invention La présente invention expose une réalisation particulière du bobinage de cette structure de machine tournante homopolaire, qui fait intervenir un re- groupement de l'ensemble galettes (b1) et (b2) avec la bobine (b3), formant une phase complète (d4), puis une machine complète, par réunion de phases (d4). La figure 5 illustre la réalisation du résinage des phases (d4). Les galettes (b1) et (b2) sont réunies l'une contre l'autre, en enserrant la bobine (b3), comme spécifié à la figure 5, pour former une phase (d4). Une résine est injectée qui a pour but de combler tous les espaces (b7) compris entre les différentes pièces formant la phase (d4). Dans la description qui suit, la présentation de l'invention est étayée par des figures : • la figure 5 décrit le principe de l'assemblage des galettes (b1) et (b2) autour de la bobine (b3), puis leur résinage, • la figure 6 décrit le moule (b8), • la figure 7 décrit le principe d'insertion de plusieurs phases (d4) dans un stator (b12). Cette injection de résine utilise une pièce de moulage (b8), telle que représentée à la figure 5 et à la figure 6. Elle reçoit la phase (d4), afin d'éviter tout risque de coulure de la résine. Cette pièce (b8) est préalablement enduite de graisse de moulage et portée à une température appropriée au bon dé- roulement de l'opération de moulage. Ladite opération de démoulage utilise un chauffage adéquat de la bobine (b3), par injection d'un courant continu ou alternatif, qui a pour effet de décoller la résine du moule (b8) par dilatation différentielle entre le moule (d8) et la phase moulée (d4). Le résinage peut être réalisé sur une seule phase (d4) ou bien sur plusieurs phases (d4) simultanément, l'homme de l'art choisira la meilleure option et ,7 1 adaptera les dimensions du moule (b8) en conséquence. Cette opération de résinage intègre toutes les pièces de calage axial et angulaire des phases (d4), qui peuvent être requises par la réalisation de la machine tournante. Le support de bobinage de la bobine (b3) qui reçoit le fil conducteur, est avantageusement percé de trous ou d'encoches permettant aussi la diffusion interne correcte de la résine. Le positionnement et la quantité de ces trous et encoches sera laissé à l'initiative de l'homme de l'art, qui intégrera dans son choix les différentes contraintes de fabrication. Le choix de la qualité de la résine est tel que son coefficient de dilatation est sensiblement égal à celui du matériau magnétique afin de ne pas endommager la phase (d4) lors du fonctionnement. Il est avantageux que la résine soit isolante diélectriquement et conductrice thermiquement. La figure 7 présente un regroupement possible des fils des différentes bobines (b3) dans le cas d'une machine triphasée. Un nombre quelconque de phases électrique est envisageable avec la même technique de regroupe-ment en faisceau. Les fils (b11) issus des bobines (b3) sont réunis en un faisceau qui passe dans une rainure (b13) pratiquée à l'intérieur de la car-casse (b12) de maintien de la machine. L'assemblage des phases (d4) est ainsi facilité, car il suffit de glisser le paquet formé par l'ensemble des phases (d4) à l'intérieur de (b12), tout en guidant le faisceau formé par les différents fils (b11) dans la rainure (b13). Dans une autre réalisation, où une température très élevée est rencontrée, la résine de moulage peut être remplacée par une céramique qui recouvre les fils composants les bobines (b3). Dans ladite réalisation, les fils sont avantageusement maintenus sur un gabarit, qui peut servir de moule, puis recouverts de céramique en poudre. Le tout est cuit au four pour transformation de la poudre en céramique. Dans une première réalisation possible, les galettes (b1) et (b2) servent de moule si elles supportent la température de cuisson. Dans une deuxième réalisation possible, les galettes (b1) et (b2) sont placées autour de la bobine (b3) après cuisson de la céramique, grâce à un moule conçu spécialement à cet effet. Un procédé de cuisson possible consiste à faire passer un courant électrique suffisamment fort dans (b3), pour que la température du fil conducteur formant (b3) devienne suffisamment élevée afin de cuire la poudre céramique. Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être étendus à d'autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles électromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. Il est particulièrement spécifié que la présente invention peut s'appliquer de façon directe à une structure de machine de type (e4) (dite directe, phase (d4) externe), ou de type (e5) (dite inversée, phase (d4) interne). Le passa- ge de la description de ce document, qui expose au travers de ses figures et explications essentiellement la structure de machine (e4), à la structure (e5), s'obtient en effectuant une transformation symétrique radiale des pièces constituant les phases (d4), notamment sur les dents (b4) et (b5), qui deviennent alors extérieures à la phase. L'homme du métier saura effectuer cette transposition sans difficulté. Revendications1/ Procédé de réalisation d'un stator de machine homopolaire, caractérisé par la réunion des fils (b11) d'alimentation des différentes phases (d4) en un faisceau qui est passé dans une rainure (b13), ménagée dans le stator (b12). 15 20 25