Brevet FR2968480A1 — publié le 20120608

La présente invention concerne une machine tournante à courant alternatif comportant au moins un stator et un rotor de même axe et définissant entre eux un entrefer, ce stator et ce rotor étant logés dans une carcasse, le stator et/ou le rotor comportant au moins une culasse magnétique portant au moins une bobine électrique dont les spires s'étendent axialement, ces spires étant logées 15 dans des encoches prévues dans ladite culasse en regard dudit entrefer, ladite bobine définissant au moins deux pôles. On connaît bien ce type de machine tournante à courant alternatif pouvant constituer, par exemple, un moteur synchrone, asynchrone ou à réluctance 20 variable. Ces moteurs comportent en général un stator cylindrique bobiné et un rotor cylindrique. De manière connue, le stator comporte en périphérie intérieure des dents définissant entre elles des encoches ouvertes pour recevoir les spires de la ou des bobines. La partie du stator comprise entre le fond des encoches et son périmètre extérieur définissant la culasse magnétique, présente 25 généralement une section constante, aussi bien dans le plan radial que dans le plan axial, à l'exception de quelques entailles extérieures qui servent notamment à l'assemblage du moteur. Il est rappelé que le couple fourni par un moteur est proportionnel au volume du cylindre formé par son entrefer. Par conséquent, on peut considérer que la 30 forme des pièces magnétiques qui ramènent le flux magnétique vers l'entrefer est indifférente ainsi que le trajet du flux à l'intérieur de ces pièces. Lorsque le 1 flux magnétique tourne et, si la culasse du stator est cylindrique, alors le flux tourne de façon régulière. Mais, si des méplats ou des encoches sont pratiqués dans la culasse du stator, alors le flux ne peut plus passer par ces étranglements, ce qui l'oblige à faire marche arrière si la place est libre, créant dans ces étranglements une concentration locale du flux. Les machines tournantes actuelles à courant alternatif ayant une forme générale cylindrique sont de manière connue logées dans une carcasse de forme générale parallélépipédique. Les dimensions intérieures de cette carcasse sont déterminées en fonction du diamètre extérieur de la machine. Dans les différentes applications de ce type de machines tournantes, on cherche à réduire l'encombrement de ces machines tout en conservant des performances optimales en termes de couple et de rendement et en assurant une bonne évacuation des calories générées par la machine tournante. La configuration actuelle des machines tournantes ne permet pas d'atteindre cet objectif sans réduire les performances de ces machines. La présente invention vise à apporter une solution à ce problème en proposant un nouveau type de machine tournante à courant alternatif permettant de réduire les dimensions extérieures du stator et, de ce fait, l'encombrement général de la machine sans modifier ses performances et ni son refroidissement. Certaines variantes de réalisation de ce nouveau type de machine tournante présentent en plus l'avantage de pouvoir être recyclées facilement. Selon l'invention une telle machine tournante à courant alternatif est caractérisée en qu'elle comprend un stator et un rotor formant entre eux un entrefer, ledit rotor étant monté rotatif autour d'un axe relativement au stator, le stator ou le rotor comprenant une culasse magnétique portant au moins une bobine électrique dont les spires s'étendent au moins partiellement axialement, caractérisée en ce que la culasse magnétique présente une section variable dans un plan radial de ladite machine tournante. Ainsi, cette section variable comprend des zones de moindre épaisseur, agencées de sorte qu'elles créent des concentrations de flux. De préférence, c'est le stator qui comprend la culasse à section variable et en ce que le stator est disposé autour du rotor. Encore plus de préférence, le stator est disposé extérieurement relativement au rotor. Avantageusement, la section radiale de la culasse est délimitée à sa périphérie extérieure par des segments de droite répartis de manière à former sensiblement un polygone régulier autour de l'axe. Le nombre de segments de droite correspond préférablement au nombre de pôles de la machine tournante. 15 La culasse peut être réalisée à partir de tôles ferromagnétiques découpées et empilées selon l'axe. Elle peut aussi être réalisée à partir d'un matériau ferromagnétique transformé au moyen d'au moins l'une des techniques choisie dans le groupe comprenant au moins le moulage, le pressage, le frittage, 20 l'injection. Ainsi, la culasse à section variable peut être réalisée en une seule pièce. Ce matériau ferromagnétique peut avantageusement être une poudre métallique magnétique constituée de particules de fer électriquement isolées. Au lieu d'être réalisée en une seule pièce, la culasse peut être réalisée en 25 plusieurs éléments assemblés, le nombre de ces éléments correspondant par exemple au nombre d'encoches de ladite culasse à section variable et ces éléments comportant des formes complémentaires agencées . pour auto-positionner les éléments entre eux lors de leur assemblage.10 Avantageusement, la culasse comporte des alésages traversant sensiblement parallèles à l'axe et agencés pour recevoir des organes d'assemblage, par exemple de tiges de boulons. Les spires peuvent être logées dans des encoches prévues dans la culasse en regard de l'entrefer, les encoches s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe. Dans un autre mode de réalisation, les spires peuvent être logées dans des encoches s'étendant suivant une hélice autour de l'axe. Cette hélice a de préférence un pas angulaire égal à un nombre entier multiple du pas d'encoche, rapporté à la longueur axiale totale du circuit magnétique. La culasse peut avantageusement comprendre des ailettes de refroidissement s'étendant vers l'extérieur depuis la périphérie de ladite culasse. En outre, ou indépendamment, si la machine comprend une carcasse, le rotor et le stator formant un ensemble monté à l'intérieur de ladite carcasse, ladite carcasse et ledit ensemble peuvent former entre eux un jeu pour le passage d'un fluide de refroidissement, par exemple un gaz, notamment de l'air, ou un liquide. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux en référence aux 20 modes d'exécution qui seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 est une vue schématique d'une machine de l'art antérieur, en coupe suivant un plan radial ; - La figure 2 est une vue représentant deux demi-coupes radiales, la partie droite de la figure correspondant à la demi-coupe du stator de la machine de l'art antérieur de la figure 1, et la partie gauche de la figure correspondant à une demi-coupe d'une machine selon l'invention ; 25 30 - La figure 3 est une vue identique à celle de la figure 1 à laquelle a été ajouté un tracé des flux magnétiques à un instant donné ; - La figure 4 est une représentation schématique et en perspective d'une machine de l'art antérieur similaire à celle de la figure 1, mais comportant un nombre d'encoches réduit, afin d'en faciliter la compréhension ; et - La figure 5 est une vue identique à celle de la figure 2 à laquelle a été ajouté un tracé des flux magnétiques à un instant donné, afin d'expliquer comment opère une concentration de flux, selon l'invention. La figure 1 illustre une machine tournante 10 à courant alternatif appartenant à l'art antérieur. Telle qu'illustrée, cette machine correspond à un moteur asynchrone, tétra-polaire, constitué d'un rotor 11 cylindrique à cage entouré d'un stator 12 cylindrique bobiné, l'entrefer 13 entre ce rotor 11 et ce stator 12 étant constant. On aurait également pu prendre comme exemple un moteur synchrone ou à réluctance variable. Le rotor 11 est mobile en rotation autour d'un axe X. Le stator 12 comporte en périphérie intérieure, des dents 14 délimitant entre elles des encoches 15 agencées pour recevoir les conducteurs 16 d'une bobine 17 électrique enroulés en forme de spires. Dans l'exemple illustré, ces encoches 15 peuvent s'étendre parallèlement à l'axe de la machine ou suivant une hélice centrée sur l'axe de la machine. Aux figures 1 et 3, trois différentes phases sont respectivement repérées par les références P1, P2 et P3. Chaque phase P1-P3 correspond à une bobine 17 respective. Les conducteurs 16 de chaque bobine 17 sont symbolisés par des cercles avec un point lorsqu'ils sont parcourus par un courant qui semble sortir de la figure, en direction du lecteur et avec une croix lorsqu'ils sont parcourus par un courant qui semble entrer dans la figure, en s'éloignant du lecteur. Dans cette configuration, et comme illustré en partie droite de la figure 2, le stator 12 de l'art antérieur peut être assimilé à un anneau cylindrique, sa culasse 12' présentant une section radiale 24' constante à l'exception de quelques entailles 18 en périphérie extérieure qui sont utilisées pour l'assemblage de la machine 10. La figure 3 illustre les flux magnétiques issus de la configuration décrite à la figure 1, avec les sens de courants indiqués, à un instant donné. Dans l'exemple illustré à la figure 1, le stator 12 est tétra-polaire, c'est-à-dire qu'il forme quatre pôles, deux pôles nord N et deux pôles sud S, créés par deux bobines 17. L'alimentation des bobines 17 en courant alternatif variable dans le temps et la topologie de ces bobines 17 font que les flux tournent dans le temps afin de créer les conditions de synchronisme spatio-temporel propices à la création d'un couple moteur. La figure 4 présente, dans une vue en perspective, les éléments de la figure 1, pour une machine élémentaire ne comportant qu'un seul conducteur par pôle et par phase. Dans cet exemple, les encoches sont parallèles à l'axe X. Les intensités I1, I2 et I3 circulant dans chacune des bobines 17 sont représentées. On va maintenant décrire une machine 20 selon l'invention, notamment en référence aux figures 2 et 5, en ce qu'elles diffèrent des machines de l'art antérieur. Aux figures 2 et 5, le rotor 11 est représenté en pointillés, ces pointillés illustrant son périmètre extérieur. Telle qu'illustrée en partie gauche de la figure 2, une machine tournante 20 selon l'invention se différencie de l'art antérieur par la forme de son stator 22. Ce stator 22 comporte en périphérie extérieure des méplats 23 régulièrement répartis. Dans l'exemple illustré, le nombre de méplats 23 est égal à quatre permettant d'assimiler la section du stator 22 à un carré. La culasse 22' de ce stator 22 présente, du fait des méplats 23, une section radiale 24' variable avec des zones de moindre épaisseur 24 intercalées avec des zones de plus grande épaisseur 25, régulièrement réparties dans le plan radial. Cette section radiale 24' variable de la culasse 22' induit des perturbations et des déformations dans les lignes de flux magnétique. Notamment dans les zones de moindre épaisseur 24, les lignes de flux magnétique sont étranglées et certaines font demi-tour générant une concentration du flux dans ces zones, comme l'illustre la figure 5. Cette concentration du flux peut être adaptée au type de machine tournante et peut tenir compte du fait que l'induction dans l'entrefer 13 de cette machine doit préférablement être limitée aux environs de 0,5 à 1 Tesla, afin de ne pas saturer les dents 14 du stator 22; la saturation du fer étant atteinte avec une induction de l'ordre de 2 Tesla, tout en étant fonction de la qualité de la matière utilisée. A la figure 2, le diamètre intérieur du stator 22 de la machine selon l'invention est représenté de diamètre identique au stator 12 de l'art antérieur, de même que la forme, la disposition et le nombre des dents 14 et des encoches 15. En conséquence, le rotor étant aussi identique, le volume de l'entrefer 13 entre le stator 12, 22 et le rotor 11 reste inchangé, de même que le nombre de bobines 17 et de conducteurs 16. Les caractéristiques de la machine tournante 20 de l'invention restent de ce fait identiques à celles de la machine tournante 10 de l'art antérieur. En outre, l'épaisseur Hc de la section 24 est plus petite que celle de la section 24' de la culasse de l'art antérieur, et, qu'au contraire, l'épaisseur He de la section 25 est plus grande que celle de la section 24'. Grâce à la section carrée de la culasse 22' du stator 22, et notamment ses sections réduites 25, la hauteur et la largeur L22 de la culasse 22, donc celles de la machine tournante 20 selon l'invention, sont avantageusement réduites. Le stator 22 peut être réalisé au moyen de tôles ferromagnétiques découpées à la presse, empilées axcalement et maintenues par des tirants 26, ou tout organe d'assemblage adapté, logés dans des alésages axiaux 26' prévus, par exemple, dans les coins du stator 22, tel qu'illustré aux figures 2 et 5. Ces tôles, de forme extérieure carrée, peuvent être découpées dans un feuillard sans déchet de matière, d'où un coût de production réduit. On peut également réaliser ce stator 22 à partir d'un matériau ferromagnétique. Ce matériau peut être transformé au moyen d'au moins l'une des techniques choisie dans le groupe comprenant au moins le moulage, le pressage, le frittage, l'injection. Par exemple, le matériau ferromagnétique peut être constitué d'une poudre métallique magnétique formée de particules de fer électriquement isolées et assemblées par presse dans un moule. Ce stator 22 d'encombrement réduit peut être plus facilement ventilé. Comme illustré aux figures 2 et 5, l'ensemble formé pas le stator et le rotor est monté à l'intérieur d'une carcasse 27. Ainsi, dans un encombrement sensiblement identique à la carcasse d'une machine de l'art antérieur, comme illustré en partie gauche des figures 2 et 5, on peut prévoir un jeu J, définissant des passages 25' de circulation de gaz ou de liquide entre la carcasse 27 et le stator 22. Le gain de place obtenu permet aussi de prévoir, par exemple, des ailettes de refroidissement (non représentées) s'étendant depuis une surface radialement extérieure de la culasse 22. La carcasse 27, qui n'a qu'un rôle esthétique et de canalisation du fluide de refroidissement, peut être réalisée en aluminium embouti, en matières synthétiques moulées, montée à froid ou à chaud autour du stator 22. On peut aussi prévoir que qu'une carcasse 27 en matières synthétiques soit directement injectée autour du stator 22 ou encore que la carcasse 27 soit limitée à deux supports d'extrémité boulonnés sur les tôles du stator 22 par les tirants 26. De préférence, le rapport entre la plus grande largeur L1 d'une encoche 35 et 5 sa profondeur L2, représentées à la figure 5, est tel que L2/L 1 est inférieur ou égal à cinq. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du 10 métier tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. Ainsi, dans l'exemple illustré d'une machine tétra-polaire, le nombre de méplats 23 est de quatre. Le nombre de méplat est variable en fonction du 15 nombre de pôles N, S de la machine tournante, de sorte qu'on choisit un nombre de méplats 23 égal au nombre de pôles N, S ou au nombre de paires de pôles (N,S). Ainsi, le stator 22 aura une section polygonale dont les angles pourront être plus ou moins marqués. 20 Le rotor peut être synchrone, asynchrone, à aimants permanents, bobiné ou à cage. Le stator peut être massif, ce qui est particulièrement avantageux pour les moteurs rapides; il peut aussi être réalisé en plusieurs segments empilés axialement. Le stator peut aussi être massif ou être réalisé en plusieurs segments empilés axialement; il peut aussi être formé de plusieurs segments 25 angulaires assemblés autour de l'axe. Le nombre de pôle n'est pas non plus limité à quatre, comme dans l'exemple décrit. Il peut en comprendre un nombre quelconque. 30 Si, dans l'exemple décrit, le rotor est disposé autour du stator, un autre mode de réalisation de l'invention peut prévoir qu'au contraire ce soit le rotor qui 2968480 -10- entoure le stator. Notamment dans ce cas, les dispositions précédemment décrites en référence au stator peuvent aussi être appliquées au rotor. Le moyens de concentration radiale du flux décrits dans la présente demande, peuvent avantageusement être complétés par des moyens de concentration axiale du flux. REVENDICATIONS1. Machine tournante (20) à courant alternatif comprenant un stator (22) et un rotor (11) formant entre eux un entrefer (13), ledit rotor étant monté rotatif autour d'un axe (X) relativement au stator, le stator ou le rotor comprenant une culasse magnétique (22') portant au moins une bobine (17) électrique dont les spires s'étendent au moins partiellement axialement, caractérisée en ce que la culasse magnétique (22') présente une section variable (24,25) dans un plan radial de ladite machine tournante (20). 2. Machine tournante (20) selon la revendication 1, caractérisée en ce que c'est le stator (22) qui comprend la culasse (22» à section variable et en ce que le stator (22) est disposé autour du rotor (11). 3. Machine tournante (20) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la section radiale de la culasse (22') est délimitée à sa périphérie extérieure par des segments de droite (23) répartis de manière à former sensiblement un polygone régulier autour de l'axe (X). 4. Machine tournante (20) selon la revendication 3, caractérisée en ce que le nombre de segments de droite (23) est égal au nombre de pôles (N, S) ou au nombre de paires de pôles de ladite machine tournante (20). 5. Machine tournante (20) selon l'une des revendications 1 à 4, 25 caractérisée en ce que la culasse (22') est réalisée à partir de tôles ferromagnétiques découpées et empilées selon l'axe (X). 6. Machine tournante (20) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la culasse (22') est réalisée à partir d'un matériau 30 ferromagnétique transformé au moyen d'au moins l'une des techniques choisie 2968480 -12- dans le groupe comprenant au moins le moulage, le pressage, le frittage, l'injection. 7. Machine tournante (20) selon la revendication 6, caractérisée en ce 5 que le matériau ferromagnétique est une poudre métallique magnétique constituée de particules de fer électriquement isolées. 8. Machine tournante (20) selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que ladite culasse à section variable (22', 32') est réalisée en une seule 10 pièce. 9. Machine tournante (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite culasse à section variable (22') comporte des alésages (26') traversant sensiblement parallèles à l'axe (X) et 15 agencés pour recevoir des organes d'assemblage (26). 10. Machine tournante (20) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les spires sont logées dans des encoches (15) prévues dans la culasse (22') en regard de l'entrefer (13), lesdites encoches (15) 20 s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe (X). 11. Machine tournante (20) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les spires sont logées dans des encoches (15) prévues dans la culasse (22') en regard de l'entrefer (13), lesdites encoches (15) s'étendant suivant une hélice autour de l'axe (X). 12. Machine tournante (20) selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la culasse (22') comprend des ailettes de refroidissement s'étendant vers l'extérieur depuis la périphérie de ladite culasse. 2968480 -13- 13. Machine tournante (20) selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une carcasse (27), le rotor et le stator formant un ensemble (11,22) monté à l'intérieur de ladite carcasse, ladite carcasse (27) et ledit ensemble (11,22) formant entre eux un jeu (J) pour le 5 passage d'un fluide de refroidissement.