Brevet FR2986388A1 — publié le 20130802

PROCEDE D'ASSEMBLAGE D'UN STATOR SEGMENTE ET STATOR SEGMENTE CORRESPONDANT La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l'électrotechnique, et concerne plus précisément la fabrication d'un stator de machine électrique. Les stators de machines électriques sont classiquement assemblés par empilage de paquets de tôles, chaque tôle ayant été préalablement découpée selon le schéma d'une coupe radiale du stator à assembler. C'est le cas notamment des stators fabriqués en deux pièces, l'une de ces pièces étant une couronne (ou culasse) de maintien P1 et l'autre de ces pièces étant une étoile de denture P2, comme représenté sur la figure 1. Ces deux pièces, une fois formées par empilement de tôles découpées, sont imbriquées l'une dans l'autre pour former un paquet de tôles du stator complet. Ce type d'assemblage du paquet de tôles d'un stator présente l'avantage d'un bobinage facile : les bobinages sont posés sur l'étoile de denture avant l'imbrication de celle-ci dans la couronne de maintien, imbrication qui provoque la fermeture, dans une direction radiale au stator, des encoches de bobinage du stator. Par rapport à un stator classique en une seule pièce dont les encoches de bobinage restent ouvertes dans une direction radiale, à diamètre de stator égal, on bénéficie donc au bobinage d'un encombrement moins important entre deux dents consécutives du stator. En effet l'ouverture 01 entre deux dents de l'étoile de denture P2 est plus importante vers l'extérieur de l'étoile de denture P2, que l'ouverture 02 entre ces mêmes dents vers l'intérieur de l'étoile de denture P2. Ce type de stator segmenté, formé d'une couronne de maintien et d'une étoile de denture, permet d'augmenter la durée de vie de la machine électrique l'utilisant, grâce à une meilleure protection des bobines et de l'émail des fils de cuivre, qui est due à sa facilité de bobinage. En effet les bobines que l'on positionne sur ce type de stator sont préparées hors lignes d'assemblage, ce qui permet de maîtriser le formage des bobines et par conséquent une meilleure protection de l'émail des fils de cuivre. Ce type de stator est donc recherché. Néanmoins ce type de stator en deux pièces présente un circuit magnétique dégradé, notamment du fait des fuites de flux magnétique entre les dents du stator. La demande de brevet US20110101816 propose d'améliorer les propriétés magnétiques d'un tel stator, en diminuant la saturation du flux magnétique entre la couronne de maintien et l'étoile de denture du stator. Cette diminution de la saturation magnétique est obtenue par un dimensionnement optimisé des intervalles de tolérance et des dents du stator. Cependant une telle précision sur le dimensionnement des pièces et les intervalles de tolérance de fabrication d'un stator en deux pièces nécessite une chaîne de fabrication complexe et coûteuse. Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un procédé d'assemblage d'un stator segmenté et un stator segmenté, qui sont peu onéreux, permettent un bobinage simplifié et fournissent un circuit magnétique de bonne qualité. A cette fin, l'invention propose un procédé d'assemblage d'un stator segmenté comportant une couronne de maintien dans laquelle une étoile de denture est imbriquée, ladite étoile de denture comportant des dents reliées entre elles en leurs bases par de minces ponts de matière, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : une étape de découpe d'un ruban de tôle comportant lesdites dents reliées entre elles en leurs bases par de minces ponts de matière, - une étape d'enroulement en spirale dudit ruban, formant ladite étoile de denture, - et une étape d'imbrication de ladite étoile de denture dans ladite couronne de maintien. Les dents de l'étoile de denture sont tournées vers l'extérieur de l'étoile de denture, les bases étant de premières extrémités les plus internes de ces dents par rapport à l'étoile de denture, les secondes extrémités de ces dents comportant des motifs convexes sensiblement complémentaires à au moins une partie des motifs concaves découpés dans ladite couronne de maintien, partie dans laquelle s'imbriquent les motifs convexes de l'étoile de denture. Grâce à l'invention, les fuites de champ magnétiques dans les isthmes d'encoches de bobinage du stator sont réduites, du fait de la déformation mécanique subie par ces isthmes lors de l'enroulement en spirale du ruban de tôle formant l'étoile de denture du stator segmenté selon l'invention. De plus la fabrication de l'étoile de denture par enroulement d'un ruban en spirale, permet de découper à plat ce ruban et donc de réduire les chutes de tôle par rapport à l'art antérieur. En effet dans l'art antérieur les étoiles de dentures sont généralement fabriquées par empilement de tôle découpées chacune selon une étoile de denture, ce qui génère beaucoup de chutes de tôle. De plus l'invention nécessite une précision de découpage des pièces moindre par rapport à la demande de brevet US20110101816. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ladite étoile de denture est en tôles à grains orientés, et ladite couronne de maintien est en tôles à grains non orientés. Cette caractéristique supplémentaire permet d'améliorer encore le rendement d'un moteur utilisant le stator selon l'invention, en adaptant l'orientation des grains magnétiques du stator de manière optimale. En effet : - la couronne de maintien est formée de tôles à grains non orientés pour tenir compte du champ magnétique très variable dans cette partie du stator ; préférentiellement, cette couronne de maintien est formée par empilement de tôles découpées. tandis que les dents du stator, ou plus précisément l'étoile de denture, sont préférentiellement découpées dans ledit ruban fait d'une tôle à grains orientés dans une direction transversale audit ruban, les bases des dents reliées entre elles formant un des bords du ruban. Ces bases reliées entre elles par les ponts de matière forment le contour intérieur de l'étoile de denture. Autrement dit le champ magnétique, radial dans les dents du stator lorsque le moteur fonctionne, suivra naturellement le sens d'orientation des grains magnétiques dans lequel sont réalisées ces dents. Il est à noter que cette orientation des grains magnétiques dans les dents est possible grâce à la découpe en ruban de l'étoile de denture. En effet en découpant directement une étoile de denture dans une tôle magnétique à grains orientés, on obtiendrait des dents dont les grains magnétiques seraient orientés dans des directions très différentes du sens que prend le champ magnétique dans la denture lors du fonctionnement du moteur. Selon une autre caractéristique avantageuse, l'étape d'imbrication est précédée d'une étape de bobinage de ladite étoile de denture. Cette étape consiste par exemple en l'insertion de bobines préformées autour des différentes dents de l'étoile de denture, ce qui procure les avantages mentionnés plus haut en relation avec l'art antérieur concernant un bobinage aisé et préservant l'émail des fils de cuivre. L'invention concerne aussi un stator segmenté comportant une couronne de maintien dans laquelle est imbriquée une étoile de denture, ladite étoile de denture comportant des dents reliées en leurs bases par de minces ponts de matière, ledit stator segmenté étant caractérisé en ce que ladite étoile de denture est formée d'un ruban de tôle enroulé en spirale. Selon une caractéristique avantageuse, l'étoile de denture du stator segmenté selon l'invention est en tôles à grains orientés, et ladite couronne de maintien du stator segmenté selon l'invention est en tôles à grains non orientés. Selon une autre caractéristique avantageuse, les grains magnétiques de l'étoile de denture du stator segmenté selon l'invention sont majoritairement orientés radialement audit stator segmenté. Selon encore une autre caractéristique avantageuse, la couronne de maintien du stator segmenté selon l'invention est formée par empilement de tôles découpées. Le stator segmenté selon l'invention présente des avantages analogues à ceux du procédé d'assemblage selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1, déjà décrite en relation avec l'art antérieur, représente un stator en deux parties comprenant une étoile de denture et une couronne de maintien, - la figure 2 représente des étapes du procédé d'assemblage d'un stator segmenté selon l'invention, - la figure 3 représente une couronne de maintien d'un stator segmenté, - la figure 4 représente un ruban de tôle découpée et une étoile de denture, - la figure 5 représente un enroulement en spirale de ce ruban, - la figure 6 représente un enroulement en spirale d'un autre ruban de tôle découpée, - et la figure 7 représente un stator segmenté selon l'invention, dont certains détails sont été agrandis. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le procédé d'assemblage d'un stator segmenté selon l'invention comporte des étapes El à E5 représentées à la figure 2. La première étape El est la fabrication d'une couronne de maintien CM, représentée à la figure 3. Cette couronne est fabriquée par empilement de tôles magnétiques, par exemple en alliage FeSi, découpées selon le dessin de la figure 3 représentative d'une coupe radiale de la couronne de maintien CM. La couronne de maintien CM est ornée intérieurement d'une répétition de motifs concaves, destinés à recevoir les dents d'une étoile de denture. Plus précisément un motif sur deux reçoit une dent de l'étoile de denture. Ces tôles empilées sont faites à grains non orientés, pour ne privilégier aucune direction particulière de champ magnétique. On obtient ainsi une couronne de maintien CM cylindrique dont l'intérieur est creusé de sillons parallèles suivant l'axe de rotation du rotor destiné à fonctionner dans le stator segmenté selon l'invention. En variante de réalisation, la couronne de maintien CM est fabriquée par assemblage de plusieurs pièces faites chacune de tôles découpées puis empilées, ou par un autre procédé de fabrication. Elle peut donc elle-même être segmentée. Cette variante permet d'économiser des chutes de tôle. La deuxième étape E2 est la découpe d'un ruban de tôle R1, représenté à la figure 4, comportant des dents reliées entre elles en leurs premières extrémités par de minces ponts de matière. Ces dents comportent à leurs secondes extrémités des motifs convexes sensiblement complémentaires aux motifs concaves de la couronne de maintien CM. Ces dents sont destinées à former une étoile de denture ED telle que représentée également sur la figure 4. Les ponts de matière reliant les dents sont au bord du ruban R1 et sont destinés à former les isthmes des encoches de bobinage du stator segmenté selon l'invention. Le ruban R1 est découpé dans une tôle magnétique à grains orientés dans une direction transversale au ruban R1, c'est-à-dire longitudinalement à chaque dent, ceci afin de permettre au champ magnétique de suivre la direction longitudinale de chaque dent de l'étoile de denture ED. La troisième étape E3 est l'enroulement en spirale du ruban R1, selon la méthode dite « slinky », comme représenté sur la figure 5, pour former l'étoile de denture ED. La déformation mécanique des ponts de matière entre les dents du ruban R1 dégrade la caractéristique magnétique dans ces zones, qui forme après assemblage du stator des isthmes d'encoches fermés IE comme représenté sur l'agrandissement Z2 du stator segmenté CS représentée sur la figure 7. Cette dégradation est très favorable d'un point de vue magnétique car elle diminue la perméabilité magnétique des isthmes d'encoche IE ce qui permet de limiter les fuites de champ magnétique par ces isthmes d'encoche IE. Il est à noter que d'autres types de motifs de dents que ceux représentés sur la figure 4 sont envisageables, par exemple des dents dont les extrémités destinées à être attachées à une couronne de maintien d'un stator segmenté selon l'invention sont en forme de queue d'aronde. Dans une autre variante de réalisation, la figure 6 représente un ruban de dents trapézoïdales enroulé par la méthode dite « slinky » pour former une étoile de denture ED2, destinée à être imbriquée dans une couronne de maintien présentant des motifs concaves complémentaires aux extrémités de ces dents trapézoïdales. Cette imbrication permettra de former également un stator segmenté selon l'invention. L'agrandissement Z3 de ce ruban montre le sens d'orientation SO des grains magnétiques de la tôle dont il est formé. Cette orientation longitudinale aux dents du ruban améliore les propriétés du circuit magnétique que forme le stator segmenté selon l'invention. La quatrième étape E4 du procédé d'assemblage du stator segmenté selon l'invention, est le bobinage de l'étoile de denture ED. Ce bobinage s'effectue par l'extérieur contrairement au bobinage d'un stator classique à encoches de bobinages ouvertes. Diverses possibilités de bobinage sont utilisables dans cette étape : - dans une variante principale de réalisation du bobinage, des bobines élémentaires préformées et cossées hors ligne d'assemblage sont positionnées autour des dents de l'étoile de denture ED ; - dans une autre variante, des bobines vrillées et cossées, dites « bobines de Roebel », également préparées hors ligne d'assemblage, sont positionnées autour des dents de l'étoile de denture ED ; - dans encore une autre variante, on bobine les dents de l'étoile de denture ED avec du fil de Litz hors ligne ou en ligne d'assemblage, - enfin dans une dernière variante on effectue un bobinage multi-brins parallèles des dents de l'étoile de denture ED, hors ligne ou en ligne d'assemblage. Quelque soit la variante de bobinage utilisée, le fait de bobiner le stator segmenté selon l'invention par l'extérieur permet de mieux maîtriser la géométrie des bobines de stator, l'encombrement lors du processus de bobinage étant beaucoup moins important que lors d'un bobinage par l'intérieur d'un stator. De plus cette technique de bobinage par l'extérieur permet de positionner facilement différents types de bobinages, qu'ils soient concentriques sur dents ou distribués. Enfin la dernière étape E5 du procédé d'assemblage selon l'invention est l'imbrication de l'étoile de denture ED dans ladite couronne de maintien CM, par insertion des motifs convexes de l'étoile de denture ED dans des motifs concaves correspondants de la couronne de maintien CM. On obtient ainsi le stator segmenté CS selon l'invention, représenté à la figure 7. Comme représenté sur l'agrandissement Z1 sur cette figure, les dents de l'étoile de denture ED s'emboîtent dans les motifs concaves de la couronne de maintien CM selon une zone de liaison ZL qui présente un faible jeu mécanique. Ceci est dû au découpage en ruban des dents de l'étoile de denture ED, lors de l'étape E2, qui permet de mieux maîtriser ce jeu entre la couronne de maintien CM et l'étoile de denture ED que lorsque l'étoile de denture est réalisée de manière classique par découpage direct d'étoiles de denture dans des tôles qui sont ensuite empilées les unes sur les autres. Ce faible jeu mécanique augmente encore les performances magnétiques du stator segmenté CS selon l'invention, qui se rapprochent de celles d'un stator non segmenté, c'est-à-dire dont une tranche radiale ne comporte qu'une seule pièce, mais avec un coût moindre et une plus grande facilité de bobinage. Il est à noter que dans ce mode de réalisation de l'invention, le stator segmenté selon l'invention est celui d'un moteur à flux radial. Ce stator segmenté selon l'invention peut être utilisé pour un moteur synchrone à aimants permanents, synchrone à rotor bobiné, asynchrone, ou encore à réluctance. REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage d'un stator segmenté (CS) comportant une couronne de maintien (CM) dans laquelle une étoile de denture (ED) est imbriquée, ladite étoile de denture (ED) comportant des dents reliées entre elles en leurs bases par de minces ponts de matière, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape (E2) de découpe d'un ruban de tôle (R1) comportant lesdites dents reliées entre elles en leurs bases par de minces ponts de matière, - une étape (E3) d'enroulement en spirale dudit ruban (R1), formant ladite étoile de denture (ED), - et une étape (E5) d'imbrication de ladite étoile de denture (ED) dans ladite couronne de maintien (CM). 2. Procédé d'assemblage d'un stator segmenté (CS) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étoile de denture (ED) est en tôles à grains orientés, et en ce que ladite couronne de maintien (CM) est en tôles à grains non orientés. 3. Procédé d'assemblage d'un stator segmenté (CS) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit ruban (R1) est une tôle à grains orientés dans une direction transversale audit ruban (R1), les ponts de matière reliant lesdites dents en leurs bases sur un des bords dudit ruban (R1). 4. Procédé d'assemblage d'un stator segmenté (CS) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite couronne de maintien (CM) est formée par empilement de tôles découpées.30 5. Procédé d'assemblage d'un stator segmenté (CS) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape (E5) d'imbrication est précédée d'une étape (E4) de bobinage de ladite étoile de denture (ED). 6. Stator segmenté (CS) comportant une couronne de maintien (CM) dans laquelle est imbriquée une étoile de denture (ED), ladite étoile de denture (ED) comportant des dents reliées en leurs bases par de minces ponts de matière, ledit stator segmenté (CS) étant caractérisé en ce que ladite étoile de denture (ED) est formée d'un ruban (R1) de tôle enroulé en spirale. 7. Stator segmenté (CS) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite étoile de denture (ED) est en tôles à grains orientés, et en ce que ladite couronne de maintien (CM) est en tôles à grains non orientés. 8. Stator segmenté (CS) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les grains magnétiques de ladite étoile de denture (ED) sont majoritairement orientés radialement (CS). 9. Stator segmenté (CS) selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que ladite couronne de maintien (CM) est formée par empilement de tôles découpées.