Brevet FR3009456A1 — publié le 20150206

Machine électrique à doublure de rainure Des matériaux pour doublures de rainures sont utilisés dans les stators de machines électriques telles que des alternateurs et/ou des moteurs afin d'assurer une isolation entre le noyau statorique et les enroulements statoriques. Dans une machine électrique tournante telle qu'un alternateur ou un moteur, la doublure de rainure sépare du noyau les enroulements statoriques placés dans les rainures d'un noyau statorique. Pendant le fonctionnement, la doublure de rainure assure une isolation électrique entre les enroulements statoriques et le noyau tout en permettant que la chaleur produite dans les enroulements statoriques du fait du courant soit transférée des enroulements statoriques au noyau statorique. Selon un premier aspect, une machine électrique comporte un rotor, un stator muni d'un noyau avec au moins une rainure, destinée à recevoir un enroulement, laquelle est ouverte sur sa partie haute et se termine par des extrémités opposées ouvertes, une doublure de rainure placée dans la rainure pour enroulement et ayant un élément d'isolation électrique définissant une ouverture sur sa partie haute et se terminant par des extrémités opposées, lesquelles s'étendent au-delà des extrémités ouvertes de la rainure, et une bande de renforcement disposée à chacune des extrémités de la doublure de rainure et uniquement sur une surface extérieure de l'élément d'isolation électrique, la bande de renforcement réduisant l'éclatement de la doublure de rainure correspondante pendant une opération de bobinage automatique. Selon un autre aspect, une machine électrique comporte un rotor, un stator muni d'un noyau avec au moins une rainure, destinée à recevoir un enroulement, laquelle est ouverte sur sa partie haute et se termine par des extrémités opposées ouvertes, une doublure de rainure placée dans la rainure pour enroulement et ayant un élément d'isolation électrique définissant une ouverture sur sa partie haute et se terminant par des extrémités opposées, lesquelles s'étendent au-delà des extrémités ouvertes de la rainure, et une bande de renforcement disposée à chacune des extrémités de la doublure de rainure et enveloppant l'extrémité de la doublure de rainure correspondante depuis une surface intérieure jusqu'à une surface extérieure, tout en se trouvant entièrement au-delà de l'extrémité de la rainure correspondante, la bande de renforcement réduisant l'éclatement de la doublure de rainure correspondante pendant une opération de bobinage automatique. Selon un autre aspect, une machine électrique comporte un rotor, un stator muni d'un noyau avec au moins une rainure, destinée à recevoir un enroulement, laquelle est ouverte sur sa partie haute et se termine par des extrémités opposées ouvertes, une doublure de rainure placée dans la rainure pour enroulement et ayant un élément d'isolation électrique définissant une ouverture sur sa partie haute et se terminant par des extrémités opposées, lesquelles s'étendent au-delà des extrémités ouvertes de la rainure, et une bande de renforcement disposée à chacune des extrémités de la doublure de rainure, l'élément d'isolation électrique ayant une conductivité thermique d'au moins 290 mWatt/mètre-K et la bande de renforcement ayant une résistance à la déchirure d'au moins 9,0 mesurée au déchiromètre Elmendorf. L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : -la Figure 1 est une vue en coupe d'une machine électrique ; -la Figure 2 est une vue en perspective représentant un stator de machine électrique selon la première forme de réalisation de l' invention ; -la Figure 3 est une vue partielle en coupe suivant la ligne de la Figure 2, représentant une rainure pour enroulement et une doublure de rainure selon la première forme de réalisation de l' invention ; -la Figure 4 est une vue en perspective de la doublure de rainure selon la première forme de réalisation de l'invention ; -la Figure 5 est une vue partielle en coupe suivant la ligne V-V de la Figure 2, représentant une partie du noyau statorique assemblé avec une doublure de rainure et des enroulements statoriques selon la première forme de réalisation de l'invention ; et -la Figure 6 est une vue en perspective de la doublure de rainure selon la deuxième forme de réalisation de l'invention. L'invention peut être mise en oeuvre dans tout environnement utilisant un moteur électrique, indépendamment du fait que le moteur électrique produise une force motrice et/ou génère de l'électricité. Aux fins de la présente description, un tel moteur électrique sera globalement appelé machine électrique, ensemble de machine électrique ou analogue, ce qui permet de faire comprendre qu'une ou plusieurs combinaison(s) d'un stator et d'un rotor peut/peuvent être présente(s) dans la machine. Bien que la présente description porte principalement sur une machine électrique permettant de produire de l'électricité, elle peut aussi s'appliquer à une machine électrique produisant une force motrice et générant de l'électricité. En outre, bien que la présente description porte principalement sur un environnement aéronautique, l'invention est applicable dans tout environnement utilisant une machine électrique. La description porte en outre principalement sur un environnement dans lequel la génération d'électricité est conçue pour une machine électrique à forte densité de courant, haut rendement et température élevée. Ainsi, les formes de réalisation décrites ici définissent une plus haute température de fonctionnement en régime stable, notamment une classe thermique de génération d'électricité supérieure à 240°C. Une classe thermique de 300°C en régime stable est envisagée, mais des températures de fonctionnement supérieures et/ou inférieures sont également envisagées. Comme illustré sur la Figure 1, une forme de réalisation de l'invention consiste en une machine électrique 6 comportant un rotor 8 et un stator 10. Le stator 10 est représenté plus en détail sur la Figure 2. Le stator 10 représenté comprend un noyau globalement cylindrique 12, une pluralité de dents 14, au moins une rainure 16 pour enroulement et au moins une doublure 18 de rainure prévue pour au moins certaines des rainures 16 pour enroulement. La surface sur le pourtour intérieur du noyau 12 est en regard du rotor 8 et possède une pluralité de dents 14 disposées radialement suivant un espacement prédéterminé dans la direction circonférentielle. Le noyau 12 peut être fait d'une pluralité de tôles magnétiques empilées, mais des matières mises en forme ou usinées différemment sont aussi envisagées. Le noyau 12 comprend en outre au moins une rainure 16 pour enroulement, définie par l'espace entre des dents adjacentes 14, ouverte dans le haut en regard du point central circonférentiel du noyau 12 et se terminant par des extrémités opposées ouvertes espacées axialement le long du noyau 12. Par exemple, les extrémités de la rainure 16 pour enroulement peuvent se terminer, axialement, à la même longueur que le noyau 12. La doublure 18 de rainure est placée sur le pourtour intérieur de la rainure 16 pour enroulement en définissant, sur sa partie haute, une ouverture en regard du point central circonférentiel du noyau 12 et se terminant par des extrémités opposées qui s'étendent au-delà des extrémités ouvertes des rainures 16 pour enroulement. La Figure 3 représente une vue en coupe d'une configuration d'un stator 10 assemblé à unique rainure 16 pour enroulement, ayant des enroulements statoriques 20 selon une forme de réalisation de l'invention. Les enroulements statoriques 20 comprennent des fils conducteurs (seul un petit nombre de ceux-ci est représenté, à titre d'illustration) bobinés autour du noyau 12 dans la rainure 16 pour enroulements de façon que différents ensembles d'enroulements 20 puissent être séparés d'autres ensembles d'enroulements 20 présents dans des rainures adjacentes 16. Comme représenté également, la doublure 18 de rainure isole la pluralité d'enroulements statoriques par rapport à la pluralité de dents 14 et au noyau statorique 12. Bien qu'un seul ensemble d'enroulements statoriques 20 soit représenté, il est envisagé qu'au moins un ensemble d'enroulements 20 soit bobiné à travers au moins deux des rainures 16 pour 20 enroulements afin de former une configuration dans laquelle la rotation d'un champ magnétique au niveau du rotor 8 génère une tension correspondante dans les enroulements statoriques 20. Considérant maintenant la Figure 4, la doublure 18 de rainure comprend une couche isolante 22 qui est électriquement isolante, quoique thermiquement conductrice, et s'étend le long de la doublure 18 et d'une bande de renforcement 24 disposée à chacune des extrémités de la doublure 18. La couche isolante 22 peut, par exemple, être en Upilex-S®, du fait de ses propriétés de grande rigidité diélectrique, forte constante diélectrique, et haute conductivité thermique. Dans un autre cas, la couche isolante 22 peut comprendre une pluralité de couches, formées par stratification ou par collage. Dans un exemple de couche isolante, l'Upilex-S® a une conductivité thermique de 290 mWatt/mètre-K mesurée par la méthode Laser Flash. De plus, une couche d'Upilex-S® de 25 nm d'épaisseur a une rigidité diélectrique de 6,8 kV à 200°C, mesurée par la méthode de test ASTM D149 dans des conditions de test de 50 Hz, et une constante diélectrique de 3,3 à 200°C, mesurée par la méthode de test ASTM D150 dans des conditions de test de 10 kHz. Une couche d'Upilex-S® de 75 nm d'épaisseur a une rigidité diélectrique de 11 kV à 200°C, mesurée par la méthode de test ASTM D149 dans des conditions de test de 50 Hz, et une constante diélectrique de 3,2, mesurée par la méthode de test ASTM D150 dans des conditions de test de 10 kHz. D'autres structures ou formations des couches isolantes 22 et de la couche 22 sont envisagées. Une autre couche isolante possible peut consister en une feuille de polyimide contenant du nitrure de bore, laquelle peut avoir une conductivité thermique d'au moins 1,0 W/mètre-K. La bande de renforcement 24 est représentée disposée aux extrémités opposées de la couche isolante 22, et uniquement sur la surface extérieure de la couche 22. La bande de renforcement 24 est assujettie à la couche isolante 22 par stratification, collage, montage mécanique, par exemple à l'aide de pièces de fixation, ou à l'aide d'autre techniques ou matières de fixation telles qu'une résine époxy à grande force d'adhérence à haute température. La bande de renforcement 24 est faite d'un élément ou d'une matière possédant des propriétés de résistance à la déchirure, la rupture ou l'éclatement au moment d'une exposition à une force perpendiculaire. Le papier Nomex® Type 410 peut constituer un exemple de matière convenant pour la bande de renforcement 24. Dans cet exemple, un papier Nomex® Type 410 d'une épaisseur nominale de 0,381 mm a une résistance à la déchirure de 9,0 mesurée au déchiromètre Elmendorf dans le sens du papier identique à celui de la machine et une résistance à la déchirure de 16,7 mesurée au déchiromètre Elmendorf dans le sens transversal du papier. De plus, dans cet exemple, la même épaisseur nominale du papier Nomex® Type 410 donne une conductivité thermique de 149 mWatt/mètre-K à 150° celsius, et la couche isolante 22 est donc thermiquement plus conductrice que la bande de renforcement 24. D'autres matières possibles peuvent être envisagées, dans lesquelles la conductivité thermique de la couche isolante 22 est supérieure ou égale à la conductivité thermique de la bande de renforcement 24. La Figure 5 représente une vue en coupe du stator 10 de la machine électrique 6, prise depuis une surface parallèle à l'axe du stator 10 et passant par ledit axe. La doublure 18 de rainure s'étend dans la direction axiale du noyau 12, de telle sorte qu'au moins un segment débordant 26 de la doublure 18 s'étende au-delà des extrémités du noyau 12. Les enroulements statoriques 20 prolongent encore le segment débordant 26 de la doublure 18 de rainure et sont agencés de façon que les multiples fils de l'ensemble d'enroulements statoriques 20 enveloppent un segment du noyau 12. Comme représenté, la couche isolante 22 s'étend sur toute la longueur du noyau 12 ainsi que sur toute la longueur du segment débordant 26 (comme illustré par un trait discontinu dans le segment débordant 26). Comme représenté également, la bande de renforcement tout entière 24 se trouve uniquement, des deux côtés, au-delà des extrémités correspondantes de la rainure 16 pour enroulement et du noyau 12. Autrement dit, la bande de renforcement 24 ne s'étend que le long des segments débordants 26, de part et d'autre de la doublure 18 de rainure. La configuration à enveloppement serré des enroulements statoriques 20 autour du noyau 12 du stator 10 exerce un effort de flexion sur les extrémités de la doublure 18 de rainure. Plus particulièrement, de fortes contraintes sont générées dans l'angle de la doublure 18 de rainure situé à chaque extrémité axiale du segment débordant 26. La bande de renforcement 24 résiste aux contraintes générées par les enroulements statoriques 20 enveloppant le noyau 12, et disperse lesdites contraintes, en renforçant et soutenant la doublure 18 de rainure. Par exemple, quand une opération de bobinage automatique crée un enveloppement longitudinal par les enroulements statoriques 20 (non représentés), sur la surface intérieure de la doublure 18 de rainure, la bande de renforcement 24 soutient la couche isolante 22 pour empêcher la déchirure, la rupture ou l'éclatement de la couche 22 et/ou de la bande 24 qui s'étendent à l'extérieur du noyau 12 du stator 10 du fait des contraintes exercées sur la doublure 18 de rainure par la tension des enroulements statoriques 20. Selon une autre possibilité, la bande de renforcement 24 peut réduire le risque de déchirure, rupture ou éclatement de la doublure de rainure, de la couche isolante 22 et/ou de la bande 24. Pendant le fonctionnement de la machine électrique 6, l'interaction du rotor 8 avec le stator 10 génère un courant passant dans les enroulements statoriques 20, ce qui produit à son tour de la chaleur dans les enroulements 20. Cette chaleur est transmise au noyau 12, principalement à travers la couche isolante 22, laquelle, comme décrit plus haut, a une grande conductivité thermique. Bien que de la chaleur puisse encore être transmise au noyau 12 à travers les bandes de renforcement thermiquement moins conductrices 24, le transfert global de chaleur des enroulements statoriques 20 au noyau 12 n'est pas empêché par les bandes 24, puisqu'elles sont placées hors des extrémités du noyau 12. Ainsi, les bandes de renforcement 24 s'étendent axialement hors des extrémités du noyau 12 dans le but principal d'empêcher une déchirure, une rupture ou un éclatement du fait des contraintes exercées sur la doublure 18 de rainure par la tension des enroulements statoriques 20, mais pas forcément un grand transfert thermique entre les enroulements 20 et le noyau 12, tandis que la couche isolante 22 s'étend sur la longueur axiale du noyau 12 dans le but principal de créer une interface à grande conductivité thermique entre les enroulements 20 et le noyau 12. La figure 6 représente une autre doublure possible 118 de rainure selon une deuxième forme de réalisation de l'invention. La deuxième forme de réalisation est similaire à la première forme de réalisation, aussi les parties identiques seront-elles désignées par les mêmes repères augmentés de 100, étant entendu que la description que la description des parties identiques de la première forme de réalisation vaut, sauf indication contraire, pour la deuxième forme de réalisation. Une différence entre la première forme de réalisation et la deuxième forme de réalisation consiste en ce que la bande de renforcement 124 disposée à chaque extrémité de la doublure 118 de rainure s'enroule autour de la couche isolante correspondante 22 depuis la surface intérieure vers la surface extérieure au lieu d'être disposée uniquement sur la surface extérieure de la couche 22, comme dans la première forme de réalisation. De nombreuses autres formes de réalisation et configuration possibles s'ajoutant à celle représentée sur les figures évoquées ci-dessus sont envisagées par la présente invention. Par exemple, une forme de réalisation de l'invention envisage une doublure 18 de rainure dans laquelle la bande de renforcement 24 est disposée uniquement sur la surface intérieure de la couche isolante 22. De plus, la conception et la disposition des divers éléments peuvent être revues de façon qu'un certain nombre de configurations d'alignement différentes puissent être réalisées. Les formes de réalisation décrites ici proposent une machine électrique à doublure de rainure perfectionnée. Un avantage réalisable dans les formes de réalisation ci-dessus est que les formes de réalisation décrites plus haut ont un fonctionnement thermique et électrique meilleur que celui des configurations de doublures de rainures selon la technique antérieure. Avec les configurations proposées, une grande conductivité thermique entre les enroulements statoriques et le noyau du stator peut être obtenue en raison de la grande conductivité thermique de la matière de la couche isolante décrite plus haut. De plus, les grandes constante diélectrique et rigidité diélectrique de la couche isolante réduisent ou suppriment le risque de court-circuit entre les enroulements statoriques et le noyau du stator, même lorsque la machine électrique génère un courant à intensité et tension plus hautes. La combinaison d'une plus grande conductivité, d'une plus forte constante diélectrique et d'une plus haute rigidité diélectrique dans les formes de réalisation décrites ici donne une doublure de rainure utilisable dans des applications à des classes thermiques plus élevées, notamment des classes thermiques supérieures à 240°C. Ainsi, un autre avantage des formes de réalisation décrites plus haut est que des machines électriques munies des doublures de rainures décrites plus haut peuvent être amenées à générer plus d'électricité et à des températures plus hautes que les machines électriques selon la technique antérieure. Par ailleurs, lors de la conception de systèmes de machines électriques, un facteur important à respecter est la fiabilité. Un autre avantage réalisable dans les formes de réalisation ci-dessus est que les doublures de rainures sont moins susceptibles de se briser, de s'arracher ou de se déchirer aux extrémités axiales du fait de la résistance accrue des bandes de renforcement en plus de la couche isolante, en comparaison de la résistance mécanique de la seule couche isolante, ce qui rend le système entier par nature plus fiable. En améliorant la production d'électricité dans la machine électrique à l'aide de la couche isolante et en réduisant le risque de rupture de la doublure de rainure à l'aide des bandes de renforcement, les formes de réalisation décrites ci-dessus améliorent les performances et la fiabilité de la machine électrique. Dans la mesure non déjà décrite, les différentes caractéristiques et structures des diverses formes de réalisation peuvent être utilisées en combinaison les unes avec les autres si on le souhaite. Le fait qu'une caractéristique ne puisse pas être illustrée dans la totalité des formes de réalisation ne doit pas être interprété comme une impossibilité, cela ne servant en fait qu'à abréger la description. Ainsi, les diverses caractéristiques des différentes formes de réalisation peuvent être mélangées et adaptées à volonté pour former de nouvelles formes de réalisation, que les nouvelles formes de réalisation soient expressément décrites ou non. Toutes les combinaisons ou permutations de caractéristiques décrites ici sont couvertes par la présente invention. Les principales différences entre les exemples de formes de réalisation portent sur la doublure de rainure et ces caractéristiques peuvent être combinées de n'importe quelle manière appropriée pour modifier les formes de réalisation décrites plus haut et créer d'autres formes de réalisation. REVENDICATIONS1. Machine électrique (6), comportant : un rotor (8) ; un stator (10) ayant un noyau (12) muni d'au moins une rainure (16) pour enroulement ouverte sur sa partie haute et se terminant par des extrémités opposées ouvertes ; une doublure (18) de rainure disposée dans la rainure (16) pour enroulement et ayant un élément électriquement isolant (22) définissant une ouverture sur sa partie haute et se terminant par des extrémités opposées, lesquelles s'étendent au-delà des extrémités ouvertes de la rainure (16), et une bande de renforcement (24) disposée à chacune des extrémités de la doublure (18) de rainure et uniquement sur une surface extérieure de l'élément électriquement isolant (22) ; et dans laquelle la bande de renforcement (24) réduit l'éclatement de l'extrémité correspondante de la doublure (16) de rainure pendant une opération de bobinage automatique. 2. Machine électrique (6) selon la revendication 1, dans laquelle la bande de renforcement (24) est assujettie à la surface extérieure de l'élément électriquement isolant (22). 3. Machine électrique (6) selon la revendication 1, dans laquelle la bande de renforcement (24) tout entière se trouve au-delà de l'extrémité correspondante de la rainure (16). 4. Machine électrique (6) selon la revendication 1, dans laquelle le noyau (12) comprend de multiples rainures (16) pour enroulements, une doublure (18) de rainure étant disposée dans chacune des multiples rainures (16) pour enroulements. 5. Machine électrique (6) selon la revendication 4, comportant en outre au moins un enroulement (20) comprenant unfil électrique bobiné à travers au moins deux des multiples rainures (16). 6. Machine électrique (6) selon la revendication 1, dans laquelle l'élément électriquement isolant (22) est thermiquement moins conducteur que la bande de renforcement (24). 7. Machine électrique (6) comportant : un rotor (8) ; un stator (10) ayant un noyau (12) muni d'au moins une rainure (16) pour enroulement ouverte sur sa partie haute et se terminant par des extrémités opposées ouvertes ; une doublure (18) de rainure disposée dans la rainure (16) pour enroulement et ayant un élément électriquement isolant (22) définissant une ouverture sur sa partie haute et se terminant par des extrémités opposées, lesquelles s'étendent au-delà des extrémités ouvertes de la rainure (16), et une bande de renforcement (24) disposée à chacune des extrémités de la doublure 16 de rainure et enveloppant la doublure de rainure correspondante (18) depuis une surface intérieure jusqu'à une surface extérieure, tout en se trouvant entièrement au-delà de l'extrémité correspondante de la rainure (16) ; et dans laquelle la bande de renforcement (24) réduit l'éclatement de l'extrémité correspondante de la doublure (16) de rainure pendant une opération de bobinage automatique. 8. Machine électrique (6) selon la revendication 7, dans laquelle la bande de renforcement (24) est assujettie à la surface extérieure de l'élément électriquement isolant (22). 9. Machine électrique (6) selon la revendication 7, dans laquelle le noyau (12) comprend de multiples rainures (16) pour enroulement, une doublure (18) de rainure étant disposée dans chacune des multiples rainures (16) pour enroulement. 10. Machine électrique (6) selon la revendication 9, comportant en outre au moins un enroulement (20) comprenant un fil électrique bobiné à travers au moins deux des multiples rainures (16). 11. Machine électrique (6) selon la revendication 7, dans laquelle l'élément électriquement isolant (22) est thermiquement moins conducteur que la bande de renforcement (24). 12. Machine électrique (6) comportant : un rotor (8) ; un stator (10) ayant un noyau (12) muni d'au moins une rainure (16) pour enroulement ouverte sur sa partie haute et se terminant par des extrémités opposées ouvertes ; une doublure (18) de rainure disposée dans la rainure (16) pour enroulement et ayant un élément électriquement isolant (22) définissant une ouverture sur sa partie haute et se terminant par des extrémités opposées, lesquelles s'étendent au-delà des extrémités ouvertes de la rainure (16), et une bande de renforcement (24) disposée à chacune des extrémités de la doublure (18) de rainure ; et dans laquelle l'élément électriquement isolant (22) a une conductivité thermique d'au moins 290 mWatt/mètre-K et la bande de renforcement (24) a une résistance à la déchirure d'au moins 9,0 mesurée au déchiromètre Elmendorf. 13. Machine électrique (6) selon la revendication 12, dans laquelle la bande de renforcement (24) est disposée uniquement sur une surface extérieure de l'élément électriquement isolant (22). 14. Machine électrique (6) selon la revendication 13, dans laquelle la bande de renforcement tout entière (24) se trouve au-delà de l'extrémité correspondante de la rainure. 15. Machine électrique (6) selon la revendication 12, dans laquelle l'élément électriquement isolant (22) comprend en outre une matière constituée d'Upilex-S et/ou une matière à base de polyimide contenant du nitrure de bore.