Brevet FR3036872A1 — publié le 20161202

ARMATURE ÉLECTROMAGNÉTIQUE MONOPHASEE DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A DENTS AMOVIBLES L'invention concerne une armature électromagnétique de machine électrique tournante, où les dents sont amovibles, afin d'en faciliter le bobinage en le réalisant séparément, avant insertion. L'état de l'art décrit abondamment les machines électriques tournantes à griffes, où le stator et/ou le rotor peuvent utiliser une structure à griffes. La 10 plus connue est la machine dite de Lundell, utilisée dans les alternateurs de voiture. Ces machines à griffes présentent l'avantage de la simplicité de leur bobinage, mais sont pénalisées par la faible induction possible dans l'entrefer et leur fort taux de fuites. Dans la configuration où les griffes sont alimentées en alternatif, la machine obtenue présente des 15 performances intéressantes, mais seulement à faible vitesse de rotation. Il apparaît que le couple fourni par une machine à griffes est directement proportionnel à la section du pied des dents, ce qui conduit à l'idée de vriller son bobinage, afin de l'augmenter. 20 Les poudres de fer compressées, appelées SMC autorisent la circulation tridimensionnelle du flux magnétique, mais leur induction maximale limitée induit une perte de performances de la machine. 25 L'invention décrit une partie d'une machine tournante électrique monophasée. De façon évidente, une machine polyphasée, comportant au moins une phase, est réalisée en empilant axialement le long d'un même axe de rotation plusieurs machines issues de l'invention, et en les reliant éventuellement par des pièces magnétiques et des bobines, afin de 30 former des machines composées. 3036872 2/14 L'invention décrite propose une armature électromagnétique de machine qui utilise une telle bobine vrillée, en apportant une solution astucieuse au besoin de circulation tridimensionnelle du flux magnétique dans une machine à griffes, tout en utilisant des tôles plate poinçonnées. Dans la description de l'invention, l'abréviation « poudre SMC » décrit une poudre de fer caractérisée par l'isolation électrique partielle des particules élémentaires qui la forment, comme par exemple la poudre SMC de la 10 marque Hôganâs, laquelle poudre est compressée, selon l'un des procédés de la liste suivante non-exhaustive : poudre de fer pressée à froid ou à chaud, poudre de fer pressée à froid ou à chaud puis cuite à chaud, ferrite, poudre de fer frittée, lequel procédé appliqué à la poudre SMC permet d'obtenir un circuit magnétique dont les pertes par courant 15 de Foucault sont réduites, avec une caractéristique magnétique isotrope. Dans la description de l'invention, le mot « bobinage ondulé » décrit une technique de l'état de l'art, caractérisée par l'enroulement des fils électriques alternativement d'un côté et de l'autre de chaque pôle 20 magnétique, formant ainsi une bobine enroulée autour des pôles magnétiques. Dans la description de l'invention, le mot « bobinage imbriqué » décrit une technique de l'état de l'art, caractérisée par l'enroulement des fils 25 électriques autour de chaque pôle magnétique. Dans la description de l'invention, le mot « armature électromagnétique désigne soit un stator, soit un rotor d'une machine électrique tournante, caractérisé en ce qu'elle génère un flux magnétique qui en sort dans une 30 direction sensiblement radiale, au niveau de la surface d'entrefer. Ladite 3036872 3/14 armature électromagnétique est caractérisée par tout ou partie des points suivants : elle peut être alimentée en courant soit alternatif, soit continu, elle peut être soit monobloc, soit formée de plusieurs armatures 5 électromagnétiques indépendantes, associées parallèlement à l'axe de rotation, pour former une machine polyphasée, elle s'inscrit dans un cylindre d'axe z, elle est, soit évidée, soit pleine en son centre, - elle peut recevoir de façon optionnelle, soit un bobinage électrique 12, soit un ensemble d'aimants, soit être passive (sans aimants, ni bobinage), elle génère un flux magnétique dans la surface d'entrefer de direction sensiblement radiale, elle comporte un nombre de paires de pôles magnétiques noté « Npp », lequel nombre correspond au nombre de paires d'alternance de flux magnétique rentrant (Sud) et sortant (Nord) dans la direction radiale d'axe z au travers de sa surface d'entrefer, elle peut former l'inducteur ou l'induit de la machine électrique tournante. Dans la description de l'invention, le mot « machine électrique tournante » décrit toute sorte de machine électrique, particulièrement à courant continu, synchrone à aimants, synchrone à rotor bobiné, asynchrone à rotor à cage d'écureuil, asynchrone à rotor bobiné, pas à pas (dite à réluctance variable). Ladite machine électrique tournante comporte au moins une armature électromagnétique interne et au moins une armature électromagnétique externe, lesquelles sont séparées par un entrefer électromagnétique qui correspond à un volume sensiblement annulaire, défini par deux cylindres centrés sur l'axe z et de même longueur axiale z. Ledit entrefer électromagnétique définit une surface d'interaction médiane 3036872 4114 17 entre les flux magnétiques issus des armatures électromagnétiques intérieures et extérieures, respectivement en vis-à-vis dans les plans x-y successifs. 5 Dans la description de l'invention, le mot « entrefer moyen » définit la distance radiale la plus petite dans la direction radiale d'axe y entre deux armatures électromagnétiques en vis-à-vis. Dans la description de l'invention, le mot « surface d'entrefer » désigne un 10 cylindre d'axe z qui correspond à la surface 17 d'interaction magnétique entre le rotor et le stator. Dans la description de l'invention, le mot « bobinage » décrit un ensemble de conducteurs électriques insérés dans l'armature électromagnétique, 15 afin de générer un flux magnétique qui traverse la surface dans une direction radiale. Dans la description de l'invention, l'axe noté z correspond à l'axe de rotation de la machine électrique, l'axe noté x correspond à la direction 20 tangentielle à un cylindre centré sur l'axe z et l'axe y correspond à la direction d'un rayon d'un disque coplanaire centré sur l'axe z, le mot plan polaire désigne un plan orthogonales à l'axe z. De manière connue, une armature électromagnétique 1 telle que décrite 25 dans la figure 1, est formée de tôles coplanaires 3 empilées axialement le long d'un axe z, pour former un paquet de tôles 4. Lesdites tôles sont agencées dans un plan coplanaire x-y et sont empilées de façon parallèle dans la direction z. Un bobinage 2 est enroulé autour de pôles magnétiques 5, afin de créer un flux qui entre et sort alternativement entre 30 les pôles magnétiques successifs 5. Ledit bobinage peut être réalisé de 3036872 5/14 façon ondulée (c'est-à-dire passant d'un pôle magnétique à un autre, en changeant de face à chaque pôle magnétique) ou imbriquée, c'est-à-dire tournant successivement autour des pôles magnétiques 5. L'armature électromagnétique 1 ainsi réalisée est placé en vis-à-vis d'une surface 5 d'entrefer électromagnétique 7. L'invention se propose de remédier à la difficulté d'insertion du bobinage 12 dans les dents de l'armature électromagnétique de l'état de l'art 1, en désolidarisant champignons 5 de la culasse 4. 10 L'invention décrite à la figure 2 se caractérise par le fait que le circuit magnétique de l'armature est réalisé en plusieurs parties distinctes d'une part la culasse 4, et d'autre part les champignons 5, lesquels sont posés sur la culasse 4, 15 L'armature électromagnétique 10 de l'invention, décrite à la figure 6, est caractérisée par le fait qu'elle est composée : en premier lieu d'une culasse électromagnétique 4 formée de tôles agencées dans un plan coplanaire x-y et empilées de façon 20 sensiblement parallèle dans la direction z, en deuxième lieu de champignons 5, formée de tôles agencées dans un plan coplanaire x-y et empilées de façon sensiblement parallèle dans la direction z, lesquels champignons sont posés ou enfoncés, de façon sensiblement régulière, sur la surface 25 cylindrique d'axe z de ladite culasse 4 en regard de la surface d'entrefer 17, lesdits champignons 5 sont interposés entre la culasse 4 et l'entrefer magnétique 17, lesdits champignons 5 sont posés, ou enfoncés, sur la culasse 4 sur une surface sensiblement annulaire d'interaction mécanique, définie par une translation dans 30 la direction d'axe z de la ligne 8, la ligne de séparation 8 entre les 3036872 6/14 champignons 5 et la culasse 4 est soit une portion de cercle ou d'ellipse, soit une droite, soit un triangle, soit une ligne brisée rectangulaire ou triangulaire permettant d'enfoncer le champignon 5 dans la culasse 4, soit une ligne brisée rectangulaire ou triangulaire 5 permettant de poser le champignon 5 au-dessus de la culasse 4, soit toute autre forme de ligne. Dans un premier mode de réalisation préférentielle, les champignons 5 sont insérés en force dans la culasse 4, puis ils y sont éventuellement 10 collés. Dans un autre mode de réalisation, les champignons 5 sont enfoncés avec un jeu très faible dans la culasse 4 puis ils y sont collés. Dans un mode de réalisation préférentiel de la réalisation 10 de l'armature électromagnétique, le bobinage 12 est réalisé en dehors de l'armature 15 électromagnétique 10, en enroulant le fil sur un mandrin annulaire, lequel assemblage est ensuite conformé, afin de pouvoir prendre place entre les champignons 5, pour former un enroulement ondulé 12. Dans ledit mode de réalisation préférentiel, le bobinage 12 peut soit être souple, soit être rigide, avant d'être introduit dans l'armature électromagnétique 10 à sa 20 place finale. Dans ledit mode de réalisation préférentiel, tous les champignons 5 correspondant à une même polarité (soit Nord, soit Sud), sont absents lors de l'insertion du bobinage 12 conformé au préalable, afin de permettre son introduction dans la direction d'axe z. Lesdits champignons manquants sont insérés à leur place une fois que le 25 bobinage 12 est inséré sur les champignons 5 de polarité similaire. De façon évidente d'autres combinaisons d'insertions partielles des champignonS 5 et de la bobine 12 sont possibles, au nombre desquelles sont possible parmi la liste suivante non-exhaustive: 3036872 7/14 insérer la bobine 12 sur la culasse 4 nue, en la maintenant à l'aide de cales perdues ou démontables après insertion, puis insérer les champignons 5, séparer la bobine 12 en sous-bobines insérées séparément, insérer la bobine 12 sur la culasse 4 où une partie seulement des champignons 5 de même polarité a été mise à sa place définitive. Dans toute la description de l'invention, le bobinage de l'armature électromagnétique pourra être ondulé ou imbriqué. 10 Le bobinage 12 est agencé de façon, soit préférentiellement ondulée, soit imbriquée, autour des champignons 5. Les champignons 5 recevant le bobinage 12 forment ainsi vis-à-vis de la surface d'entrefer 17 autant de pôles magnétiques successifs de polarités successivement alternées Nord 15 et Sud. Le nombre de champignons 5 est au moins égal au nombre de pôles magnétiques de la machine électrique. Dans un mode de réalisation préférentiel, le bobinage 12 est réalisé en dehors de l'armature électromagnétique 10, en enroulant le fil sur un 20 mandrin annulaire, lequel assemblage est ensuite conformé, afin de pouvoir prendre place entre les champignons 5, pour former un enroulement ondulé 12. Dans ledit mode de réalisation préférentiel, le bobinage 12 peut soit être souple, soit être rigide, avant d'être introduit dans l'armature électromagnétique 10 à sa place finale. Dans ledit mode 25 de réalisation préférentiel, tous les champignons 5 correspondant à une même polarité (soit Nord, soit Sud), sont absents lors de l'insertion du bobinage 12 conformé au préalable, afin de permettre son introduction dans la direction d'axe z. Lesdits champignons manquants sont insérés à leur place une fois que le bobinage 12 est inséré sur les champignons 5 30 de polarité similaire. De façon évidente d'autres combinaisons d'insertions 3036872 8/14 partielles des champignons 5 et de la bobine 12 sont possibles, au nombre desquelles sont possible parmi la liste suivante non-exhaustive : insérer la bobine 12 sur la culasse 4 nue, en la maintenant à l'aide de cales perdues ou démontables après insertion, puis insérer les 5 champignons 5, séparer la bobine 12 en sous-bobines insérées séparément, insérer la bobine 12 sur la culasse 4 où une partie seulement des champignons 5 de même polarité a été mise à sa place définitive, utiliser des fausses dents amovibles durant l'étape d'insertion et/ou 10 de bobinage, en remplacement des champignons 5 finaux, lesquelles dents amovibles seront avantageusement réalisées en matière plastique ou en acier inoxydable poli.. Dans un mode de réalisation particulier, les champignons 5 sont divisés 15 en plusieurs parties, agencées en parallèle suivant sensiblement une direction angulaire 8. Dans un autre mode de réalisation particulière les culasses 4 sont divisées en plusieurs parties agencées en parallèle selon une direction coplanaire suivant sensiblement une direction d'axe z. 20 Dans un premier mode de réalisation particulier, les champignons 4 sont formés à partir de tôles magnétiques toutes sensiblement identiques. Il est possible dans ledit mode de réalisation de former un entrefer irrégulier, c'est-à-dire de donner une distance notée Heo de direction radiale y entre l'extrémité des tôles 13 au regard de l'entrefer 17 et ladite surface 25 d'entrefer 17 qui suive une loi particulière, par exemple selon la formule : entrefer = (entrefer moyen) / (cosinus(angle électrique local)). L'angle électrique est défini comme étant l'angle mécanique multiplié par le nombre de paires de pôles magnétiques. 30 3036872 9114 Ladite distance radiale Heo est donnée par la forme de la ligne 8 de jonction entre les tôles 13 et la culasse 4, qui reproduit la fonction décrivant l'entrefer. 5 De façon préférentielle, la surface de jonction entre chacun des champignons 5 et la culasse 4 est obtenue par la translation linéaire sensiblement dans la direction axiale z de la ligne de jonction 8. Dans un autre mode de réalisation, ladite surface de jonction entre chacun des champignons 5 et la culasse 4 est obtenue en translatant linéairement la 10 ligne de jonction 8 dans une direction inclinée par rapport à l'axe z. Dans un mode de réalisation particulier, les tôles formant le champignons 5 peuvent avoir des hauteurs radiales différentes les unes des autres. 15 La figure 1 présente une armature électromagnétique formant une machine de l'état de l'art. La figure 2 présente un premier mode de réalisation possible d'une armature électromagnétique de l'invention, où les champignons 5 sont posés, ou enfoncés, sur la culasse 4. 20 Toute la description de l'invention a été effectuée pour une machine tournante électrique dont la surface d'entrefer est un cylindre centré autour de son axe de rotation z. La transposition de l'invention à une machine de type cliscoïdale, où la surface d'entrefer est un disque, 25 annulaire ou plein, centré sur l'axe de rotation, se fait de façon évidente par l'homme de l'art, en utilisant les symétries de conception adéquates, qui transposent par exemple les flux radiaux en flux tangentiels et réciproquement. 3036872 10/14 De façon évidente la description de l'invention s'étend à tous les modes de fonctionnement de la machine électrique tournante décrite, dans les quatre quadrants de fonctionnement du plan couple-vitesse de l'arbre, et par conséquent en modes moteur, générateur et frein, en sens de rotation 5 positif et négatif. De façon évidente, l'invention s'applique à toute armature électromagnétique utilisée pour réaliser soit un stator, soit un rotor, de machine électrique tournante, ladite armature pouvant être alimentée en 10 courant continu ou alternatif. De façon évidente, dans la description de l'invention, le passage d'une structure à rotor extérieur, telle qu'illustrée, à une structure à rotor intérieur se fait par effet miroir vis-à-vis de la surface d'entrefer, comme le décrit 15 l'état de l'art, en utilisant une symétrie radiale centrée autour de la surface d'entrefer. De façon évidente, la description de la machine électrique tournante de l'invention s'étend à une machine électrique linéaire, en effectuant une 20 transformation conforme, qui déroule les dimensions dans l'axe polaire x en des dimensions linéaires. De façon évidente, toute ou partie des pièces ferromagnétiques constituant l'invention peuvent être réalisées en poudre SMC. 25 L'armature électromagnétique de l'invention peut être utilisée pour réaliser une machine homopolaire composée, synchrone ou asynchrone. La machine électrique résultante peut être commandée par un algorithme de commande en boucle ouverte de tension, associé éventuellement à un 30 procédé de réduction du bruit de son codeur. L'armature 3036872 11/14 électromagnétique de l'invention peut être isolée avec un procédé d'isolation haute température à base de silicone, Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être 5 étendus à d'autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles magnétiques 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 10 l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées, REVENDICATIONS1. Armature électromagnétique de machine électrique tournante caractérisée par le fait qu'elle est composée, en premier lieu, d'une culasse électromagnétique (4) formée de tôles agencées dans un plan coplanaire x-y et empilées de façon sensiblement parallèle dans la direction z, en deuxième lieu, de champignons (5) formées de tôles agencées dans un plan coplanaire x-y et empilés de façon sensiblement parallèle dans la direction z, lesquels champignons (5) sont posés ou enfoncés, de façon sensiblement régulière, sur la surface cylindrique d'axe z de ladite culasse (4) en regard de la surface d'entrefer, lesdits champignons (5) sont interposés entre la culasse (4) et l'entrefer magnétique (17), lesdits champignons (5) sont posés ou enfoncés sur la culasse (4) sur une surface sensiblement annulaire d'interaction mécanique, définie par une translation dans la direction d'axe z d'une ligne (8) de séparation qui peut être, o soit une portion de cercle ou d'ellipse, soit une droite, soit un triangle, 0 soit une ligne brisée rectangulaire ou triangulaire permettant d'enfoncer le champignon (5) dans la culasse-(4), o soit une ligne brisée rectangulaire ou triangulaire permettant de poser le champignon (5) au-dessus de la culasse (4). 3036872 13/14 2. Armature électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisée par le fait qu'elle comporte un bobinage (12) agencé de façon ondulée autour des champignons (5). 5 3. Armature électromagnétique selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte un bobinage (12) agencé de façon imbriquée autour des champignons (5). 4. Armature électromagnétique selon l'une quelconque des 10 revendications précédentes, caractérisée par le fait que le nombre de champignons (5) est au moins égal au nombre de pôles magnétiques de la machine électrique. 5. Mode de réalisation d'une armature électromagnétique selon l'une 15 quelconque des revendications précédentes, caractérisée par son mode de réalisation qui consiste en une réalisation d'un bobinage (12), soit en dehors de l'armature électromagnétique (10), soit sur la culasse (4) seule, en enroulant le fil, 20 o soit sur un mandrin annulaire, o soit sur des fausses dents amovibles montées sur la culasse (4), une déformation du bobinage (12), afin de pouvoir être mise en place sur la culasse (4), 25 une mise en place finale d'une partie des champignons (5) sur la culasse (5), une mise en place finale du bobinage (12), et 3036872 14114 - une mise en place des champignons (5) restants. 6. Mode de réalisation d'une armature électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que les champignons 5 (5) sont insérés en force dans la culasse (4), et éventuellement collés. 7. Machine électrique tournante comprenant une armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 formant stator et un rotor aimanté annulaire dont les 10 aimants sont situés en vis-à-vis de la surface d'entrefer (17). 8. Machine polyphasée comprenant un assemblage dans la direction d'axe z de plusieurs machines électriques tournantes de la revendication précédente.