Brevet FR3067882A1 — publié le 20181221

STATOR DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une machine électrique tournante équipée d'un stator à bobinage dans laquelle l'opération de bobinage du fil conducteur est simplifiée. L'invention trouve des applications dans le domaine des machines électriques tournantes pour véhicules automobiles et, en particulier, dans le domaine des machines électriques tournantes appliquées aux turbocompresseurs électriques de véhicules automobiles. ETAT DE LA TECHNIQUE De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet ainsi que des pôles formés par des aimants 15 permanents logés dans des cavités ménagées dans le corps de rotor. Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre, par exemple, par l'intermédiaire de roulements. Le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une culasse en forme de couronne dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des 20 enroulements de phase. Les enroulements de phase peuvent être obtenus à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, dans un bobinage de type « concentrique » ou « concentré », les enroulements de phase sont constitués par des bobines 25 fermées sur elles-mêmes qui sont enroulées autour de dents formées chacune entre deux encoches du stator. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés, connectés en étoile ou en triangle, et dont les sorties sont reliées à une électronique de commande, notamment via un interconnecteur. Dans des applications aux turbocompresseurs électriques, la machine 30 électrique tournante est accouplée à l'arbre d'un compresseur dont le rôle est de 2 compenser au moins en partie la perte de puissance des moteurs thermiques de cylindrée réduite. En effet, de tels moteurs thermiques à cylindrée réduite sont utilisés sur certains véhicules automobiles pour en diminuer la consommation et les émissions de particules polluantes (principe dit de « downsizing », en termes anglo- 5 saxons). Dans ces applications, le turbocompresseur électrique comprend généralement une turbine disposée sur le conduit d'admission, en amont ou en aval du moteur thermique, pour permettre de comprimer l'air afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur thermique. La machine électrique tournante est activée pour entraîner la turbine afin de minimiser le temps de réponse en couple, 10 notamment lors des phases transitoires à l'accélération, ou en phase de redémarrage automatique du moteur thermique après une mise en veille (fonctionnement dit de « stop and start »). Un exemple d'un turbocompresseur électrique 1 est représenté sur la figure 1. Ce turbocompresseur électrique 1 comporte une turbine munie d'ailettes 3 à aspirer, via une entrée 4, de l'air non-comprimé issu d'une source d'air (non visible sur la figure) et à refouler de l'air comprimé via la sortie 5 après passage dans une volute 6. La sortie 5 peut être reliée à un répartiteur d'admission (non représenté) situé en amont du moteur thermique afin d'optimiser le remplissage des cylindres dudit moteur thermique. En particulier, l'aspiration de l'air et réalisée suivant une direction axiale, c'est-à-dire suivant l'axe X1 de la turbine 2, et le refoulement est réalisé suivant une direction radiale perpendiculaire à l'axe X1 de la turbine 2. En variante, l'aspiration est radiale tandis que le refoulement est axial. Dans une autre variante, l'aspiration et le refoulement sont réalisés suivant une même direction (axiale ou radiale) par rapport à l'axe X1 de la turbine. A cet effet, la turbine 2 est entrainée par une machine électrique tournante 7 montée à l'intérieur du carter 8. Cette machine électrique tournante 7 comporte un stator 9, qui peut être polyphasé, entourant un rotor 10, avec présence d'un entrefer 11. Ce stator 9 est monté dans le carter 8 configuré pour porter à rotation un arbre 12 par l'intermédiaire de roulements 13. L'arbre 12 est lié en rotation avec la turbine 2 ainsi qu'avec le rotor 10. Afin de minimiser l'inertie de la turbine 2 lors d'une demande d'accélération de la part du conducteur, la machine électrique 7 présente un temps de réponse court compris entre 100ms et 600ms, notamment compris entre 200ms et 400ms, pour 3 passer de 0 à 70000 tours/min. Pour cela, la machine électrique tournante 7 est apte à fournir un pic de courant, c'est-à-dire un courant électrique d'ampérage élevé, compris entre 150A et 300A, et notamment entre 180A et 250A, délivré sur une durée continue inférieure à 3 secondes. 5 Compte tenu des valeurs élevées du courant circulant dans la machine électrique tournante 7, le fil électrique employé pour réaliser les enroulements de phase des machines électriques tournantes est d'une section relativement large, généralement supérieure à 1,5mm voire 2,5mm. Un fil électrique de plus petite section - par exemple inférieure à 1,5mm - aurait pour effet de générer des pertes 10 Joules dans les enroulements. Or, dans les applications aux turbocompresseurs électriques, les machines électriques tournantes sont généralement de petites dimensions avec, par exemple, un diamètre extérieur du stator inférieur ou égal à 60mm. Aussi, le bobinage d'un fil électrique de section large autour des dents du stator d'une machine électrique de 15 petites dimensions est une opération délicate et laborieuse, difficile à industrialiser. RESUME DE L'INVENTION Pour répondre au problème évoqué ci-dessus du bobinage d'un fil conducteur à large section autour des dents de stator d'une machine électrique de petites dimensions, le demandeur propose un stator de machine électrique tournante dans 20 lequel plusieurs bobines entourent de façon concentrique chaque dent du stator. Selon un premier aspect, l'invention concerne une machine électrique tournante comportant un rotor à aimants permanents monté autour d'un arbre et un stator monobloc monté autour du rotor, le stator comportant : - un corps muni d'une pluralité de dents réparties angulairement sur la 25 périphérie interne du corps et d'une pluralité d'encoches définies chacune par deux dents adjacentes, - un bobinage comportant une pluralité de bobines logées dans les encoches du stator, dans laquelle chaque dent du stator est entourée par au moins deux bobines 30 concentriques, distinctes, connectées électriquement l'une avec l'autre. 4 Cette machine électrique tournante dont le bobinage est réalisé à partir de plusieurs bobines concentriques présente les avantages notamment d'être plus facile à fabriquer et plus performant. Avantageusement, les deux bobines concentriques comportent une bobine 5 interne disposée au voisinage de la dent et une bobine externe disposée autour de la bobine interne, chacune des bobines interne et externe étant formée par un fil électrique de section inférieure à 2,5mm, notamment inférieure à 1,8mm, par exemple inférieure à 1,5mm. Avantageusement, sur au moins une portion de sa longueur, la section du fil 10 électrique est rectangulaire, par exemple carrée. Avantageusement, sur au moins une portion de sa longueur, la section du fil électrique est ronde. Avantageusement, sur au moins une portion de sa longueur, le fil électrique est matricé. 15 Avantageusement, la section du fil électrique est ronde en dehors de l'encoche et comportant au moins un méplat dans l'encoche. Le bobinage de deux fils (ou plus) concentriquement autour d'une même dent permet le passage d'un pic de courant, c'est-à-dire le passage d'un courant d'ampérage élevé pendant une courte durée. 20 De façon avantageuse, les deux bobines sont connectées électriquement en série ou en parallèle. De façon avantageuse, la bobine interne et la bobine externe sont formées par des fils électriques de longueurs identiques. Selon certains modes de réalisation, la bobine interne et la bobine externe sont 25 formées par des fils électriques de sections identiques de sorte que chaque bobine comporte une résistance ohmique distincte. Selon certains modes de réalisation, la bobine interne et la bobine externe sont formées par des fils électriques de sections différentes, de sorte que les résistances ohmiques des bobines interne et externe sont équilibrées. 5 Selon certaines variantes, la section du fil électrique de la bobine interne est inférieure à la section du fil électrique de la bobine externe. Selon certaines variantes, la bobine interne et la bobine externe sont formées par des fils électriques de longueurs différentes, ce qui permet aux résistances 5 ohmiques des bobines interne et externe d'être équilibrées. De façon avantageuse, les bobines interne et externe comportent des résistances ohmiques équilibrées lorsque les ratios suivants sont égaux : L1 L2 d12 d22 OÙ L1 et L2 sont les longueurs respectives des bobines interne et externe et dl et d2 10 sont les diamètres respectifs desdites bobines interne et externe. De façon avantageuse, chaque bobine comporte une entrée et une sortie de bobine, les entrées et sorties des bobines concentriques s'étendant, au moins sur une portion de leur longueur, dans des directions parallèles entre elles. De façon avantageuse, chaque bobine comporte une entrée et une sortie de 15 bobine, les entrées et les sorties de bobine étant disposées sur une même face d'extrémité axiale du corps de stator. Selon un second aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un bobinage de stator d'une machine électrique tournante telle que définie précédemment. Ce procédé comporte les opérations suivantes : 20 - une opération de bobinage d'un premier fil électrique autour d'une dent du stator pour former une première bobine, et - une opération de bobinage d'un second fil électrique autour de la même dent de stator pour former une seconde bobine, concentrique à la première bobine, 25 le bobinage du premier puis du second fils électriques autour d'une dent étant ainsi réalisé successivement pour chacune des dents du stator. Ce procédé a l'avantage de permettre un enroulement simplifié des fils autour des dents et donc une industrialisation simplifiée par rapport à l'art antérieur. Avantageusement, une entrée et une sortie de chaque premier et second fils 30 électriques sont disposées parallèlement, au moins sur une portion de leur longueur, depuis une même face d'extrémité axiale du corps de stator. 6 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures dans lesquelles : - La figure 1, déjà décrite, représente une vue en coupe d'un turbocompresseur 5 électrique comportant une machine électrique tournante selon l'art antérieur. - La figure 2 représente une vue en perspective d'un stator de machine électrique tournante selon l'invention. - La figure 3 représente une vue selon une coupe axiale d'un stator de machine électrique tournante selon l'invention. 10 DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION Un exemple de réalisation d'un stator de machine électrique tournante dans lequel plusieurs bobines sont enroulées concentriquement autour de chaque dent de stator, est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple 15 illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées. 20 Un exemple d'un stator selon l'invention est représenté en perspective sur la figure 2. Une vue axiale d'une portion d'un autre exemple de stator selon l'invention est représentée sur la figure 3. Le stator 100, représenté sur les figures 2 et 3, est prévu pour être monté autour d'un rotor, dans une machine électrique tournante, pour une application aux turbocompresseurs électriques tels que celui représenté sur 25 la figure 1. Le stator 100 comporte un corps 110 en matière ferromagnétique et un bobinage 120. Le corps de stator 110 a une forme cylindrique annulaire d'axe X2 présentant radialement une circonférence interne, appelée aussi face cylindrique interne 112, et une circonférence externe, appelée aussi face cylindrique externe 7 113. Le corps de stator 110 présente axialement une première et une seconde faces d'extrémité axiale 114, 115. Le corps du stator 110 peut être formé d'un empilement axial de tôles planes en matériau magnétique, muni, sur sa périphérie interne 112, de dents 130, comme 5 dans l'exemple de la figure 3. Les dents 130 sont réparties angulairement et régulièrement sur toute la face cylindrique interne 112 du corps de stator 110, c'est-à-dire sur toute sa périphérie interne. Le corps de stator 110 peut être formé d'un empilement axial de tôles planes en matériau magnétique et d'une culasse 111 montée solidairement sur la circonférence 10 interne de l'empilement de tôles, comme représenté sur la figure 2. Des dents 130 sont alors formées dans la face cylindrique interne 112 de la culasse 111. Ces dents 130 sont réparties angulairement et régulièrement sur toute la face cylindrique interne 112 de la culasse 111. Quelles soient formées dans la culasse 111 ou directement sur la circonférence 15 interne du corps de stator 110, les dents 130 s'étendent radialement vers le rotor et délimitent deux à deux des encoches 132 adaptées pour le montage du bobinage. Deux encoches successives 132 sont donc séparées par une dent 130. Chaque encoche 132 débouche axialement dans les faces d'extrémité axiale 114 et 115 et radialement dans la face cylindrique interne 112 du corps de stator 110. Chaque dent 20 130 peut être équipée, comme représenté sur la figure 2, d'un pied de dent 133 s'étendant circonférentiellement de part et d'autre de la dent pour retenir la bobine 120a-120f autour de ladite dent. Axialement, ce pied de dent 133 s'étend de façon parallèle à la périphérie interne 112 du corps de stator. Selon l'invention, le bobinage 120 comporte plusieurs bobines 120a-120f 25 réparties axialement sur la périphérie interne 112 du corps de stator, chacune de ces bobines 120a-120f étant bobinée autour d'une des dents 130 du corps de stator. Chacune de ces bobines 120a -120f est formée par au moins deux bobines concentriques et distinctes 121, 122, autour de chaque dent 130. Chacune des bobines concentriques 121, 122 est bobinée de préférence avec un fil électrique de 30 petit diamètre, c'est-à-dire un fil électrique dont la section est inférieure à 2,5mm, notamment inférieur à 1,8mm et en particulier, inférieur à 1,5mm. L'une des bobines concentriques, par exemple la bobine 121, est une bobine interne disposée au voisinage de la dent 130. Autrement dit, la bobine interne 121 est enroulée 8 directement autour de la dent 130 de sorte que les premiers enroulements de ladite bobine interne 121 sont en contact avec ladite dent 130. L'autre bobine concentrique, par exemple la bobine 122, est une bobine externe enroulée autour de la bobine interne 121. Les spires de la bobine externe 122 recouvrent donc les spires de la 5 bobine interne 121. Les bobines interne et externe 121, 122 sont connectées l'une à l'autre, en série ou en parallèle, comme décrit plus en détail par la suite. Dans les exemples des figures 2 et 3, deux bobines concentriques 121, 122 sont enroulées concentriquement l'une sur l'autre. L'homme du métier comprendra, 10 toutefois, que plus de deux bobines, par exemple trois ou quatre, peuvent être enroulées concentriquement les unes par-dessus les autres. Toutes les bobines sont alors connectées ensemble soit en série, soit en parallèle. Dans les exemples des figures 2 et 3, les bobines concentriques 121 et 122 sont connectées en parallèle. Chaque bobinage 120 comporte alors deux fils 15 d'entrée 126, parallèles, et deux fils de sortie 127, parallèles. Autrement dit, les entrées et sorties des bobines interne et externe s'étendent dans des directions parallèles entre elles. Dans des variantes avec deux bobines concentriques connectées en série, chaque bobine 120a-120f comporte une seule entrée et une seule sortie, la sortie de 20 la bobine interne 121 étant connectée, par exemple par soudage, avec l'entrée de la bobine externe 122. Quelle que soit la variante de connexion - série ou parallèle - les entrées et les sorties des bobines 120a-120f sont disposées sur une même face d'extrémité axiale, par exemple la face 114, du corps de stator. 25 L'homme du métier comprendra que bobiner concentriquement deux ou plusieurs bobines peut générer un déséquilibre électrique dans le bobinage 120. En effet, à fil électrique identique (diamètre et longueur), la résistance ohmique de chaque bobine concentrique diffère de la résistance ohmique de l'autre bobine concentrique puisque les spires de la bobines externe 122 sont plus longues que les 30 spires de la bobine interne 121. Cette différence de résistance ohmique est à l'origine d'un déséquilibre électrique. Dans certains modes de réalisation, il est choisi d'accepter le déséquilibre électrique en contrepartie d'une fabrication industrielle améliorée. 9 Dans d'autres modes de réalisation, il est choisi de compenser le déséquilibre électrique, par exemple en bobinant chacune des bobines concentriques 121, 122 avec un fil électrique d'un diamètre différent. En particulier, une des bobines concentriques 121, 122 peut être bobinée avec un fil électrique d'un diamètre dl, par 5 exemple de l'ordre de 0,6mm, tandis que l'autre bobine est bobinée avec un fil électrique d'un diamètre d2, supérieur à dl. Le diamètre, ou section, d2 peut être égal, par exemple, à dl + 10% soit, dans l'exemple ci-dessus, 0,66mm. L'équilibre électrique entre les bobines concentriques 121, 122 peut être encore amélioré en bobinant la bobine interne 121 avec le fil de plus petit diamètre - par exemple de diamètre dl - et la bobine externe 122 avec le fil de plus gros diamètre - par exemple de diamètre d2. Dans ces modes de réalisation, à longueur de fil égale, la différence de section peut permettre de compenser au moins en partie le déséquilibre électrique. Dans d'autres modes de réalisation, il est choisi de compenser le déséquilibre 15 électrique, par exemple, en bobinant chacune des bobines concentriques 121, 122 avec un fil électrique de longueur différence. En particulier, une des bobines concentriques121, 122 peut être bobinée avec un fil d'une longueur Li, tandis que l'autre bobine concentrique peut être bobinée avec un fil d'une longueur L2, différente de Li. Dans ces modes de réalisation, à diamètre de fil égal, la différence 20 de longueur peut permettre de compenser au moins en partie le déséquilibre électrique. Un ratio entre le diamètre et la longueur des fils électriques des bobines concentriques 121, 122, pour compenser le déséquilibre électrique, peut être déterminé à partir de la formule suivante : L1 L2 25 d12 d22 où Li et dl sont respectivement la longueur et le diamètre du fil de la bobine interne 121 et L2 et d2 sont respectivement la longueur et le diamètre du fil de la bobine externe 122. Quel que soit le mode de réalisation - avec déséquilibre électrique ou 30 déséquilibre compensé - le bobinage avec un fil électrique de petite section (à savoir de section plus petite que celle des fils des bobinages de l'art antérieur) nécessite une ouverture d'encoche 132 réduite. Par comparaison avec les machines de l'art antérieur, et à section de stator égale, la machine électrique de l'invention peut 10 comporter plus de dents 130 et donc une plus grande surface de bobinage 120. La machine électrique de l'invention offre donc des performances améliorées. Le bobinage de stator 120 de la machine électrique selon l'invention peut être fabriqué en mettant en oeuvre les opérations suivantes : 5 - une opération de bobinage d'un premier fil électrique autour d'une dent 130 du stator pour former une bobine interne 121, et - une opération de bobinage d'un second fil électrique autour de la même dent 130 de stator pour former une bobine externe 122, concentrique à la bobine interne 121. 10 Le bobinage d'un premier puis d'un second fils électriques est ainsi réalisé successivement pour chacune des dents 130 du stator, ce qui facilite l'opération d'enroulement des fils autour des dents. L'entrée de chaque bobine externe est ensuite connectée à la sortie de chaque bobine interne, pour une connexion en série ou en parallèle. L'entrée de chaque 15 bobine externe 122 est disposée parallèlement à l'entrée de la bobine interne 121 qu'elle recouvre et la sortie de chaque bobine externe 122 est disposée parallèlement à la sortie de la bobine interne121 qu'elle recouvre, pour une connexion en parallèle. Les entrées et sorties de toutes les bobines 120a-120f sont disposées parallèlement sur une même face d'extrémité axiale du corps de stator, 20 par exemple la face d'extrémité axiale 114. Le bobinage concentrique de plusieurs fils électriques de petite section est plus aisé à réaliser que le bobinage d'un seul fil électrique de grande section. La fabrication de bobines formées chacune de plusieurs bobines concentriques est donc plus simple à industrialiser, de sorte que le coût de fabrication des machines 25 électriques tournantes peut être amélioré. Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, la machine électrique tournante selon l'invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et 30 perfectionnements font partie de la portée de l'invention. REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante comportant un rotor à aimants permanents monté autour d'un arbre et un stator monobloc (100) monté autour du rotor, le stator comportant : - un corps (110) muni d'une pluralité de dents (130) réparties angulairement sur la périphérie interne (112) du corps et d'une pluralité d'encoches (132) définies chacune par deux dents (130) adjacentes, - un bobinage (120) comportant une pluralité de bobines (120a-120f) logées dans les encoches du stator, dans laquelle chaque dent (130) du stator est entourée par au moins deux bobines concentriques (121, 122), distinctes, connectées électriquement l'une avec l'autre. 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux bobines concentriques (121, 122) comportent une bobine interne (121) disposée au voisinage de la dent (130) et une bobine externe (122) disposée autour de la bobine interne (121), chacune des bobines interne et externe étant formée par un fil électrique de section inférieure à 2,5mm, notamment inférieure à 1,8mm, par exemple inférieure à 1,5mm. 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les deux bobines concentriques (121, 122) sont connectées électriquement en série ou en parallèle. 4. Machine électrique tournante selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la bobine interne (121) et la bobine externe (122) sont formées par des fils électriques de longueurs identiques. 5. Machine électrique tournante selon la revendication 4, caractérisée en ce que la bobine interne (121) et la bobine externe (122) sont formées par des fils électriques de sections identiques de sorte que chaque bobine comporte une résistance ohmique distincte. 12 6. Machine électrique tournante selon la revendication 4, caractérisée en ce que la bobine interne (121) et la bobine externe (122) sont formées par des fils électriques de sections (dl, d2) différentes, de sorte que les résistances ohmiques des bobines 5 interne et externe sont équilibrées. 7. Machine électrique tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce que la section (di) du fil électrique de la bobine interne (121) est inférieure à la section (d2) du fil électrique de la bobine externe (122). 10 8. Machine électrique tournante selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la bobine interne (121) et la bobine externe (122) sont formées par des fils électriques de longueurs (L1, L2) différentes. 15 9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les bobines interne (121) et externe (122) comportent des résistances ohmiques équilibrées lorsque les ratios suivants sont égaux : L1 L2 d12 d22 OÙ L1 et L2 sont les longueurs respectives des bobines interne et externe et dl et d2 20 sont les diamètres respectifs desdites bobines interne et externe. 10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que chaque bobine (120a-120f) du bobinage (120) comporte une entrée et une sortie de bobine, les entrées (126) et sorties (127) des bobines 25 concentriques s'étendant, au moins sur une portion de leur longueur, dans des directions parallèles entre elles. 11. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que chaque bobine (120a-120f) du bobinage (120) comporte une 30 entrée (126) et une sortie (127) de bobine, les entrées et les sorties de bobine étant disposées sur une même face d'extrémité axiale (114) du corps de stator. 12. Procédé de fabrication d'un bobinage de stator d'une machine électrique 13 tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comportant les opérations suivantes : - une opération de bobinage d'un premier fil électrique autour d'une dent (130) du stator pour former une première bobine (121), et 5 - une opération de bobinage d'un second fil électrique autour de la même dent (130) de stator pour former une seconde bobine (122), concentrique à la première bobine, - le bobinage du premier puis du second fils électriques autour d'une dent (130) étant ainsi réalisé successivement pour chacune des dents du stator. 10 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'une entrée (126) et une sortie (127) de chaque premier et second fils électriques sont disposées parallèlement, au moins sur une portion de leur longueur, depuis une même face d'extrémité axiale (114) du corps de stator. 15