Brevet FR3063398A1 — publié le 20180831

La présente invention se rapporte à une machine électrique tournante avec un stator à encoches obturées et plus particulièrement à une machine électrique synchro-réluctante assistée par des aimants permanents. Plus précisément, la machine électrique comporte un stator à encoches 5 ouvertes qui sont obturées par des moyens adéquats de façon à ce que l'entrefer entre la surface extérieure du rotor et la surface interne du stator soit sensiblement constant. Généralement, une telle machine électrique comporte un stator et un rotor 10 disposés selon le même axe l'un dans l'autre. Le rotor est formé d'un corps de rotor avec un empilage de tôles placé sur un arbre de rotor. Ces tôles comprennent des logements pour des aimants permanents et des perforations pour créer de barrières de flux permettant de 15 diriger radialement le flux magnétique des aimants vers le stator. Ce rotor est généralement logé à l'intérieur d'un stator qui porte des bobinages électriques pour générer un champ magnétique permettant d'entrainer en rotation le rotor. 20 Comme cela est mieux décrit dans le document EP 1 057 242, le stator est de forme annulaire et comprend une pluralité d'encoches radiales ouvertes en direction du rotor et qui s'étendent tout au long du pourtour du stator. Ces encoches sont prévues pour recevoir des bobinages d'induit qui sont 25 introduits dans le stator par la face ouverte des encoches puis y sont fixés par tous moyens connus. De manière générale, l'ondulation du couple est importante dans ce type de machine synchro réluctante assistée par des d'aimants permanents. 30 Ceci peut générer des à-coups et des vibrations au niveau du rotor en entrainant un inconfort d'utilisation de cette machine. On connait le document W02016/188764 qui décrit une machine électrique avec un stator à encoches fermées qui permet de réduire l'ondulation du couple et 3063398 2 le bruit acoustique. Cependant, cette solution impose notamment une mise en oeuvre de fabrication non conventionnelle du fait des encoches fermées. A cet effet, la présente invention concerne une machine électrique comprenant un rotor et un stator comportant une paroi interne en regard du rotor, ledit stator portant une multiplicité d'encoches radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator, lesdites encoches comportant des ouvertures débouchant dans ladite paroi interne. Selon l'invention, lesdites ouvertures sont refermées par des moyens d'obturation de façon à former une multiplicité d'encoches fermées. Les encoches de la machine électrique peuvent s'étendre longitudinalement selon l'axe du stator. Lesdits moyens d'obturation peuvent comporter une cale en matériau magnétique de dimensions correspondantes auxdites ouvertures de façon à obturer les encoches. Les cales peuvent avoir une épaisseur telle qu'elles affleurent à la surface de la paroi interne du stator. Les cales peuvent être serties, soudées, ou collées dans les ouvertures. Les moyens d'obturation peuvent comporter un cylindre en matériau magnétique disposé sur la paroi interne du stator de façon à obturer les encoches. Ledit cylindre peut être fixé par frettage dans la paroi interne du stator. Le diamètre interne du cylindre peut être adapté à recevoir le rotor. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : 3063398 3 - les figures la et lb qui sont une vue schématique en coupe transversale de machines électriques selon l'art antérieur, - les figures lc et ld qui sont une vue schématique en coupe transversale du stator de la machine selon l'invention, 5 - la figure 2a qui est un graphique illustrant l'évolution du couple à courant constant en fonction de la position électrique du rotor pour des machines électriques de l'art antérieur et pour deux machines électriques selon l'invention et - la figure 2b qui est un graphique donnant l'amplitude de l'harmonique de couple (N.m) pour les quatre modes de réalisation décrits figures la, lb, lc et 1d. 10 Les figures 1 a, 1 b, 1 c et 1 d montrent en coupe partielle une machine électrique tournante, ici une machine électrique synchro-réluctante assistée par des aimants permanents, comportant un rotor 1 et un stator 2 imbriqués l'un dans l'autre en étant coaxiaux. 15 La construction du rotor comporte, de manière connue et notamment décrit dans le document W02016/188764, un arbre de préférence magnétique, sur lequel est placé un empilage de tôles ferromagnétiques planes identiques, qui sont assemblées les unes aux autres par tous moyens connus. 20 Les tôles de forme circulaire comprennent un alésage central traversé par l'arbre de rotor et une pluralité d'évidements axiaux qui traversent les tôles de part en part. Une série d'évidements axiaux rectangulaires, disposés radialement les uns au-dessus des autres et à distance les uns des autres, forment des logements 25 pour des générateurs de flux magnétiques, ici des aimants permanents sous forme de barreau également rectangulaire de longueur sensiblement égale à la longueur de l'empilage de tôles. Une autre série d'évidements consiste en des perforations de direction radiale inclinée, qui prolongent lesdits logements jusqu'au voisinage du bord des 30 tôles. Il se crée ainsi des barrières de flux formées par les perforations. Le flux magnétique provenant des aimants ne peut alors que transiter par les parties pleines entre lesdites perforations. 3063398 4 Un stator 2 selon l'art antérieur, représenté de façon partielle sur les figures 1 a, 1 b, comprend une bague annulaire avec une paroi interne 3 dont le diamètre intérieur est prévu pour recevoir le rotor 1 avec un espace nécessaire pour réaliser un entrefer 4. 5 Cette bague comprend une multiplicité de perçages 5, ici de section oblongue, qui forment des encoches pour recevoir les bobinages d'induit. Plus précisément, ces perçages s'étendent axialement tout au long du stator en étant disposés radialement sur la bague tout en étant placés circonférentiellement à distance les uns des autres d'une distance D. 10 La figure la décrit un volume fermé qui forme une encoche fermée pour recevoir le bobinage d'induit. Ainsi, la paroi 3 est une paroi continue et l'entrefer 4 est quasiment constant entre le rotor et le stator et cela sur toute la circonférence. 15 De plus, comme l'extérieur du rotor et l'intérieur du stator sont lisses, cela permet d'avoir un bruit aérodynamique réduit. Le document W02016/188764 décrit notamment les avantages des encoches fermées. 20 La figure 1 b décrit la configuration conventionnelle d'un stator à encoches ouvertes au fond desdits encoches par des ouvertures 6. Ces ouvertures autorisent le bobinage des induits, en particulier de façon mécanique, alors que dans le cas des encoches fermées les bobinages d'induit doivent être constitués manuellement. 25 L'objet de la présente invention est de combiner à la fois le bénéfice des encoches fermées avec un stator à encoches ouvertes qui permettent de réduire le coût de réalisation par la possibilité d'un bobinage automatisé et obtenir un meilleur coefficient de bobinage de l'ordre de 0,6. 30 Pour cela, après bobinage, les ouvertures 6 du stator sont obturées par des moyens adéquats, tels des plaques ou cales en matériau magnétique de la largeur des ouvertures 6 et de la longueur correspondante à la longueur du stator. La figure 1 c illustre ce mode de réalisation en représentant en coupe les moyens d'obturation 7 en forme de cale, ou plaque. Ces moyens d'obturation peuvent être 3063398 5 sertis, collés, soudés, ou maintenus par tous moyens à la disposition de l'homme du métier. Ces cales ont avantageusement une épaisseur telle qu'elles affleurent à la surface de la paroi interne du stator. 5 Ainsi, l'entrefer est sensiblement constant sur toute la circonférence, et la surface interne 3 du stator est pratiquement lisse. La figure 1d décrit une autre réalisation desdits moyens d'obturation des encoches ouvertes 5. On place sur la surface interne 3 du stator ouvert, un 10 cylindre 8 de diamètre et longueur correspondants respectivement à la surface interne et à la longueur du stator. Ainsi, la surface interne du stator est recouverte intégralement par la paroi du cylindre 8, ou frette, et toutes les ouvertures des encoches sont ainsi obturées. L'entrefer 4 est constitué par la surface externe du rotor et la surface interne de la 15 frette 8. Le cylindre 8, ou frette, est constitué d'un matériau magnétique. Le cylindre peut être fixé sur la surface interne 3 du stator par tous moyens connus de l'homme du métier, notamment par frettage, collage, soudage. Le cylindre 8 étant d'épaisseur faible par rapport à son diamètre, le frettage est un moyen de fixation bien approprié, d'où la dénomination de « frette » pour lesdits moyens 20 d'obturation des ouvertures des encoches de stator. Sur une structure synchro-réluctante assistée d'aimants permanents, l'obturation des encoches ouvertes d'un stator présente trois avantages : - Réduction de l'ondulation de couple (ainsi que les harmoniques des 25 ondulations de couple) ; - Réduction des pertes fer au rotor et au stator (moins d'harmoniques sur l'induction magnétique dans le fer) ; - Réduction du bruit provenant de phénomènes aérodynamiques de la machine puisque l'entrefer est constant. 30 La figure 2a est un graphique avec des courbes illustrant le couple de la machine électrique (en N.m) par rapport à la position électrique du rotor (en °) pour un courant constant, pour les quatre modes de réalisation du stator : 3063398 6 encoches fermées E, encoches ouvertes 0, encoches obturées par cales C, encoches obturées par frette F. On peut remarquer que dans le cas des encoches ouvertes 0, les ondulations de couple sont beaucoup plus élevées (9.0%), alors qu'elles sont 5 respectivement de 5.1%, 6.4%, 5.4% pour les configurations avec encoches fermées E, encoches obturées par cales magnétiques C, et encoches obturées par frette magnétique. Par ailleurs, la figure 2b donne le niveau du contenu harmonique du 10 couple instantané. On remarque que dans le cas du stator avec encoches ouvertes, le rang 36, correspondant au nombre de dents du stator, prédomine. Dans les autres configurations, l'amplitude des harmoniques a tendance à décroitre en augmentant en fréquence. Cela est intéressant, notamment au niveau des pertes fer, car on ne vient pas exciter des harmoniques de haut rang qui 15 pourraient générer plus de pertes (les pertes dans le fer étant proportionnelles à f, f2 et f3!2). Il est clair que la fermeture des encoches a posteriori les bobinages d'induit, notamment avec cales magnétiques ou frette magnétique, permet de 20 réduire les ondulations de couple comparativement à la structure de stator avec encoches ouvertes, ainsi que les harmoniques de couple. Par ailleurs, la fermeture a posteriori n'introduit pas de modifications importantes au niveau des performances électromagnétiques comparativement à la structure à encoches fermées. 25 REVENDICATIONS1) Machine électrique comprenant un rotor (1) et un stator (2) comportant une paroi interne (3) en regard du rotor, ledit stator portant une multiplicité d'encoches (5) radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator, lesdites encoches comportant des ouvertures (6) débouchant dans ladite paroi interne, caractérisée en ce que lesdites ouvertures sont refermées par des moyens d'obturation (7, 8) de façon à former une multiplicité d'encoches (5) fermées. 2) Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle les encoches s'étendent longitudinalement selon l'axe du stator. 3) Machine électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle lesdits moyens d'obturation comportent une cale (7) en matériau magnétique de dimensions correspondantes auxdites ouvertures de façon à obturer les encoches. 4) Machine électrique selon la revendication 3, dans laquelle les cales ont une épaisseur telle qu'elles affleurent à la surface de la paroi interne du stator. 5) Machine électrique selon l'une des revendications 3 ou 4, dans laquelle les cales sont serties, soudées, ou collées dans les ouvertures. 6) Machine électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle les moyens d'obturation comportent un cylindre (8) en matériau magnétique disposé sur la paroi interne du stator de façon à obturer les encoches. 7) Machine électrique selon la revendication 6, dans laquelle ledit cylindre est fixé par frettage dans la paroi interne du stator. 8) Machine électrique selon l'une des revendications 6 ou 7, dans laquelle le diamètre interne du cylindre est adapté à recevoir le rotor.