Brevet FR3067879A1 — publié le 20181221

STATOR VRILLE ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne les machines électriques tournantes et plus particulièrement mais non exclusivement les stators des moteurs synchrones. Parmi les caractéristiques de fonctionnement des moteurs électriques, la pulsation de couple (en anglais « torque ripple » ou « torque pulsation ») est celle qui conditionne la souplesse d'utilisation, le confort, critères qui sont fondamentaux dans certains types d'applications (ascenseurs, traction automobile, manutention, ...). Pour obtenir un faible niveau de pulsations de couple, il est nécessaire d'avoir une inclinaison par rapport à l'axe de rotation : - soit au niveau du rotor, avec des encoches au rotor qui suivent un trajet en hélice, - soit au niveau du stator, par un vrillage de celui-ci. Dans le cas de moteurs asynchrones avec rotor à cage d'écureuil, la solution la plus simple, très largement utilisée, consiste à monter avant injection d'aluminium les tôles du rotor en hélice, par exemple à l'aide d'une rainure de clavette hélicoïdale ou d'un outillage de positionnement spécifique, puis à injecter l'aluminium. On obtient un rotor tel que celui illustré à la figure 1. Pour les moteurs à courant continu ou synchrones à rotor bobiné, les tôles rotor sont montées sur l'arbre en hélice par exemple à l'aide d'une rainure de clavette hélicoïdale ou d'un outillage de positionnement comme ci-dessus, puis le rotor est bobiné, par insertion manuelle ou mécanique des bobinages du rotor dans les encoches. Sur les moteurs synchrones avec rotor à aimants, ces techniques ne peuvent pas être utilisées, car les aimants sont des pièces rigides parallélépipédiques ou en forme de tuile. Il existe alors trois solutions possibles pour obtenir une inclinaison entre le rotor et le stator : a) fractionner le rotor comme illustré à la figure 2, en plusieurs rangées (encore appelées « galettes »), ce qui revient à avoir plusieurs aimants dans la longueur du rotor. On crée un décalage angulaire (« step skew ») entre les rangées successives, ce qui crée une sorte d'hélice et permet ainsi de réduire les pulsations de couple ; b) vriller le stator : le stator, de forme extérieure cylindrique, est vrillé soit avant bobinage (en cas de bobinage manuel), soit après bobinage (en cas de bobinage automatique) ; 2 c) une troisième solution consiste à utiliser des aimants vrillés, mais elle présente l'inconvénient de nécessiter un type d'aimant par longueur de machine, ce qui n'est applicable que pour les grandes séries ou les cas très spéciaux, et la technique pour élaborer et contrôler des aimants de forme hélicoïdale est complexe. 5 Le « step skew » des rotors synchrones à aimants présente les inconvénients suivants : a) Il s'avère moins efficace : L'effet de réduction des pulsations de couple est moins important que ce qui peut être obtenu avec un stator incliné ou un rotor en hélice ; b) dans le cas de moteurs courts, il est nécessaire de fractionner le rotor en 10 rangées d'aimants (galettes) très courtes, ce qui augmente le nombre d'aimants, leur coût et complique la mise en place ; c) le fait d'avoir un écart angulaire significatif entre les rangées d'aimants consécutives crée localement une perturbation du flux magnétique, préjudiciable au rendement du moteur : Il est alors souhaitable de mettre en place un moyen pour éviter le 15 contact entre les aimants, par exemple en introduisant un isolant entre les rangées d'aimants, tel qu'une rondelle isolante, ce qui augmente la longueur du rotor et son prix, ou de positionner les aimants afin qu'ils ne puissent pas se toucher, donc d'avoir des aimants plus courts que leur logement axial, ce qui complique le procédé de fabrication. Par ailleurs traditionnellement, les stators des moteurs électriques sont de forme 20 ronde, étant pour la plupart insérés dans un carter après bobinage. Des stators de forme carrée, assemblés par tirants, ont fait leur apparition tout d'abord pour les moteurs à courant continu : cette conception permet de ne plus nécessiter de carter, pièce coûteuse, et d'optimiser l'utilisation de la tôle jusque dans les angles, en profitant de ces angles pour loger un système de fixation ou réaliser des pôles auxiliaires. 25 Elle occasionne une baisse conséquente du prix de revient, et tend à être très largement utilisée par la plupart des constructeurs de moteurs à courant continu. Certains types de moteurs asynchrones ou synchrones utilisent également cette structure carrée, comme illustré à la figure 3, en raison de son intérêt économique. Sur la figure 3, on voit que le paquet de tôles magnétiques du stator est assemblé à l'aide de tirants 30 dans les quatre coins, introduits dans des logements correspondants de section circulaire. Le brevet US 2 650 316 divulgue un moteur électrique comportant au stator un paquet de tôles vrillé reçu dans un carter. Les tôles présentent à leur périphérie des extensions 3 radiales dans lesquelles sont ménagées des trous oblongs pour le passage de tirants de compression axiale du paquet. Le procédé d'assemblage des tôles n'est pas décrit de façon détaillée. Un tel moteur présente les inconvénients liés à la présence d'un carter externe, a savoir l'encombrement et le coût de fabrication notamment. De plus, le paquet de tôles 5 présente une géométrie mal contrôlée. Etant donné la présence d'un carter, les roulements peuvent néanmoins être maintenus précisément par ce dernier, indépendamment des défauts de géométrie du paquet de tôles. Néanmoins, pour un moteur sans carter, cette imprécision s'avèrerait problématique, car les paliers sont alors directement maintenus par les tirants. La demande US 2007/0096585 Al décrit un stator vrillé formé de tôles de 10 contour de forme carrée. Le brevet US 7 531 936 donne d'autres exemples de stators vrillés. Il demeure un besoin pour perfectionner encore les moteurs électriques sans carters, notamment synchrones, afin de diminuer les pulsations de couple, d'une façon économique et performante. 15 Il existe également un intérêt pour bénéficier d'un procédé de fabrication d'un stator vrillé d'un tel moteur, qui soit simple à mettre en oeuvre. L'invention répond à ces besoins grâce à un moteur électrique, notamment synchrone, comportant : - un rotor, 20 - un stator comportant un paquet de tôles présentant des encoches recevant des bobinages, les tôles présentant à leur périphérie radialement extérieure des extensions radiales traversées par des logements de section oblongue dans lesquels sont engagés des tirants, - les tôles étant décalées angulairement les unes par rapport aux autres de telle 25 sorte que les encoches s'étendent chacune selon un trajet hélicoïdal, - des paliers avant et arrière, les tirants venant en butée contre les paliers et imposant une géométrie au moteur indépendamment de celle du paquet de tôles. Grâce à l'invention, on s'affranchit des défauts éventuels de géométrie du paquet de tôles, puisque les paliers sont positionnés l'un relativement à l'autre grâce aux tirants, de sorte que 30 la géométrie de l'ensemble ne dépend pas du paquet de tôles, notamment de son épaisseur. Les tirants peuvent venir en appui à leurs extrémités contre des lamages réalisés dans les paliers, ayant dans ce cas notamment une longueur supérieure à celle du paquet de tôles. 4 L'invention permet de conserver les avantages du stator carré, notamment un prix de revient faible, de conserver leur encombrement, donc de répondre aux contraintes dimensionnelles, tout en obtenant un faible niveau de pulsations de couple. L'invention peut permettre, pour les rotors synchrones à aimants permanents, de 5 rationaliser les longueurs d'aimants. L'invention permet également, dans une certaine mesure, d'optimiser le remplissage des encoches par le bobinage et d'utiliser au mieux la longueur des têtes de bobines. Selon une réalisation préférée, le stator comporte des fentes secondaires s'étendant d'un côté des logements au sein desdites extensions, curvilignes 10 autour de l'axe de rotation du moteur. La présence de telles fentes facilite la fabrication du stator, en permettant d'introduire dans celles-ci des éléments maintenant les tôles assemblées avant l'opération de bobinage ou d'imprégnation du paquet de tôles bobiné. Le rotor utilisé peut être un rotor droit, ce qui simplifie sa fabrication et réduit 15 son coût. Lorsque le rotor est à aimants permanents, ceux-ci peuvent être de forme conventionnelle, notamment parallélépipédique ou en forme de tuile. Les tirants sont de préférence de section circulaire, et peuvent être au nombre de quatre, l'invention n'étant pas limité à ce nombre, lequel peut être plus ou moins grand que 20 quatre. Les logements de section oblongue peuvent être de section curviligne, et s'étendre angulairement sur un angle permettant une rotation des tôles d'au moins 5 ° autour de l'axe de rotation du rotor. Les tôles peuvent comporter des trous permettant de les aligner angulairement 25 préalablement à l'opération de vrillage du paquet. Ces trous sont de préférence réalisés dans des parties pleines s'étendant dans l'intervalle entre un côté d'un carré dans lequel chaque tôle s'inscrit et une partie annulaire de la tôle, cette dernière étant tangente au milieu du côté du carré. Une telle disposition permet de découper la tôle dans une bande, donc de réduire les pertes de matière. Les trous reçoivent lors de l'opération d'alignement des tôles des 30 éléments tel que des goupilles. Ces dernières peuvent être munies à au moins une extrémité d'un circlip. Ces éléments sont enlevés pour procéder au vrillage. Préalablement à leur enlèvement, les éléments de maintien peuvent être engagés dans les fentes périphériques. 5 Ces dernières peuvent toujours loger, une fois le stator fabriqué, les éléments ayant servi servant à maintenir les tôles du paquet. Ces éléments peuvent comporter des goupilles, lesquelles peuvent recevoir à au moins une extrémité un circlip, ou être constitués par des rivets, entre autres éléments de fixation pouvant être utilisés. 5 Des joints d'étanchéité, notamment en élastomère, peuvent être interposés entre le paquet de tôles et les paliers. Cela peut permettre d'amortir les vibrations du circuit magnétique et de fermer de façon étanche la liaison entre le paquet de tôle et les paliers, au niveau de la surface externe de la machine. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de 10 fabrication d'un stator, notamment du stator d'un moteur selon l'invention tel que défini ci- dessus, comportant les étapes suivantes : - assemblage d'un paquet de tôles sans donner d'inclinaison au paquet par décalage angulaire des tôles entre elles, fixation provisoire des tôles à l'aide d'éléments engagés dans des trous en 15 correspondance du paquet de tôles ou dans des fentes périphériques curvilignes, centrées sur l'axe du stator, ces éléments étant tels que des goupilles ou rivets par exemple, bobinage du paquet de tôles, vrillage du paquet de tôles bobiné, imprégnation du paquet de tôles bobiné, 20 montage du paquet de tôles entre des paliers à l'aide de tirants engagés dans des logements de section oblongue présents à la périphérie du paquet, le paquet de tôles étant positionné par les tirants entre les paliers. L'assemblage initial peut s'effectuer à l'aide d'éléments introduits dans les trous en correspondance du paquet de tôles, ces derniers étant de préférence des trous de 25 section circulaire. Dans un tel procédé de fabrication, les éléments engagés dans les fentes périphériques peuvent être laissés en place après l'imprégnation. Le vrillage peut avoir lieu après l'opération de bobinage, notamment lorsque celle-ci est automatisée. En variante, le vrillage a lieu avant l'opération de bobinage, 30 notamment lorsque celle-ci est manuelle. De préférence, les tirants sont mis en place après l'imprégnation, ce qui évite d'avoir à les nettoyer. 6 L'invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un moteur électrique synchrone, comportant : - un rotor, - un stator comportant un paquet de tôles présentant des encoches recevant des 5 bobinages, les tôles présentant à leur périphérie radialement extérieure des extensions radiales traversées par des logements principaux de section oblongue dans lesquels sont engagés des tirants, les tôles étant décalées angulairement les unes par rapport aux autres de telle sorte que les encoches s'étendent chacune selon un trajet hélicoïdal, et des fentes secondaires s'étendant d'un côté des logements au sein desdites extensions, ces fentes étant 10 curvilignes autour de l'axe de rotation du moteur. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1, précédemment décrite, représente un rotor incliné selon l'état de 15 la technique, - la figure 2, précédemment décrite, représente un stator dit « step skew », selon l'état de la technique, - la figure 3, précédemment décrite, un stator carré selon l'état de la technique, avant l'opération de bobinage, 20 la figure 4 représente de façon schématique et partielle, en perspective, un stator selon l'invention, les figures 5A et 5B illustrent des étapes dans la fabrication du stator, la figure 6 représente un détail de réalisation d'une tôle de stator, la figure 7 représente le moteur complet, 25 la figure 8 est une coupe longitudinale du moteur, la figure 9 représente isolément le rotor, et la figure 10 représente un détail de l'assemblage du paquet de tôles et des paliers. On a représenté aux figures 7 et 8 un moteur selon l'invention, comportant un 30 stator 1 sans carter, et un rotor 2 tournant à l'intérieur du stator. Le stator comporte des paliers avant 3 et arrière 4 supportant des roulements 5 et 6 pour l'arbre 7 du rotor, et un circuit magnétique de stator disposé entre les paliers. 7 Ce circuit magnétique est représenté à la figure 4 et comporte un paquet 10 de tôles magnétiques 11. Les tôles 11 présentent des encoches 14, ouvertes sur l'entrefer, qui accueillent des bobinages de phases 12, le moteur étant par exemple triphasé. 5 On a schématiquement représenté la surface enveloppe de ces bobinages sur la figure 4. On voit que les têtes de bobines 13 dépassent axialement du paquet 10 de tôles 11, de chaque côté de celui-ci. Conformément à l'invention, le paquet 10 est vrillé, c'est-à-dire que les encoches 14 s'étendent chacune selon un trajet hélicoïdal autour de l'axe de rotation du rotor. 10 Les dents 16 des tôles qui définissent les encoches sont reliées par une partie annulaire 15. Des extensions périphériques 20, au nombre de quatre dans l'exemple illustré, font saillie sur la partie annulaire 15 vers l'extérieur. Chaque extension 20 est traversée, comme on peut le voir sur la figure 6 15 notamment, par un trou principal 21, de section oblongue curviligne autour de l'axe de rotation, par une fente secondaire 22, présente d'un côté du trou principal 21, et par un trou auxiliaire 23, présent du côté opposé. La fente 22 est curviligne autour de l'axe de rotation du moteur. Le trou auxiliaire 23 est de section circulaire. Les trous 21 forment, lorsque les tôles 11 sont superposées, des logements dans 20 lesquels sont engagés des tirants respectifs 30. Ces tirants 30 sont par exemple taraudés à leurs extrémités, comme visible à la figure 10, et servent au montage du moteur. Les tirants 30 sont chacun d'axe longitudinal parallèle à l'axe de rotation et viennent en butée à leurs extrémités 30a et 30b contre les paliers 3 et 4 dans des lamages 33 réalisés dans ceux-ci, de sorte que l'écartement entre ces 25 derniers est imposé par la longueur des tirants et non par l'épaisseur du paquet de tôles. La longueur des tirants 30 est supérieure à l'épaisseur du paquet de tôles. Les paliers 3 et 4 sont fixés sur les tirants 30 à l'aide de vis 32 engagées dans ceux-ci. Des joints d'étanchéité 34 de préférence en élastomère sont interposés entre les tôles de garde du paquet 10 et les paliers. 30 Les paliers 3 et 4 s'inscrivent dans la continuité de la surface extérieure du paquet de tôles. 8 Le vrillage du stator correspond par exemple à un décalage angulaire entre les tôles de garde du paquet de 100 environ. Les trous principaux 21 sont d'une étendue angulaire, autour de l'axe de rotation, qui est telle que chaque tirant 30 vienne en appui contre une extrémité du trou correspondant 5 de la tôle de garde avant et contre l'extrémité opposée du trou correspondant de la tôle de garde arrière. Des éléments 40 sont présents dans les fentes 22 sur le stator fini, comme illustré. Ces éléments 40 sont par exemple des goupilles ou rivets qui permettent la fixation provisoire des tôles du paquet avant son imprégnation, comme détaillé ci-après. 10 Le rotor est de préférence un rotor droit à aimants permanents, comme illustré à la figure 9, le moteur étant synchrone. Pour fabriquer le stator 1, on peut découper les tôles 11 de façon à réaliser les extensions 20 dans les coins d'un carré, comme illustré à la figure 5A. On minimise ainsi les pertes de matière lors de l'opération de découpage. 15 On remarque sur la figure 5A que la dimension dans le sens radial de la partie pleine 28 dans laquelle est réalisé le trou auxiliaire 23 est moindre que celle dans laquelle le trou principal 21 est réalisé, ce qui permet de loger la partie pleine 28 dans l'intervalle entre la partie annulaire 15 et le côté du carré. Ce dernier est tangent en son milieu à la partie annulaire 15. 20 Après découpage, les tôles 11 sont superposées exactement et préassemblées ainsi, par exemple à l'aide d'éléments tels que des goupilles 45, insérés dans les trous auxiliaires 23. Les éléments 40 sont introduits dans les fentes 22. On peut alors procéder à l'opération de bobinage, de façon automatique, les 25 encoches étant droites. En variante, le bobinage a lieu avant introduction des éléments 40 dans les fentes 22. Une fois l'opération de bobinage terminée, on peut procéder à l'opération de vrillage du stator. Les éléments 45 sont alors retirés pour permettre l'inclinaison du paquet. Une fois le vrillage effectué, les encoches dans lesquelles sont engagés les 30 conducteurs des bobinages s'étendent chacune selon un trajet hélicoïdal. Durant l'opération de vrillage, les éléments sont maintenus parallèles à l'axe de rotation. 9 Une fois le vrillage recherché obtenu, on procède à l'imprégnation du circuit magnétique ainsi réalisé. Ensuite, les tirants 30 sont mis en place dans les logements 21 et les paliers sont montés sur ceux-ci. La géométrie du moteur est imposée par la position axiale et radiale des 5 tirants dans les paliers. Ainsi, les défauts de géométrie du paquet de tôles, notamment en termes d'épaisseur, n'impactent pas négativement la précision du montage des paliers. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit. On peut notamment réaliser le stator avec à sa périphérie des reliefs destinés à créer des canaux de guidage d'air de refroidissement. Les trous principaux peuvent être de contour 10 fermé ou ouvert, avec par exemple une ouverture débouchant radialement vers l'extérieur. De même, les fentes périphériques peuvent être à contour ouvert. Dans l'exemple illustré, chaque fente 22 est réalisée dans une partie pleine attenante à celle qui est traversée par le trou 21 correspondant. En variante, la partie dans laquelle la fente 22 est réalisée est distincte de celle traversée par le trou 21, avec par exemple 15 entre les deux une gorge ouverte vers l'extérieur, dont le fond est défini par la partie annulaire 15. Le paquet de tôles peut être recouvert par un capotage formé par exemple d'une tôle légère, mise en forme par pliage ou emboutissage. Une telle tôle n'est en rien comparable à un carter supportant des roulements. 20 1. 5 10 2. 15 3. 4. 20 5. 6. 25 7. 30 8. 10