Brevet FR3064838A1 — publié le 20181005

STATOR POUR MACHINE ELECTRIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des machines électriques tournantes sans balais, notamment à des vitesses élevées, typiquement plus de 10.000 tours par minute, et plus particulièrement concerne la réduction du bruit et des vibrations occasionnés par de telles machines électriques tournantes. Les vibrations des machines électromagnétiques entraînent des nuisances sonores parfois rédhibitoires pour une utilisation normale, ainsi qu'une diminution de fiabilité. Pour réduire les sources de vibrations, on agit habituellement sur des facteurs tels que : - les déséquilibres électriques, - les déséquilibres mécaniques rotor, accouplements ou pièces d'équipement menées, - les effets mécaniques : jeu, frottement, roulements, - les effets extérieurs : base, équipement entraîné, dés alignement, - les résonances, vitesses critiques, contact critique. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique l'article « An Analytical Approach to Solving Motor Vibration Problems » IEEE Paper No. PCIC-99-20, auteurs William R. Finley Mark M. Hodowanec Warren G. Holter, qui présente les différentes sources de vibrations. On connaît aussi la demande de brevet américaine U52013057105 concernant des moteurs à rotor à aimant permanent 3064838 2 et plus particulièrement des procédés et des systèmes pour réduire le bruit et le couple de denture dans des moteurs incorporant un rotor à aimant permanent. Le couple résultant de l'interaction magnétique entre le rotor et le stator peut 5 contenir une ondulation de torsion indésirable, soit résultant du courant dans les enroulements, soit simplement de l'interaction des aimants permanents et du stator, cette ondulation étant présente dans un moteur non alimenté, ce qui est connu comme le couple de détente ou de résiduel (cogging 10 en anglais). De plus, il peut y avoir des forces radiales entre le rotor et le stator qui provoquent un bruit gênant. En outre, les dents et les impulsions de couple au niveau de l'arbre du moteur peuvent être transmises à un autre équipement entraîné. La solution proposée dans ce document de 15 l'art antérieur concerne un noyau de stator à fente ouverte comprenant une pluralité de fentes et de dents, avec un matériau ferromagnétique à l'intérieur du noyau de rotor configuré pour concentrer et diriger le flux d'un ou plusieurs desdits aimants vers une dent statorique proche du matériau 20 ferromagnétique. On connaît aussi le brevet européen EP2182218 qui présente une pompe centrifuge dont le but est d'assurer une construction stable sans jeu du stator de telle façon qu'aucune vibration, aucun bruit ou aucune résonance 25 n'apparaît. Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur ne permettent pas de traiter correctement les pics vibratoires se produisant à certains régimes correspondant à des fréquences propres de la 30 machine électrique. 3064838 3 Solution apportée par l'invention L'invention a pour objet de diminuer la création et la propagation spatiale du bruit émis par le stator en permettant une articulation des dents du stator relativement à 5 la culasse avec un ou deux degrés de liberté, en rotation ou translation. Plus particulièrement, l'invention a pour objet un stator pour machine électrique présentant une pluralité de dents s'étendant radialement, supportées par une culasse 10 annulaire extérieure radialement auxdites dents, une partie au moins des dents étant bobinée, caractérisé en ce qu'une partie au moins des dents présente au moins un degré de liberté en rotation et/ou translation par rapport à ladite couronne annulaire. 15 Dans une première variante, une partie au moins des dents présente un seul degré de liberté, en rotation, par rapport à ladite culasse annulaire, l'axe de rotation étant parallèle à l'axe de rotation de la machine. Dans une deuxième variante, une partie au moins des 20 dents présente un seul degré de liberté, en translation selon une direction axiale, par rapport à ladite culasse annulaire. Dans une troisième variante, une partie au moins des dents présente un seul degré de liberté, en translation selon une direction radiale, par rapport à ladite culasse 25 annulaire. Dans une quatrième variante, une partie au moins des dents présente un premier degré de liberté, en rotation, et un second degré de liberté en translation par rapport à ladite culasse annulaire. Préférentiellement, le stator comporte au moins une couronne tubulaire intérieure radialement auxdites dents en un 3064838 4 matériau amagnétique ou magnétique saturé reliant lesdites dents. Alternativement, cette couronne tubulaire intérieure est discontinue suivant la hauteur de ladite 5 culasse, formant plusieurs isthmes saturables. Préférentiellement, la couronne tubulaire intérieure présente une géométrie de révolution axisymétrique mais il est possible de réaliser une couronne tubulaire intérieure ayant une géométrie de révolution apériodique. 10 Avantageusement, la culasse annulaire extérieure présente des cannelures de forme cylindrique s'ouvrant vers lesdites dents, lesdites dents présentant à leur extrémité, du côté de ladite culasse annulaire extérieure, une protubérance de forme cylindrique complémentaire à la forme cylindrique 15 desdites cannelures. Préférentiellement, ladite forme cylindrique desdites cannelures est une forme de section semi-circulaire dont le rayon de courbure est supérieur au rayon de courbure de la forme de ladite protubérance cylindrique des dents. 20 Préférentiellement, les formes complémentaires débouchent sur deux zones d'ouverture où les cannelures forment, avec les flancs des dents, un entrefer d'angle inférieur à 100. Le stator peut présenter plusieurs dents, 25 typiquement six dents sont illustrées dans la présente demande. Dans un mode de réalisation, ladite protubérance est de forme monobloc, intégrale avec ladite dent. Alternativement, ladite protubérance est complétée 30 par au moins un manchon positionné, radialement, entre la dent et la culasse annulaire extérieure. 3064838 5 Dans un mode de réalisation, est inséré, entre le manchon et la culasse, un film additionnel en une matière ayant des propriétés d'amortissement mécanique. Selon une variante, les cannelures sont en retrait, 5 radialement, par rapport à la position des dents et en ce que lesdites dents coulissent radialement à l'intérieur desdites cannelures. Les dents et la culasse sont ajustées directement ou par l'intermédiaire d'une pièce de liaison, par une zone de 10 contact glissant s'étendant selon une direction axiale, dans un plan tangentiel perpendiculaire au rayon médian de la dent. Cette zone de contact constitue une ligne de glissement ou une surface de glissement ou une succession de points de glissements préservant le degré de liberté en rotation et/ou 15 le degré de liberté en translation. Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif 20 de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : - les figures la et lb représentent une vue de face de stators selon l'invention, respectivement avec et sans bobine électrique d'alimentation, - les figures 2a, 2b et 2c représentent des couples 25 de vues de stators selon des variantes de réalisation d'un premier mode de réalisation avec des ouvertures angulaires des cannelures, avec pour chacune de ces figures : à gauche une vue de face de stator sans bobine et à droite une vue agrandie de la jonction entre une dent et la couronne statorique, 30 - les figures 3a, 3b et 3c représentent des vues respectivement de face et selon deux perspectives d'un deuxième mode de réalisation utilisant, entre les dents et la 3064838 6 culasse, une matière présentant des propriétés d'amortissement mécanique, - la figure 4 représente une vue d'un mode de réalisation alternatif où la couronne tubulaire de liaison 5 présente une forme non périodique, - la figure 5 représente un graphique de l'amélioration des performances d'émission sonore d'une machine utilisant les principes exposés dans la présente invention, 10 - la figure 6 représente une vue en perspective d'un stator selon l'invention et selon une vue éclatée, - la figure 7 représente une vue de face d'un stator selon l'invention dans un mode de réalisation alternatif 15 - la figure 8 représente deux vues de stator selon un mode de réalisation permettant un degré de liberté en translation des dents du stator, - la figure 9 représente deux vues montrant les degrés de liberté permis par l'invention, respectivement à 20 gauche pour le degré de liberté en translation et à droite pour le degré de liberté en translation, - la figure 10 représente deux vues d'un stator selon l'invention et un mode particulier permettant de cumuler deux degrés de liberté - en rotation et en translation - de 25 l'ensemble denté, - la figure 11 représente deux vues selon des perspectives différentes, d'un mode de réalisation particulier d'un ensemble denté selon l'invention. Description détaillée d'un premier mode de réalisation 3064838 7 La figure la représente une vue de face d'un exemple de réalisation d'un stator bobiné selon l'invention dans un mode préféré. La figure lb est une vue sans bobine et avec une culasse différente. 5 Le stator comprend une culasse (1) de forme tubulaire en un matériau ferromagnétique présentant des cannelures (2 à 7) s'étendant parallèlement à l'axe médian, sur la paroi intérieure de la culasse (1). Les perçages (30) ne sont pas significatifs dans l'invention et ne servent qu'à 10 représenter de manière réaliste, sur cette figure la, les moyens par lesquels peuvent se fixer ce stator dans l'application. La section de ces cannelures (2 à 7) est semi-circulaire, pour permettre l'encastrement pivotant de 15 l'extrémité des dents (12 à 17). Les dents (12 à 17), s'étendant radialement, sont entourées par des bobines électriques (24 à 29), habituellement réalisées en fils de cuivre ou lames d'aluminium enroulés. Ces dents (12 à 17) sont constituées par des pièces 20 massives ou constituées par des empilements de tôles en un matériau ferromagnétique, présentant une section rectangulaire prolongée à l'arrière par une protubérance arrondie (35), de section arrondie complémentaire à la section des cannelures (2 à 7), pour permettre un pivotement d'une amplitude de quelques 25 dixièmes de degrés à quelques degrés, par exemple ±1°, par rapport à une orientation médiane radiale. L'extrémité opposée, c'est-à-dire intérieure, des dents (12 à 17) est reliée à une couronne tubulaire de liaison (11) en un matériau amagnétique ou saturée magnétiquement. 30 Cette couronne (11) sert à participer à rigidifier la structure mécanique du stator mais elle n'est qu'une variante, bien que préférée pour une raison de maintien mécanique des 3064838 8 dents entre elles, non limitative de réalisation de l'invention. Cette couronne tubulaire de liaison (11) peut présenter une configuration asymétrique, par exemple avec une 5 paroi d'épaisseur non constante ou une raideur variable afin d'éviter une mise en résonance entre les dents (2 à 7). Cela est illustré en figure 4. Les figures 2a à 2c présentent des vues en détail de la liaison pivotante entre la dent (12) et la culasse 10 tubulaire (1) dans différents cas d'ouverture des cannelures. Les trois exemples donnés en figures 2a, 2b et 2c représentent respectivement des ouvertures de 1°, 50 et 100, l'ouverture étant définie ci-après. La protubérance (35) arrière de la dent (12) présente une forme semi-cylindrique avec un rayon de 15 courbure constant s'étendant sur 180° environ. Elle est engagée dans la cannelure qui présente un fond (32) avec un rayon de courbure constant et complémentaire du rayon de courbure de la dent (12), sur environ 180°. Cette partie semi-cylindrique s'ouvre sur un tronçon (42) formant avec le plan radial un 20 angle d'ouverture, selon les trois cas d'exemple représentés, pour permettre le pivotement de la dent (12), suivant les cas de sollicitation et les niveaux de vibration observés. La dent (12) présente ainsi un degré de liberté en rotation. En référence au repère (R, e, Z) dessiné sur la 25 figure 2a et centré sur le centre de la protubérance (35) cylindrique, la dent (12) est libre de glisser autour de l'axe Z, au fond de la cannelure (2). Le jeu entre la protubérance (35) arrière de la dent (12) et le fond de la cannelure (2) est typiquement de 30 0,01 millimètres, bien que cette valeur ne soit pas limitative. Un film de lubrifiant peut être prévu, bien que non obligatoire, entre la protubérance (35) arrière de la dent (12) et le fond de la cannelure (2). De même, il peut être 3064838 9 inséré un film en une matière visqueuse ayant des propriétés d'amortissement mécanique. La figure 6 montre les deux ensembles du stator formé d'une part par la culasse annulaire radiale (1), elle-5 même formée par un assemblage de tôles ferromagnétiques ou par un matériau massif, et d'autre part par un ensemble denté (100) formé des dents (2 à 7) liées à la couronne tubulaire de liaison (11). Cet ensemble denté (100) est lui aussi formé soit par un assemblage de tôles ferromagnétiques soit par un 10 matériau massif. Variantes de réalisation Les figures 3a, 3b et 3c illustrent une variante de réalisation, où la dent (12) est engagée dans la cannelure (2) avec un manchon (34) additionnel. La cannelure (2) se referme 15 sur un angle d'environ 230°, sans que cette valeur soit limitative, et se termine de part et d'autre du plan radial médian par une arête (33) venant s'appuyer contre le flanc latéral de la dent (12). Une forme de contact différente peut être envisagée entre la dent (12) et la culasse (1) en 20 fonction de la tenue mécanique souhaitée. La protubérance, ou prolongement, semi-tubulaire (35) de la dent (12) comprend un manchon (34). Dans l'espace (36) entre les manchons (34) et le fond de dent (32) est insérée une matière visqueuse ayant des caractéristiques 25 d'amortissement mécanique. Il peut être envisagé de charger en particules ferromagnétiques le film, voire même de réaliser ce film en un matériau ferromagnétique souple, afin de minimiser les pertes de performances magnétiques en minimisant les entrefers 30 résiduels. La figure 3b montre un exemple de construction d'un stator suivant ce mode de réalisation où les manchons (34) 3064838 10 sont au nombre de deux par dent et sont glissés de part et d'autre sur les protubérances semi-tubulaires (35) pendant le montage. Le film d'amortissement peut ainsi être inséré après positionnement d'un manchon, le deuxième manchon (34) servant 5 à répartir par effet piston, le film d'amortissement. Après montage des manchons (34), en figure 3c, le film d'amortissement est en place. La figure 5 montre typiquement les améliorations obtenues en termes d'émission sonores, en décibels, d'une 10 machine électrique selon l'invention, notée (B), suivant une vitesse de rotation augmentée linéairement, et comparée à une machine similaire (taille, épaisseur et propriétés mécaniques identiques) ne bénéficiant pas des caractéristiques de l'invention, notée (A). Si ponctuellement, pour quelques 15 vitesses isolées, quelques pics montrent une dégradation des émissions sonores, le niveau moyen est largement diminué sur l'ensemble du diagramme réalisé. A des vitesses supérieures à 80 000 tours/min (RPM), l'amélioration est supérieure à 5 dB. La figure 7 présente une version alternative qui ne 20 présente pas de couronne tubulaire de liaison (11). Bien que plus difficile à réaliser, du fait des objets unitaires formés par chacune des dents (12 à 17), cette version est envisagée et peut être proposée en fonction de l'application, l'objet principal de l'invention résidant dans la possibilité de 25 pivotement des dents du stator. La figure 8 présente un mode de réalisation permettant un degré de liberté en translation de la dent (12) dans la cannelure (2) qui est ici en retrait, radialement, par rapport à la position de la dent (12). De cette manière, la 30 protubérance (35) de la dent (12) coulisse radialement à l'intérieur de la cannelure (2). Plus particulièrement, en référence au repère (R, 0, Z) dessiné sur la figure 8 et centré sur le centre de la protubérance (35) cylindrique, la dent 3064838 11 (12) est libre de glisser selon l'axe R, vers le fond de la cannelure (2). Il est possible, selon l'invention, de bénéficier d'un degré de liberté en translation, comme montré sur la vue 5 de gauche de la figure 9, ou d'un degré de liberté, comme montré sur la vue de droite de la figure 9, ou encore de cumuler ces degrés de liberté comme montré en figure 10. Dans ce dernier cas de figure, la culasse annulaire extérieure (1) présente un fond de dent (32) en retrait, 10 radialement, par rapport à la protubérance (35) de dent pour permettre une translation de la dent (12), et un tronçon d'ouverture (42) formant avec le plan radial un angle d'ouverture, pour permettre le pivotement de la dent (12). Dans ce cas, la dent (12) peut pivoter et translater grâce aux 15 appuis (110) de la culasse annulaire (1), à la jonction entre le tronçon d'ouverture (42) et le fond de dent (32). Plus particulièrement, en référence au repère (R, 0, Z) dessiné sur la figure 10 et centré sur le centre de la protubérance (35) cylindrique, la dent (12) est libre de glisser autour de l'axe 20 Z, sur les appuis (110) et de translater selon l'axe R vers le fond de la cannelure (2). La figure 11 permet d'observer une variante de réalisation de l'ensemble denté (100) où la couronne tubulaire intérieure (11) n'est pas continue, formant des isthmes (120) saturables magnétiquement sur la hauteur de l'ensemble denté (100). Ceci est par exemple possible en alternant des tôles de profils différents lorsque cet ensemble denté (100) est réalisé avec un paquet de tôles. L'avantage de cette réalisation est éventuellement de permettre une diminution du court-circuit magnétique entre chaque dent de cet ensemble denté. Le nombre d'isthmes (120) n'est pas figé. REVENDICATIONS1. Stator pour machine électrique présentant une pluralité de dents (12 à 17) s'étendant radialement, supportées par une culasse annulaire extérieure (1) radialement auxdites dents (12 à 17), une partie au moins des dents (12 à 17) portant une bobine, caractérisé en ce qu'une partie au moins des dents (12 à 17) présente au moins un degré de liberté en rotation et/ou translation par rapport à ladite culasse annulaire (1). 2. Stator pour machine électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une partie au moins des dents (12 à 17) présente un seul degré de liberté, en rotation, par rapport à ladite culasse annulaire (1), l'axe de rotation étant parallèle à l'axe de rotation de la machine. 3. Stator pour machine électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une partie au moins des dents (12 à 17) présente un seul degré de liberté, en translation selon une direction radiale ou axiale, par rapport à ladite culasse annulaire (1). 4. Stator pour machine électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une partie au moins des dents (12 à 17) présente un premier degré de liberté en rotation et un second degré de liberté en translation par rapport à ladite culasse annulaire (1). 5. Stator pour machine électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couronne tubulaire intérieure (11) radialement auxdites dents (12 à 17) en un matériau amagnétique ou magnétique saturé reliant lesdites dents (12 à 17). 6. Stator pour machine électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la couronne 3064838 13 tubulaire intérieure (11) est discontinue suivant la hauteur de ladite culasse, formant plusieurs isthmes (120) saturables. 7. Stator pour machine électrique selon la revendication 5 caractérisé en ce que la couronne tubulaire 5 intérieure (11) est de géométrie de révolution apériodique. 8. Stator pour machine électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la culasse annulaire extérieure (1) présente des cannelures (2 à 7) de forme cylindrique s'ouvrant vers lesdites dents (12 à 17), lesdites 10 dents (12 à 17) présentant à leur extrémité, du côté de ladite culasse annulaire extérieure (1), une protubérance (35) de forme cylindrique complémentaire à la forme cylindrique desdites cannelures (2 à 7). 9. Stator pour machine électrique selon la 15 revendication 8 caractérisé en ce que ladite forme cylindrique desdites cannelures (2 à 7) est une forme de section semi-circulaire dont le rayon de courbure est supérieur au rayon de courbure de la forme de ladite protubérance (35) cylindrique des dents (12 à 17). 20 10. Stator pour machine électrique selon la revendication 8 caractérisé en ce que les formes des protubérances (35) complémentaires débouchent sur deux tronçons d'ouverture (42) où les cannelures (2 à 7) forment, avec les flancs des dents, un entrefer d'angle inférieur à 100. 25 11. Stator pour machine électrique selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il présente six dents. 12. Stator pour machine électrique selon la revendication 8 caractérisé en ce que ladite protubérance (35) 30 est de forme monobloc, intégrale avec ladite dent (12 à 17). 13. Stator pour machine électrique selon la revendication 8 caractérisé en ce que ladite protubérance (35) 3064838 14 est complétée par au moins un manchon (34) positionné, radialement, entre la dent (12 à 17) et la culasse annulaire extérieure (1). 14. Stator pour machine électrique selon la 5 revendication 13 caractérisé en ce qu'est inséré, entre le manchon (34) et la culasse (1), un film additionnel en une matière ayant des propriétés d'amortissement mécanique. 15. Stator pour machine électrique selon les revendications 3 et 8 caractérisé en ce que les cannelures (2) 10 sont en retrait, radialement, par rapport à la position des dents (12) et en ce que lesdites dents (12) coulissent radialement à l'intérieur desdites cannelures (2). 16. Stator pour machine électrique selon les revendications 4 et 8 caractérisé en ce que la culasse 15 annulaire extérieure (1) présente un fond de dent (32) en retrait, radialement, par rapport à la protubérance (35) de dent pour permettre une translation de la dent (12), et un tronçon d'ouverture (42) formant avec le plan radial un angle d'ouverture, pour permettre le pivotement de la dent (12) 20 grâce à des appuis (110) de la culasse annulaire (1), à la jonction entre le tronçon d'ouverture (42) et le fond de dent (32).