Brevet FR3087304A1 — publié le 20200417

Dent statorique pour machine électrique, culasse et stator associés La présente invention concerne une machine électrique tournante notamment pour véhicule automobile électrique ou hybride. La présente invention concerne plus particulièrement un stator comprenant des dents fixées sur une culasse statorique. Les machines électriques tournantes génèrent des pertes sous forme de chaleur causées notamment par les courants de Foucault. Dans les parties conductrices du flux magnétique d'une telle machine, le champ magnétique crée un échauffement d'une part parce que des courants induits dits courants de Foucault y circulent en court-circuit et, d'autre part, parce qu'elles présentent une résistance à la circulation du flux. Pour lutter contre ce phénomène, ces parties conductrices du stator et du rotor sont presque systématiquement constituées d'un empilage de tôles fines isolées électriquement les unes des autres et orientées dans le sens du champ magnétique. Dans les machines électriques où le ou les rotors comprennent des aimants permanents dont les caractéristiques magnétiques dépendent de la température, le rendement de h machine électrique dépend notamment de la magnétisation du ou des rotors. En effet, si la température du ou des rotors est supérieure à une température critique, les aimants perdent leur propriété magnétique de manière irréversible. En outre des courants de Foucault circulent dans les aimants contribuant à leur échauffement. De plus, la chaleur générée par la machine électrique diminue le rendement global de la machine. Dans une machine électrique tournante à flux axial à rotor central, le rotor est disposé entre deux stators, le rotor et les stators dissipant de la chaleur. Par conséquent, le rotor est chauffé par les courants induits le traversant et par la chaleur rayonnant des stators. 2 Le document GB2482928 divulgue une machine électrique tournante à flux axial à stator central, c'est-à-dire dans laquelle le stator est disposé entre deux rotors comprenant des aimants. Comme les rotors sont disposés aux extrémités de la machine, 5 ils sont refroidis par de l'air frais. Ce document divulgue, en outre, que le stator central comprend un disque en matériau plastique composite, supportant des plots statoriques en poudre ferreuse compressée et frittée dont les grains sont enrobés d'un matériau isolant électrique, ce qui diminue leur 10 résistance au flux magnétique les traversant. Les courants induits responsables de l'échauffement du stator y sont de ce fait diminués. Cependant, les pertes magnétiques des rotors sont augmentées par le débouclage des flux magnétiques par les plaques support des 15 aimants. On pourra également se référer au document FR 3 006 124 qui divulgue une machine électrique tournante à flux axial à rotor central. Le rotor comprend un disque comprenant des ouvertures disposées de façon circonférentielle et logeant des aimants. 20 Cette configuration permet de limiter l'échauffement du rotor. Cependant, le rotor est chauffé par la chaleur rayonnant des stators Il est proposé de pallier les inconvénients liés à une machine électrique tournante selon l'état de la technique, notamment en 25 limitant l'échauffement du ou des stators englobant le rotor. Au vu de ce qui précède l'invention a pour objet une dent statorique pour machine électrique comprenant une enveloppe s'étendant entre une première face comportant des moyens de fixation à une culasse statorique et une deuxième face opposée. 30 L'enveloppe loge un ou plusieurs matériaux conducteurs configurés pour diriger le flux magnétique de la machine en fonctionnement d'une desdites face à l'autre. De préférence, l'enveloppe est en tôle amagnétique emboutie. Avantageusement, la première face comprend au moins une languette destinée à être fixée sur la culasse. Selon une autre caractéristique, la seconde face comprend au moins un rabat pour immobiliser selon une direction axiale un 5 bobinage préassemblé inséré entre la languette et le rabat. De préférence, la dent comprend en outre un bobinage préassemblé inséré sur la surface périphérique extérieure de l'enveloppe. Avantageusement, le bobinage préassemblé comprend une 10 armature support sur laquelle est enroulé un fil comprenant plusieurs brins maintenus dans une enveloppe isolante formant des spires. Selon un premier mode de réalisation, le matériau conducteur comprend des aiguilles s'étendant de la première à la deuxième face. De préférence, les aiguilles sont en matériau perméable à un 15 champ magnétique et à grain orienté selon la longueur des aiguilles. Avantageusement, la surface périphérique de chaque aiguille qui n'est pas délimitée par la première et la deuxième face est enduite d'une matière isolante. De préférence, les interstices entre les aiguilles et l'enveloppe 20 sont remplis de colle. Selon un deuxième mode de réalisation, le matériau conducteur comprend des tôles fines s'étendant de la première à la deuxième face et empilées les unes sur les autres. De préférence, les interstices entre les tôles fines et 25 l'enveloppe sont remplis de colle. Selon un troisième mode de réalisation, la dent comporte un plot monobloc, le matériau conducteur étant réalisé par compactage d'une poudre ferreuse enrobée d'isolant électrique. De préférence, le matériau conducteur comprend en outre des 30 extensions latérales s'étendant vers l'extérieur de l'enveloppe et comprenant des évidements destinés à loger des agrafes fixées sur la culasse. L'invention a aussi pour objet une culasse comprenant au moins une dent statorique telle que définie précédemment et un stator 4 pour machine électrique à rotor central comprenant une telle culasse, et une machine électrique à flux axial à rotor central comprenant un tel stator. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention 5 apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre une vue en coupe d'une machine électrique tournante à flux axial à rotor central selon 10 l'invention , - la figure 2 illustre une vue de la culasse et de dents statoriques selon l'invention , - les figures 3 et 4 illustrent un premier mode de réalisation d'une dent statorique selon l'invention 15 - la figure 5 illustre un deuxième mode de réalisation d'une dent statorique selon l'invention , et - la figure 6 illustre un troisième mode de réalisation d'une dent formée d'un plot statorique selon l'invention. On se réfère à la figure 1 qui illustre une vue en coupe d'une 20 machine électrique 1 tournante à flux axial à rotor central selon une direction axiale. Cette machine est dans cet exemple de réalisation de l'invention, un moteur de traction pour véhicule électrique ou hybride. La machine électrique 1 comprend un carter 2 comprenant deux stators 3a et 3b d'architecture identique entourant un rotor 4 et un axe 25 (A) confondu avec l'axe de rotation du rotor 4 Chaque stator 3a et 3b est séparé du rotor par un entrefer ENT. Le rotor 4 est guidé par des roulements à billes 5 et 6 supportés par le carter 2. Le rotor 4 comprend un moyeu 7 sur lequel est fixé un disque 8 30 comprenant des ouvertures disposées de façon circonférentielle et logeant des aimants 9 préférentiellement segmentés et isolés électriquement pour limiter les courants induits dans les aimants. L'échauffement du rotor 4 est ainsi diminué. 5 Le disque est réalisé préférentiellement en matériau composite, par exemple en polymère renforcé de fibres, réduisant ainsi les courants de Foucault. Le disque est préférentiellement cerclé d'une frette pour améliorer sa tenue mécanique. 5 Le rotor 4 est positionné axialement entre les stators 3a et 3b de manière à obtenir des entrefers d'épaisseur équivalente. Pour cela une cale de réglage est prévue d'un côté, par exemple à droite. Des mesures sont prises pour déterminer l'épaisseur de la cale. Pour un maintien du rotor dans cette position un ressort est placé derrière le 10 roulement opposé à la cale. Les stators sont centrés l'un et l'autre dans deux demi-carters et maintenus en appui axial par un dispositif de goujons, soudé sur la culasse 10 et d'écrous répartis régulièrement et circonférentiellement sur la culasse 10. 15 Pour le refroidissement des stators 3a et 3b, des chambres d'eau sont aménagées dans chaque carter. Les étanchéités de ces chambres sont assurées par des joints toriques. Comme les stators 3a et 3b sont d'architecture identique, seul le stator 3a est détaillé par la suite. 20 Le stator 3a comprend une culasse 10 sur laquelle sont disposés des dents statoriques 11 toutes identiques. La culasse 10 a une épaisseur constante et comprend par exemple une tôle fine dont la surface est isolée électriquement et enroulée en colimaçon avec un grain d'acier orienté dans le sens 25 d'enroulement. En variante la culasse est en grain d'acier non orienté. Ainsi en fonctionnement, le flux magnétique qui doit circuler entre deux dents adjacentes, suivra l'orientation donnée par l'enroulement de la tôle. En variante un autre matériau magnétiquement conducteur que l'acier est utilisé. 30 Les figures 2, 3 et 4 illustrent une vue de la culasse 10 comprenant un premier mode de réalisation préférentiel d'une dent statorique 11, et une coupe partielle de la culasse 10 et d'une dent statorique 11 selon la direction représentée sur la figure 2. On se réfère plus particulièrement à la figure 3. 6 La dent statorique 11 comprend une enveloppe 12 s'étendant entre une première face 13 fixée sur la culasse 10 et une deuxième face 14. Ces faces sont orthogonales à la direction axiale (axe de rotation (A) du rotor). 5 L'enveloppe 12 loge un ou plusieurs matériaux conducteurs. Selon le premier mode de réalisation préférentiel, le matériau conducteur comprend des aiguilles 15. L'enveloppe 12 est par exemple triangulaire isocèle dont les sommets sont arrondis et dont les côtés de même longueur sont orientés de sorte que la dent soit symétrique par 10 rapport à un axe de symétrie (B). Le sommet commun aux deux côtés de même longueur est orienté vers l'axe (A). Les aiguilles 15 s'étendent de la première face 13 vers la deuxième face 14. Plus précisément les aiguilles 15 s'étendent selon la direction axiale. Leur longueur est de préférence sensiblement égale à 15 la dimension axiale de l'enveloppe 12, elle-même supérieure à l'épaisseur de la culasse 10. Le diamètre (ou les dimensions de la section dans le cas où elles ne sont pas cylindriques) des aiguilles est de l'ordre de 0,5mm de préférence, et de préférence inférieur à lmm. Il peut être plus petit que 0,5mm, et dépend de la fréquence 20 d'utilisation de la machine tournante 1. Par exemple à 1000Hz, un diamètre inférieur à 0,3mm est préférable. L'ensemble des aiguilles de la dent statorique 11 présente selon une coupe axiale une forme sensiblement trapézoïdale ou triangulaire à coins arrondis. La périphérie de l'enveloppe 12 forme un ruban dont la 25 largeur s'étend selon la direction axiale entre les faces 13 et 14 et la longueur s'étend angulairement tout autour de la forme dessinée par les aiguilles de la dent statorique 11. L'enveloppe 12 comprend néanmoins des languettes 16 positionnées perpendiculairement au ruban formé par cette périphérie de l'enveloppe 12, sur la surface de la 30 culasse 10 orthogonale à l'axe (A). De même des rabats 22 positionnés perpendiculairement au ruban formé par cette périphérie maintiennent le bobinage 17 assemblé autour du ruban. L'enveloppe 12 est réalisée par exemple par emboutissage d'une tôle amagnétique. 7 Les aiguilles 15 sont par exemple cylindriques et réalisées de préférence en un matériau perméable à un champ magnétique et à grain orienté dans le sens de leur longueur, par exemple en acier magnétique. Bien entendu la section des aiguilles peut être de forme 5 différente, par exemple polygonale. La surface périphérique de chaque aiguille 15 qui n'est pas délimitée par les première et deuxième faces 13 et 14 est enduite d'une matière isolante (non représentée), par exemple un vernis, de sorte que les aiguilles 15 soient magnétiquement en contact avec la culasse 10, 10 et qu'un champ magnétique puisse transiter de la culasse 10 vers le rotor 4 par les aiguilles 15 et l'entrefer ENT. Autrement dit les aiguilles sont de préférence directement en contact avec la culasse 10 sans matière isolante les séparant. Les interstices entre les aiguilles 15 et l'enveloppe 12 sont 15 remplis de colle, par exemple une résine (non représentée). Cette colle a des propriétés d'isolant électrique et de conducteur thermique, en plus de la fonction de collage. L'isolation des aiguilles 15 entre elles et avec l'enveloppe 12 permet de réduire les courants induits responsables de l'échauffement 20 du stator 3a La première face 13 comprend les languettes 16 fixées sur la culasse 10 de manière à solidariser la dent 11 sur la culasse 10 Chaque languette 16 est par exemple fixée sur la culasse 10 par une soudure laser traversant ladite languette. Préférentiellement trois 25 languettes 16 fixent l'enveloppe contenant les aiguilles à la culasse 10, une languette 16 située à la périphérie radiale externe de la dent 11 et deux languettes 16 latérales situées de part et d'autre de la dent 11 dans la direction angulaire. La dent statorique 11 comprend en outre un bobinage 30 préassemblé 17 inséré sur la surface périphérique extérieure de l'enveloppe 12. Le bobinage préassemblé 17 comprend une armature support 18 sur laquelle est enroulé un fil 19 en formant des spires. 8 Le fil 19 comprend de préférence plusieurs brins 20 maintenus dans une enveloppe isolante 21. Pour une section de conduction donnée du fil, la circulation du courant est améliorée en utilisant plusieurs brins par rapport à un fil monobloc. 5 La seconde face 14 de l'enveloppe 12 comprend les rabats 22 déformables qui, lorsque le bobinage préassemblé 17 est engagé sur la dent 11, sont repoussés pour immobiliser le bobinage préassemblé 17 selon une direction axiale. Les dents 11 sont disposées uniformément sur la culasse 10 10 comme visible sur la figure 2. La culasse 10 est circulaire et comporte un évidement en son centre dimensionné pour accueillir le rotor 4. En fonctionnement, le champ magnétique généré par les spires de la dent 11 du stator 3a traverse les entrefers ENT et le rotor 4 dans 15 sa partie discoïde et pénètre dans la dent statorique disposée en face sur le stator 3b Le champ magnétique est guidé par la culasse du stator 3b jusqu'à une dent adjacente puis traverse à nouveau les entrefers ENT et le rotor 4 dans sa partie discoïde, et pénètre dans une dent 20 statorique disposée en face sur le stator 3a pour aller vers une dent statorique adjacente par l'intermédiaire de la culasse du stator 3a Les aiguilles 15 des dents statoriques 11 sont orientées dans le sens de parcours du champ magnétique, et la tôle des culasses 10 est enroulée dans le sens de parcours du champ magnétique. 25 Le bouclage des flux magnétiques est optimisé, réduisant ainsi les pertes magnétiques de la machine 1 et améliorant le rendement de la machine 1 La figure 4 illustre une vue partielle de la dent 11 comprenant les aiguilles 15 logées dans l'enveloppe 12 et une languette 16. 30 Selon un deuxième mode de réalisation de la dent 11 illustré à la figure 5, le matériau conducteur comprend des tôles fines 23 empilées à l'intérieur de l'enveloppe 12 selon la direction radiale. L'épaisseur de la tôle fine 23 s'étend selon la direction radiale, la largeur de la tôle fine s'étend entre les première 13 et deuxième 14 9 faces et la longueur de la tôle s'étend selon une direction orthogonale à la direction radiale. La tôle fine 23 a par exemple une section rectangulaire. L'empilement des tôles fines 23 se fait par exemple selon une 5 direction parallèle au côté de longueur différente à celle des deux autres côtés du triangle isocèle. Les tôles fines 23 sont solidarisées entre elles par exemple par des cordons de soudure superficiels avant leur insertion dans l'enveloppe 12. Après insertion des tôles fines 23 dans l'enveloppe 12, 10 les interstices entre les tôles fines et l'enveloppe sont remplis de colle par exemple une résine. L'épaisseur des tôles fines est de préférence inférieure à 0,35mm par exemple égale à 0,2mm. Le choix de cette épaisseur dépend de la fréquence d'utilisation de la machine tournante E 15 La figure 6 illustre un troisième mode de réalisation de la dent 11 fixée sur la culasse 10. Cette dent 11 comprend un plot et des languettes 16. Dans ce mode de réalisation, le plot est monobloc, le matériau conducteur étant réalisé par compactage d'une poudre ferreuse enrobée 20 d'isolant électrique. Le plot comprend en outre des extensions latérales 24 s'étendant de part et d'autre de l'axe de symétrie (B) vers l'extérieur du plot et comprenant à chacune de leurs extrémités des évidements 25. Les extensions latérales 24 créent un isthme augmentant le couple 25 développé par la machine électrique tournante 1. Des agrafes 26 et 27 en acier élastique fixées sur la culasse 10 se logent dans les évidements 25 de manière à maintenir le plot contre la culasse 10. Les rabats 22 emprisonnent les agrafes 26 et 27 et maintiennent 30 le bobinage préassemblé 17 (non représenté) sur la surface périphérique de l'enveloppe 12, par soudage sur la culasse de leur extrémité. Plus précisément, les rabats 22, par l'intermédiaire des agrafes prenant appui sur le plot dans les évidements 25, assurent le placage, avec une certaine pression, du plot contre la culasse 10. Les 10 rabats maintiennent les plots et les bobines dans ce troisième mode de réalisation. Les grains d'acier de la poudre ferreuse sont orientés magnétiquement dans le sens axial. 5 La segmentation fine des dents statoriques 11 montées sur la culasse 10 permet de lutter contre les pertes par courants de Foucault. L'invention n'est pas limitée à une réalisation sur une machine à flux axial à rotor central, les caractéristiques décrites pouvant être aisément transposées sur une machine à flux radial. Dans ce cas la 10 culasse statorique pourra être segmentée pour faciliter l'assemblage REVENDICATIONS1. Dent statorique pour machine électrique comprenant une enveloppe (12) s'étendant entre une première face (13) comportant des moyens de fixation à une culasse statorique (10) et une deuxième face (14) opposée, caractérisée en ce que l'enveloppe loge un ou plusieurs matériaux conducteurs configurés pour diriger le flux magnétique de la machine en fonctionnement d'une desdites face à l'autre. 2. Dent selon la revendication 1, dans laquelle l'enveloppe (12) est en tôle amagnétique emboutie. 3. Dent selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la première face (13) comprend au moins une languette (16) destinée à être fixée sur la culasse (10). 4. Dent selon la revendication 3, dans laquelle la seconde face (14) comprend au moins un rabat (22) pour immobiliser selon une direction axiale un bobinage préassemblé (17) inséré entre la languette (16) et le rabat. 5. Dent selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre un bobinage préassemblé (17) inséré sur la surface périphérique extérieure de l'enveloppe (12). 6. Dent selon la revendication 5, dans laquelle le bobinage préassemblé (17) comprend une armature support (18) sur laquelle est enroulé un fil (19) comprenant plusieurs brins maintenus dans une enveloppe isolante formant des spires. 7. Dent selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le matériau conducteur comprend des aiguilles (15) s'étendant de la première à la deuxième face. 8. Dent selon la revendication 7, dans laquelle les aiguilles (15) sont en matériau perméable à un champ magnétique et à grain orienté selon la longueur des aiguilles (15). 12 9. Dent selon l'une des revendications 7 et 8, dans laquelle la surface périphérique de chaque aiguille (15) qui n'est pas délimitée par la première et la deuxième face est enduite d'une matière isolante. 10. Dent selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans 5 laquelle des interstices entre les aiguilles (15) et l'enveloppe (12) sont remplis de colle. 11. Dent selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le matériau conducteur comprend des tôles fines (23) s'étendant de la première (13) à la deuxième (14) face et empilées les 10 unes sur les autres. 12. Dent selon la revendication 11, dans laquelle des interstices entre les tôles fines (23) et l'enveloppe (12) sont remplis de colle. 13. Dent selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la dent comprend un plot monobloc, le matériau conducteur 15 étant réalisé par compactage d'une poudre ferreuse enrobée d'isolant électrique. 14. Dent selon la revendication 13, dans laquelle le matériau conducteur comprend en outre des extensions latérales (24) s'étendant vers l'extérieur de l'enveloppe et comprenant des évidements (25) 20 destinés à loger des agrafes (26, 27) qui plaquent l'enveloppe contre la culasse (10). 15. Culasse statorique comprenant au moins une dent selon l'une quelconque des revendications précédentes. 16. Stator pour machine électrique à flux axial à rotor central 25 comprenant une culasse (10) selon la revendication 15. 17. Machine électrique à flux axial à rotor central comprenant un stator selon la revendication 16.