Brevet FR3100399A1 — publié le 20210305

Description Titre de l'invention : Machine à bobinage toroïdal Domaine de l'invention [0001] La présente invention concerne le domaine des machines électriques à aimant permanent sans halais constituées par une culasse formée de noyaux formant une structure à section transversale polygonale ou circulaire et recevant des bobines toroïdales entourant les bras de cette structure. [0002] Un rotor comportant un aimant cylindrique diamétral interagit avec le champ ma- gnétique tournant produit par les bobines électriques. Ce type de machine électrique se distingue des autres machines à encoches ayant une culasse bobinée créant des lignes de champs entre des dents polaires. Ces structures toroïdales sont particulièrement favorables pour des moteurs tournant à grande vitesse, par la minimisation du couple résiduel (sans courant) et des différentes pertes fer au stator et au rotor du fait de l'absence de dents à proximité de l'aimant tournant et d'un entrefer magnétique plus important. État de la technique [0003] On connaît dans l'état de la technique le brevet américain US9470238 décrivant un moteur à grande vitesse doté d'un rotor monté de manière rotative par rapport au stator, une ou plusieurs roues à aubes étant fixées directement sur ledit rotor, ledit stator comportant des structures actives du moteur et un carter, un noyau ferromagnétique dc stator et un enroulement constitué de bobines enroulées dc façon toroïdale, ledit carter étant construit de manière à créer un espace dégagé supplémentaire entre ledit noyau de stator et ledit carter, constituant un passage de refroidissement à travers lequel un gaz est envoyé axialcment afin de refroidir directement lesdites structures actives du moteur et le rotor, avant d'être comprimé par ladite ou lesdites roues à aubes. Cc système prévoit des ailettes pour le refroidissement du stator, par convection. [0004] Lc brevet coréen KR20040065531 décrit une alternative à une telle machine électrique, présentant une forme polygonale, chaque côté du polygone étant une partie de stator unitaire portant une bobine électrique à section constante. [0005] Inconvénients des solutions de l'art antérieur [0006] Les solutions de l'art antérieur présentent néanmoins des sources de nuisances sonores par le bruit magnétique produit au niveau des joints de la culasse. La dissipation thermique est de plus loin d'être suffisante lorsque la machine doit fournir une puissance de plusieurs kilowatts dans un faible diamètre (typiquement inférieur à 100 mm), par le fait que les conducteurs électriques présentent une faible surface 2 d'échange avec le milieu extérieur (boiticr ou flasque). Par ailleurs, la fabrication et l'assemblage des machines électriques selon l'état de l'art sont relativement complexes, notamment leur intégration dans l'environnement extérieur. [0007] Solution apportée par l'invention [0008] La présente invention vise à répondre à ces inconvénients. A cet effet elle concerne selon son acception la plus générale une machine électrique comportant une culasse supportant N bobines toroïdales, et un rotor central comportant un aimant permanent, caractérisé en ce que [0009] - ladite culasse est constituée d'une pluralité d'éléments statoriques en un matériau ferromagnétique doux supportant au moins une bobine, lesdits éléments statoriques présentant à leurs extrémités frontales des surfaces d'accouplement complémentaires assurant une continuité magnétique, [0010] ladite machine comportant en outre [0011] - une enveloppe extérieure cylindrique en un matériau conducteur thermique, une pluralité de nervures longitudinales s'étendant radialement et positionnées entre ladite enveloppe extérieure cylindrique et lesdits éléments statoriques, afin d'assurer le positionnement mécanique de ladite culasse par rapport à ladite enveloppe extérieure et favoriser une conduction thermique des calories de ladite culasse vers ladite enveloppe extérieure. [0012] Préférentiellement, lesdites nervures longitudinales prolongent radialement soit ladite enveloppe extérieure cylindrique, soit un desdits éléments statoriques en un matériau ferromagnétique doux, soit sont sous la forme d'un matériau conducteur thermique placé à l'interface entre l'enveloppe cylindrique (200) et les éléments statoriques extérieurs. [0013] Préférentiellement encore, la bobine est sous la forme de spires enroulées disposées dans des plans formant avec le plan radial un angle croissant de part et d'autre du plan transversal médian de ladite bobine, de sorte à ce que l'épaisseur radiale de la bobine soit plus importante à l'intérieur qu'à l'extérieur de ladite culasse. [0014] Dans un premier mode de réalisation, [0015] - ladite culasse est constituée de N/2 éléments statoriques en un matériau ferro- magnétique doux présentant deux bras, lesdits deux bras s'étendant symétriquement par rapport à un plan médian radial, chacun desdits bras supportant une bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), lesdits bras présentant à leurs extrémités frontales des zones d'assemblages complémentaires assurant une continuité magnétique. [0016] Alternativement, lesdits éléments statoriques en un matériau ferromagnétique doux présentent deux bras s'étendant de part et d'autre d'une nervure dirigée du côté opposé 3 audit rotor et venant en contact avec la surface intérieur de ladite enveloppe extérieure en un matériau conducteur thermique. [0017] Ladite enveloppe extérieure peut alors être en un matériau conducteur thermique présentant des nervures s'étendant radialement, dont l'extrémité frontale vient en contact avec lesdits éléments statoriqucs en un matériau ferromagnétique doux, au niveau de l'intersection de deux bras adjacents. [0018] Optionnellement, lesdites nervures et/ou lesdites extrémités frontales présentent un chanfrein pour permettre l'introduction en force de ladite culasse dans ladite enveloppe clou sont en contact avec les extrémités latérales de deux éléments statoriques consécutifs pour assurer le positionnement des éléments statoriques constitutifs de l'enveloppe. [0019] Dans un mode de réalisation alternatif, ladite culasse est constituée de N éléments statoriqucs en un matériau ferromagnétique doux supportant une bobine dont les spires sont disposées dans des plans formant un angle croissant de part et d'autre du plan transversal médian de ladite bobine, [0020] lesdits éléments statoriques présentant à leurs extrémités frontales des zones d'assemblages complémentaires assurant une continuité magnétique, ladite machine comportant en outre une enveloppe extérieure cylindrique présentant N nervures longitudinales, dont la surface intérieure frontale vient en contact avec la surface extérieure de la zone de raccordement de deux éléments statoriques adjacents, afin d'assurer le calage mécanique de l'enveloppe par rapport à ladite enveloppe extérieure et une conduction thermique des calories de ladite culasse vers ladite enveloppe extérieure. [0021] Dans un autre mode de réalisation un empilement de tôles dans le sens axial et en un matériau amagnétique mais meilleur conducteur thermique que l'air est disposé à l'interface entre l'enveloppe et ladite bobine, ledit empilement de tôles étant préférentiellement en contact avec ladite enveloppe et ladite bobine. [0022] Dans une variante, un matériau conducteur thermique est disposé à l'interface entre l'enveloppe et ladite bobine, ledit matériau conducteur thermique étant préférentiellement en contact avec ladite enveloppe et ladite bobine. [0023] Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention [0024] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : [0025] [fig.1]la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un premier mode de réa- lisation, [0026] [fig.2]la figure 2 représente une vue en coupe transversale d'une première variante de réalisation, [0027] [fig.3]la figure 3 représente une vue en coupe transversale d'une deuxième variante de réalisation, [0028] [fig.4]la figure 4 représente une vue en coupe transversale d'une troisième variante de réalisation, [0029] [fig.5]la figure 5 représente une vue en coupe transversale d'une quatrième variante de réalisation, [0030] [fig.6]la figure 6 représente une vue en coupe transversale d'une cinquième variante de réalisation. [0031] Description détaillée d'un premier mode de réalisation [0032] La figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un premier mode de réa- lisation. [0033] La machine électrique comprend un rotor (100) avec un aimant tubulaire aimanté diamétralement, revêtu d'une frette (non visible) pour éviter l'arrachage de particules sous l'effet de la force centrifuge pour des machines à haute vitesse. [0034] Elle comprend une enveloppe cylindrique (200) métallique, fabriquée par exemple par moulage, fonderie ou encore par profilage, entourant un stator comprenant des bobines toroïdales (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251) et une culasse sous la forme d'un ensemble de trois éléments statoriques (215, 225, 245) longitudinaux, présentant une section en forme de « Y », avec une nervure prolongée de part et d'autre de deux ailes respectivement (216, 218 ; 226, 228 ; 240, 250), ces éléments du stator étant en une matière ferromagnétique douce, préférentiellement en un empilement de tôles. Chacune des ailes est entourée par une bobine respectivement (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251). [0035] Les bobinages (211, 261, 227, 231, 241, 251) sont formés avec des spires en une matière électriquement conductrice -cuivre ou aluminium par exemple- dont l'inclinaison varie. Le plan (302) formé par la spire au début de l'enroulement forme un angle ouvert avec le plan radial (300). Cet angle se réduit pour devenir nul pour les spires médianes dont le plan est confondu avec le plan radial (300), puis cet angle entre le plan de la spire et le plan radial (300) augmente de nouveau -en sens opposé- jusqu'à l'extrémité de l'enroulement, où l'angle de la spire (303) présente à nouveau un angle ouvert pal.- rapport au plan radial (300). Par ailleurs, la section du bobinage n'est pas identique à l'intérieur et à l'extérieur du stator, de part et d'autre des ailes (216, 218 ; 226, 228 ; 240, 250). En effet, pour optimiser le volume global de la machine mais aussi optimiser les performances du moteur, les spires à l'extérieur des ailes (216, 218 ; 226, 228 ; 240, 250) sont réparties sur toute la longueur de côté polygonal formé. Cette configuration permet de maximiser le volume de cuivre du bobinage tout en limitant le diamètre extérieur de la machine et son volume. [0036] Le calage des éléments statoriques par rapport à l'enveloppe cylindrique (200) est assuré, dans ce mode de réalisation, par la forme extérieure des éléments statoriques (215, 225, 245) qui viennent en contact avec l'enveloppe cylindrique (200). L'enveloppe cylindrique (200) est généralement en un matériau présentant de bonnes propriétés de conduction thermique -par exemple en aluminium-, ce qui permet aussi aux éléments statoriqucs (215, 225, 245) de conduire le flux thermique produit par le bobinage (211, 261, 227, 231, 241, 251) lors du fonctionnement de la machine. [0037] Description détaillée d'une première variante de réalisation [0038] Dans le mode de réalisation illustré en figure 2, le calage des éléments statoriques par rapport à l'enveloppe cylindrique (200) est assuré d'une part par des nervures longitudinales (212, 232, 252) prolongeant la surface intérieure de l'enveloppe cylindrique (200), et présentant une bordure intérieure configurée pour recevoir la surface extérieure de la zone de raccordement de deux ailes adjacentes. [0039] A cet effet, les nervures longitudinales (212, 232, 252) présentent une cannelure en « V » dans laquelle l'arête formée par deux ailes adjacentes peut coulisser longitudinalement lors de l'assemblage, et assurer le calage après mise en place à l'intérieure de l'enveloppe (200). [0040] Le calage est d'autre part assuré par la surface longitudinale extérieure des trois éléments statoriques (215, 225, 245), présentant une surface de contact arrondie, avec un rayon de courbure correspondant au rayon de courbure de la surface intérieure de l'enveloppe cylindrique (200). [0041] Le contact entre les trois éléments statoriqucs (215, 225, 245) et l'enveloppe cy- lindrique (200) et entre les nervures longitudinales (212, 232, 252) et les arêtes des éléments statoriques (215, 225, 245) assurent un calage mécanique et des ponts de conduction thermique permettant d'évacuer les calories produites par les bobines électriques de la machine. [0042] Description détaillée d'une deuxième variante de réalisation [0043] La figure 3 représente une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation qui diffère des précédents en ce qu'il comprend uniquement des nervures longitudinales (212, 312, 232, 332, 252, 352) comme éléments de calage et contact thermique entre l'enveloppe cylindrique (200) et les éléments statoriques formés uniquement des différents bras (218, 227, 228, 240, 250, 216) qui ne présentent pas de nervures. [0044] L'extrémité des nervures (212, 312, 232, 332, 252, 352) présentent avantageusement un chanfrein pour faciliter le positionnement relatif au moment de l'assemblage. [0045] Particulièrement, ces nervures (212, 312, 232, 332, 252, 352) présentent des gorges en « V » (213, 233, 253, 313, 333) pour assurer le calage des zones de raccordement de deux ailes consécutives. [0046] Le stator peut être inséré par glissement axial dans l'enveloppe, les zones de rac- cordement des ailes coulissant dans les gorges en « V » (213, 233, 253, 333) des nervures (212, 232, 252), et les nervures des trois éléments statoriques (215, 225, 245) 6 coulissant sur la surface intérieure de l'enveloppe cylindrique (200). [0047] La transmission thermique est assurée par ces éléments radiaux qui assurent également le calage mécanique du stator par rapport à l'enveloppe cylindrique (200). [0048] Description détaillée d'autres modes de réalisation [0049] Les figures 4 à 6 présentent des variantes de réalisation dans le but d'améliorer les performances de dissipation calorique de la machine vers l'enveloppe cy- lindrique (200). Pour ce faire, il est proposé de remplir l'espace libre entre la machine et l'enveloppe cylindrique (200) avec un matériau conducteur thermique mais amagnétique et minimisant le développement des courants induits lors du fonctionnement de la machine. Dans le présent exemple, il est proposé un empilement de tôles (400) en aluminium. La conduction thermique est ainsi maximisée sans perturber le fonctionnement de la machine, puisque l'empilement des tôles (400) dans le sens axial, sens perpendiculaire à la majorité des lignes de champ magnétique du moteur, limitera le développement des courants induits et donc des pertes. [0050] La forme de ces tôles (400, 410, 420, 430, 440, 450) peut varier. Dans le premier exemple de la figure 4, la forme épouse au plus près les bobines (211, 261 ; 227, 231 ; 241 ; 251) et les éléments statoriques (216, 218, 226, 228, 240, 250). Ces tôles (400, 410, 420, 430, 440, 450) présentent une forme de lame arquée pour leur permettre de se loger entre deux nervures consécutives, contre la surface intérieure de l'enveloppe (200). L'empilement de tôles (400) est uniquement au plus près des bobines, source de la dissipation calorique. [0051] Dans un second exemple en figure 5, l'empilement de tôles forme une couronne (401) venant se loger de manière coaxiale à l'intérieur de l'enveloppe cylindrique (200). Cette couronne de tôles (401) présente des nervures (212, 312, 232, 332, 252, 352) assurant le calage mécanique du stator et la transmission de la chaleur entre le stator supportant les bobines et l'enveloppe (200). [0052] Dans un troisième exemple en figure 6, l'empilement de tôles (400, 410, 420, 430, 440, 450) présentent la forme de lames longitudinales insérées localement entre l'enveloppe (200) et les bobines. Les nervures (212, 312, 232, 332, 252, 352) sont, comme dans le cas d'exemple de la figure 3, des prolongements intérieurs de l'enveloppe cylindrique (200). [0053] Ces exemples ne sont pas limitatifs et d'autres variantes peuvent être proposées sans sortir de l'invention. [0054] En effet, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de tôles d'aluminium. L'empilage de tôles peut être réalisé en un autre matériau, bénéficiant de meilleures propriétés conductrices thermiques que l'air. De même, tout matériau massif peut être utilisé du moment qu'il est meilleur conducteur thermique que l'air et qu'il est amagnétique et isolant électrique, ou avec mauvaises propriétés magnétiques et électriques rela- tivement au fer. 7 8 [Revendication 1] REVENDICATIONS- Machine électrique comportant une culasse supportant N bobines toroïdales (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), et un rotor central (100) comportant un aimant permanent, ladite culasse étant constituée d'une pluralité d'éléments statoriques (210, 220, 230, 240, 250, 260) en un matériau ferromagnétique doux supportant au moins unc bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), lesdits éléments statoriques (210, 220, 230, 240, 250, 260) présentant à leurs extrémités frontales des surfaces d'accouplement complémentaires assurant une continuité magnétique, caractérisée en cc que ladite machine comporte en outre une enveloppe extérieure cylindrique (200) en un matériau conducteur thermique, une pluralité de nervures longitudinales (212, 222, 232, 242, 252, 262) s'étendant radialement et positionnées entre ladite enveloppe extérieure cylindrique (200) et lesdits éléments statoriques, afin d'assurer le positionnement mécanique de ladite culasse par rapport à ladite enveloppe extérieure et favoriser une conduction thermique des calories de ladite culasse vers ladite enveloppe extérieure. [Revendication 2] [Revendication 3] - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que lesdites nervures longitudinales (212, 222, 232, 242, 252, 262) prolongent radialement soit ladite enveloppe extérieure cylindrique (200), soit un desdits éléments statoriqucs en un matériau ferromagnétique doux, soit sont sous la forme d'un matériau conducteur placé à l'interface entre l'enveloppe cylindrique (200) et les éléments statoriques extérieurs. - Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisée en cc que la bobine est sous la forme de spires enroulées disposées dans des plans formant avec le plan radial un angle croissant de part et d'autre du plan transversal médian de ladite bobine, de sorte à ce que l'épaisseur radiale de la bobine soit plus importante à l'intérieur 9 [Revendication 4] qu'à l'extérieur de ladite culasse. - Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que ladite culasse est constituée de N/2 éléments statoriques en un matériau ferromagnétique doux présentant deux bras, lesdits deux bras s'étendant symétriquement par rapport à un plan médian radial, chacun desdits bras supportant une bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), lesdits bras présentant à leurs extrémités frontales des zones d'assemblages complémentaires assurant une continuité magnétique. [Revendication 5] - Machine électrique selon la revendication 4 caractérisé en cc que lesdits éléments statoriques en un matériau ferromagnétique doux présentent deux bras s'étendant de part et d'autre d'une nervure dirigée du côté opposé audit rotor et venant en contact avec la surface intérieur de ladite enveloppe extérieure en un matériau conducteur thermique. [Revendication 6] - Machine électrique selon la revendication 4 caractérisé en cc que ladite enveloppe extérieure en un matériau conducteur thermique présente des nervures s'étendant radialement, dont l'extrémité frontale vient en contact avec lesdits éléments statoriques en un matériau ferromagnétique doux, au niveau de l'intersection de deux bras adjacents. [Revendication 7] - Machine électrique selon la revendication précédente caractérisée en ce que lesdites nervures et/ou lesdites extrémités frontales présentent un chanfrein pour permettre l'introduction en force de ladite culasse dans ladite enveloppe. [Revendication 8] - Machine électrique selon la revendication 6 caractérisé en ce que lesdites nervures sont en contact avec les extrémités latérales de deux éléments statoriques consécutifs pour assurer le positionnement des éléments statoriques constitutifs de l'enveloppe. [Revendication 9] - Machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite culasse est constituée de N éléments statoriques en un matériau ferromagnétique doux supportant une bobine dont les spires sont disposées dans des plans formant un angle croissant de part et d'autre du plan transversal médian de ladite bobine, lesdits éléments statoriques présentant à leurs extrémités 10 frontales des zones d'assemblages complémentaires assurant une continuité magnétique, ladite machine comportant en outre unc enveloppe extérieure cylindrique présentant N nervures longitudinales, dont la surface intérieure frontale vient en contact avec la surface extérieure de la zone de raccordement de deux éléments statoriques adjacents, pour assurer le calage mécanique de l'enveloppe par rapport à ladite enveloppe extérieure et une conduction thermique des calories de ladite culasse vers ladite enveloppe extérieure. [Revendication 10] [Revendication 11] - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un empilement de tôles (400) dans le sens axial et en un matériau amagnétique mais meilleur conducteur thermique que l'air est disposé à l'interface entre l'enveloppe (200) et ladite bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), ledit empilement de tôles (400) étant préférentiellement en contact avec ladite enveloppe (200) et ladite bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251). - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un matériau conducteur thermique est disposé à l'interface entre l'enveloppe (200) et ladite bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251), ledit matériau conducteur thermique (401) étant préférentiellement en contact avec ladite enveloppe (200) et ladite bobine (211, 261 ; 227, 231 ; 241, 251).