Brevet FR3115416A1 — publié le 20220422

Stator de machine électrique comportant un bobinage massif en quartiers monophasés Stator de machine électrique comportant une culasse magnétique et un bobinage massif en quartiers monophasés, le bobinage étant constitué de barres massives (24A, 24B, 24C, 24D) logées dans des encoches (22) de la culasse magnétique, une encoche étant formée par un espace existant entre deux dents adjacentes (26, 28) du stator, et chacun des quartiers de bobinage est formé d’une pièce unique reliant entre elles par des connexions par-devant les barres massives. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Stator de machine électrique comportant un bobinage massif en quartiers monophasés La présente invention se rapporte au domaine des machines électriques de forte puissance et elle concerne plus particulièrement un stator de machine électrique comportant un bobinage massif en quartiers monophasés ainsi que le procédé de son assemblage au sein de la machine. Le développement des aéronefs « plus électriques » et le besoin qui en résulte de machines électriques à forte densité de puissance (jusqu’à 10kW/kg) et haut rendement requiert une augmentation de la fréquence électrique (F> 1KHz) et un entrainement direct (sans réducteur/multiplicateur) de ces machines. L'augmentation en fréquence, par l'augmentation du nombre de pôles magnétiques, permet une montée en compacité, mais elle s’accompagne d’une augmentation des pertes par unité de surface d’échange. Dans ce contexte, les bobinages (ou bobines) sont fréquemment les principales sources de pertes dans les machines électriques. En effet, du fait des hautes fréquences mises en jeu, les pertes Joules en courant alternatif (CA) générées par les bobinages limitent la densité de courant que peut supporter la machine et donc la compacité de la machine et/ou son rendement. Les solutions communément employées pour la minimisation des pertes Joules CA des machines électriques sont essentiellement de deux types : la multiplication des conducteurs formant la bobine avec réduction de la taille de chaque brin (inférieure à l’épaisseur d’effet de peau) et la transposition des brins (de nb ≥ 3) au niveau des têtes de bobines ou, de préférence, au sein de l’encoche (chaque brin ne conserve pas sa position dans l’encoche mais elle évolue par exemple dans la longueur axiale dans le cas des machines rotatives radiales). Ces solutions peuvent être appliquées individuellement et/ou en combinaison l’une avec l’autre, le but étant de ré-homogénéiser la distribution du courant au sein des conducteurs. Cela permet de réduire les courants de Foucault générés par des champs magnétiques externes au conducteur considéré, dues à la proximité d’autres conducteurs et/ou des aimants, ou dans le cas des flux de fuite à travers l’encoche de réduire les courants de refoulement. Enfin, la réduction de la taille des conducteurs en dessous d’une certaine valeur de seuil (définit par l’épaisseur de peau) permet la minimisation des effets de peau, générés par son propre champ magnétique. Dans la plupart des cas, il est donc possible d’obtenir une réduction des pertes additionnelles, mais le facteur de remplissage est alors affecté (augmentation de la surface isolante face à celles des conducteurs et donc également de la résistance thermique équivalente) et la géométrie des têtes de bobine est notablement complexifiée. Or, dans la plupart des systèmes de refroidissement utilisés dans les machines électriques, la chaleur produite dans les bobines doit traverser la culasse puis le carter de la machine avant d’être évacuée vers l’extérieur via les têtes de bobines qui forment alors généralement un point chaud de la machine. La température maximale des bobinages (dictée par la température maximale des isolants des conducteurs) limite la densité de courant que peut supporter la machine et donc sa compacité. Une solution connue pour augmenter la compacité de la machine consiste donc dans la simplification des géométries des têtes de bobine ainsi que dans la réduction des isolants en recourant à une configuration de bobinage dite « concentrée par quartiers » avec l'utilisation de barres massives, permettant la minimisation de l’encombrement et des pertes engendrées dans ces têtes de bobines. Cette configuration à barres massives distribuées en quartiers possède un certain nombre d’avantages. Par exemple, dans un bobinage classique à fils ronds, le facteur de remplissage est généralement inférieur à 50%, tandis que les conducteurs à barres massives permettent d’accroitre la section de cuivre et donc la densité de courant dans l’encoche et ainsi d’obtenir un couple plus élevé ou, à couple invariant, de réduire les pertes joules en courant continu (CC). De plus, en raison d'une quantité d'air réduite et donc d'une isolation moindre, le comportement thermique de la machine électrique est amélioré. Toutefois, le niveau de pertes additionnelles engendrées par la haute fréquence dans les conducteurs est plus marqué dans une telle configuration à barres massives, avec une réduction de la section active pour les phénomènes précités. En outre, et comme le montre la figure 6, l’assemblage d’un stator 60 de machine électrique suppose l’insertion de ces barres massives, découpées par jet d’eau ou par laser et en forme d’épingles 62, 64 (aussi dit en « U »), axialement à l'intérieur des encoches 66 du stator, puis celle de l’isolant 68 et enfin la soudure de connexions 70 des têtes de bobines par brasage via l’apport d’un matériau à base d’Argent, de Cuivre et de Plomb. Or, la soudure par brasage des connexions des têtes de bobine est compliquée à mettre en œuvre et nécessite une modification de la géométrie initialement prévue, dès lors que le nombre de conducteurs par encoche est supérieur à un, avec une augmentation de la longueur axiale et de la distance entre spires d’une même encoche. L’emploi d’outils de fixation et d’une pince de soudure limite en outre la taille des éléments à souder et imposent une distance minimale entre les éléments à souder et le paquet de tôles compte tenu notamment de la projection des cordons à haute température lors de la phase de soudure. La présente invention a donc pour but principal de pallier ces inconvénients en proposant une nouvelle structure de stator qui améliore la compacité d’une machine électrique haute fréquence délivrant des plus hauts niveaux de tension grâce à un nombre de barres plus élevé tout en garantissant une meilleure isolation. Cet objectif est atteint par un stator de machine électrique comportant une culasse magnétique et un bobinage massif en quartiers monophasés, le bobinage étant constitué de barres massives logées dans des encoches de la culasse magnétique, une encoche étant formée par un espace existant entre deux dents adjacentes du stator, caractérisé en ce que chacun des quartiers de bobinage est formé d’une pièce unique reliant entre elles par des connexions par-devant lesdites barres massives. Par cette configuration, la compacité axiale de la machine électrique est augmentée et on garantit sa répétabilité sur une plus grande échelle (phase d’industrialisation) tout en minimisant les pertes par effets Joule. De préférence, chacune des dents du stator comprend une mortaise coopérant avec un tenon de la culasse magnétique de forme correspondante ou vice et versa, afin de réaliser un assemblage à clé. Avantageusement, l’encoche présente une section variable et le tenon comporte l’une des sections suivantes : en T inversé, en queue d’aronde ou en pied de sapin. De préférence, l’encoche comporte une pluralité de barres massives de résistivités identiques ou variables formant un unique bobinage multicouches. L’invention concerne également une machine électrique synchrone (pouvant être de type linéaire, axiale ou radiale) comportant un rotor bobiné ou à aimants permanents et un stator tel que précité ainsi que l’aéronef comportant cette machine électrique. L’invention concerne encore un procédé d’assemblage d’un stator de machine électrique comportant une culasse magnétique et un bobinage massif en quartiers monophasés, le bobinage étant constitué de barres massives logées dans des encoches de la culasse magnétique, une encoche étant formée par l’espace existant entre deux dents adjacentes du stator, le procédé consistant à : réaliser la culasse magnétique, réaliser chacun des quartiers de bobinage en une pièce unique reliant entre elles par des connexions par-devant lesdites barres massives, recouvrir la pièce unique d'une résine isolante, réaliser chacune des dents du stator, insérer chacune des dents du stator dans les quartiers de bobinage, et glisser l’ensemble ainsi formé dans la culasse magnétique. De préférence, le bobinage massif est multicouche et l’armature, ladite pièce unique et les dents du stator sont réalisées chacune par empilement de tôles ou fabrication additive ou frittage. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : la figure 1 illustre une machine électrique comportant un stator à bobinage massif à quartiers monophasés conforme à l’invention, la figure 2 est une vue partielle du stator de la machine de la figure 1, la figure 3 illustre différentes sections d’encoche du stator de la machine de la figure 1, la figure 4 montre un quartier de bobinage du stator de la machine de la figure 1, la figure 5 montre trois étapes du procédé d’assemblage du stator de la machine de la figure 1, et la figure 6 est une vue éclatée d’un stator de machine électrique de l’art antérieur. La figure 1 montre de façon schématique une machine électrique 10 synchrone polyphasée haute fréquence (1kHz >F>3kHz) de type axial cylindrique comprenant un rotor 12 et un stator 14 séparés par un entrefer. Mais, bien entendu, l’invention est aussi applicable à tout autre type de machine, radial cylindrique ou linéaire par exemple. Le rotor 12 comporte une armature magnétique 16 à la périphérie de laquelle sont montés des aimants permanents 18 mais une configuration à rotor bobiné serait également envisageable. Le stator 14 est du type à bobinage massif concentré par quartiers monophasés (décalés d’un angle mécanique équivalent au déphasage électrique imposé par le nombre de phases - en l’espèce 60°) et comporte une culasse magnétique 20 dans les encoches 22 desquelles sont logés des conducteurs électriques ayant la forme de barres massives 24. Lorsqu’il n’y a qu’un seul conducteur par encoche, le recours à une barre massive permet un taux de remplissage proche de 90% et une répartition par quartiers monophasés se traduit, pour une densité de courant donnée et un volume d’encoche donné, par une incrémentation du courant dans les encoches et donc du couple ou, à couple donné, à la réduction du volume des conducteurs électriques. Dans les deux cas, l’augmentation du couple massique est substantielle. En outre, en raison d’une plus grande surface au niveau des chignons et de ce taux de remplissage important, les bobinages à barres massives sont beaucoup plus faciles à refroidir, les têtes de bobines devenant alors une sorte de caloduc via lequel il est possible d’extraire la chaleur. Conformément à l’invention et comme illustré à la figure 2, la culasse magnétique 20 du stator et chacune des dents constituant les pièces polaires (par exemple 26, 28) sont reliées solidairement par un assemblage à clé de type tenon-mortaise, chacune des dents du stator comprenant une mortaise 30 coopérant avec un tenon 32 de la culasse magnétique 20, de forme correspondante afin de réaliser cet assemblage. Le tenon peut comporter une section en T inversé comme illustré ou encore une section en queue d’aronde ou en pied de sapin par exemple, la mortaise ayant alors la forme complémentaire correspondante. Dans l’exemple illustré, dans chaque encoche 22 constituée par l’espace entre deux dents adjacentes 26, 28 sont logées quatre barres massives superposées 24A, 24B, 24C, 24D reliées en série, comme il sera décrit ci-après, et formant un unique bobinage multicouches particulièrement adapté à des niveaux de tension élevés. Ces barres massives sont séparées les unes des autres et des parois de l’encoche par un isolant 34 . Comme le montre la figure 3, ces encoches peuvent avoir différentes sections, notamment circulaire, rectangulaire ou trapézoïdale et la ou les barres massives qu’elles renferment peuvent avoir des résistivités identiques ou variables, c’est-à-dire qui peut varier le long de la section du conducteur de sorte à minimiser les phénomènes de refoulement de courant et à éliminer de possibles points chauds. De même, lorsque l’encoche loge plusieurs barres massives 24A, 24B, ces barres séparées par la partie isolante 34 peuvent être de même hauteur et épaisseur ou avoir une section qui varie en fonction de leur position dans l’encoche. On pourra noter que les pertes en courant alternatif générées dans la partie active des conducteurs sont réduites lorsque la résistivité augmente, ce qui est de nature à réduire les pertes globales dans la machine, tout comme les pertes générées au niveau des têtes de bobine, car le volume de ces dernières est extrêmement réduit. La figure 4 montre un quartier de bobinage massif 40 du stator de la machine électrique polyphasée haute fréquence ayant la particularité, selon l’invention, d’être réalisée en une seule pièce par empilement de tôles, par fabrication additive, ou encore par frittage. Par bobinage, il convient d’entendre une bobine formée de multiples conducteurs électriques et ayant un corps de bobine logé dans les encoches et des têtes de bobine émergeant frontalement (on dit aussi par-devant) à l’avant et à l’arrière de ces encoches destinées à recevoir les dents du stator dont une seule 26 est représentée pour visualiser son positionnement dans le quartier de bobinage 40. Plus particulièrement, cette pièce unique correspondant à une phase de la machine électrique polyphasée présente sur quatre niveaux superposés une première série 42 de barres massives reliées les unes aux autres par-devant pour former un premier serpentin dont la dernière barre 42A est une première barre de prolongement reliant cette première série à une deuxième série 44 de barres massives reliées également les unes aux autres par-devant pour former un deuxième serpentin serpentant sous le premier en sens inverse mais sans le toucher et dont la dernière barre 44A est une deuxième barre de prolongement reliant cette deuxième série à une troisième série 46 de barres massives reliées également les unes aux autres par devant pour former sous le deuxième serpentin un troisième serpentin serpentant en sens inverse du deuxième et donc dans le sens du premier mais sans le toucher et dont la dernière barre 46A est une troisième barre de prolongement reliant cette première série à une quatrième et dernière série 48 de barres massives reliées également les unes aux autres par-devant pour former un quatrième et dernier serpentin serpentant en sens inverse du troisième et sous celui-ci mais toujours sans le toucher. Il est à noter que le courant électrique circulera lui toujours dans le même sens dans une encoche donnée. Les barres de prolongement ont avantageusement des largeurs et épaisseurs identiques aux barres massives mais présentent une disposition perpendiculaire à ces dernières. Cette pièce unique remplace donc à elle seule les pièces de connexions formant les conducteurs électriques des stators de l’art antérieur dont il a été rappelé en préambule la complexité de réalisation dans une simple configuration à une seule série de barres massives. Cette réalisation du conducteur électrique en une pièce unique permet de simplifier notablement le procédé d’assemblage du stator comme le montre la figure 5 qui illustre simplement les différentes étapes de cet assemblage consistant à : réaliser la culasse magnétique ; réaliser chacun des quartiers de bobinage en une pièce unique reliant entre elles par des connexions par-devant les barres massives ; recouvrir la pièce unique d’une résine isolante, ce qui permet d'accroître la tenue mécanique des barres massives et d'améliorer l’échange thermique ; réaliser chacune des dents du stator ; insérer chacune des dents du stator dans les quartiers de bobinage ; et glisser l’ensemble ainsi formé dans la culasse magnétique. La culasse magnétique du stator avantageusement feuilleté comporte des clips ou tenons de fixation en forme de « T inversé » émergeant à sa périphérie. Cette partie émergente de la culasse est utilisée pour fixer les dents comportant une mortaise de forme complémentaire et assembler le bobinage au sein du stator. On pourra toutefois noter qu’une configuration inverse est aussi envisageable avec des dents comportant les tenons de fixation et la culasse magnétique renfermant la mortaise. L’ensemble des dents est monté dans chaque quartier et maintenu en position par tout moyen approprié comme un masque préformé, et puis la culasse magnétique, plus particulièrement ses extrémités en forme de « T inversé » sont insérées à l’intérieur de chaque dent par un glissement axial. Stator (14) de machine électrique comportant une culasse magnétique et un bobinage massif en quartiers monophasés, le bobinage étant constitué de barres massives (24 ; 24A, 24B, 24C, 24D) logées dans des encoches (22) de la culasse magnétique (20), une encoche étant formée par un espace existant entre deux dents adjacentes (26, 28) du stator, caractérisé en ce que chacun des quartiers de bobinage est formé d’une pièce unique (40) reliant entre elles par des connexions par-devant lesdites barres massives. Stator selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des dents du stator comprend une mortaise (30) coopérant avec un tenon (32) de la culasse magnétique de forme correspondante ou vice et versa, afin de réaliser un assemblage à clé. Stator selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tenon comporte l’une des sections suivantes : en T inversé, en queue d’aronde ou en pied de sapin. Stator selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’encoche comporte une pluralité de barres massives (24A, 24B, 24C, 24D) de résistivités identiques ou variables formant un unique bobinage multicouches. Stator selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’encoche présente une section variable. Machine électrique synchrone comportant un rotor bobiné ou à aimants permanents et un stator selon l’une quelconque des revendications 1 à 5. Machine électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce qu’elle est de type linéaire, axiale ou radiale. Aéronef comportant une machine électrique selon la revendication 6 ou la revendication 7. Procédé d’assemblage d’un stator (14) de machine électrique comportant une culasse magnétique et un bobinage massif en quartiers monophasés, le bobinage étant constitué de barres massives (24) logées dans des encoches (22) de la culasse magnétique (20), une encoche étant formée par l’espace existant entre deux dents adjacentes (26, 28) du stator, le procédé consistant à : réaliser la culasse magnétique (20), réaliser chacun des quartiers de bobinage en une pièce unique (40) reliant entre elles par des connexions par-devant lesdites barres massives, recouvrir ladite pièce unique d’une résine isolante (34), réaliser chacune des dents du stator (26, 28), insérer chacune des dents du stator dans les quartiers de bobinage, et glisser l’ensemble ainsi formé dans la culasse magnétique (20). Procédé d’assemblage selon la revendication 9, dans lequel le bobinage massif est multicouche. Procédé d’assemblage selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans lequel la culasse magnétique, ladite pièce unique et les dents du stator sont réalisées chacune par empilement de tôles ou fabrication additive ou frittage.