Brevet FR3155379A1 — publié le 20250516

Stator annulaire d’une machine électrique et machine électrique associée Un stator (10, 10’, 10’’) annulaire d’une machine électrique comprenant une base annulaire (11), des dents (12) et des encoches (13), chaque encoche (13) comportant une ouverture d’entrée (14) radiale s’étendant entre une première extrémité axiale (102) et une seconde extrémité axiale (104) du stator (10, 10’, 10’’) et possédant une largeur d’ouverture d’entrée (L i , L 102 , L 104 ) mesurée selon la direction circonférentielle (D C ) entre les secondes extrémités radiales (124) des deux dents (12) adjacentes délimitant l’encoche (13), la largeur (L i , L 102 , L 104 ) d’ouverture d’entrée (14) variant le long de la direction axiale (D A ), au moins une largeur (L i ) d’ouverture d’entrée (14) mesurée à un endroit différent des première et seconde extrémités axiales (102, 104) du stator (10, 10’, 10’’) étant plus petite que les largeurs (L 102 , L 104 ) d’ouverture d’entrée (14) mesurées à la première extrémité axiale (102) et à la seconde extrémité axiale (104) du stator (10, 10’, 10’’). Figure pour l’abrégé : Fig. 4 Stator annulaire d’une machine électrique et machine électrique associée Le domaine de l’invention est celui des machines électriques, et se réfère plus particulièrement aux machines électriques avec un stator annulaire adapté pour diminuer les ondulations de couple mécanique et le couple de détente en sortie de la machine électrique. Les machines électriques à courant alternatif à aimants permanents ont une variété d'applications, telles que les générateurs d'éoliennes, les moteurs de véhicules électriques, les appareils électroménagers, les pompes et les compresseurs, ainsi que les entraînements généraux. À moins que des techniques de conception ou de contrôle spéciales ne soient utilisées, ces machines ont tendance à avoir des niveaux élevés de couple d’accrochage, ou de couple de cogging, et d'ondulation de couple, ce qui conduit à la génération de vibrations acoustiques et de bruit. Le couple de « cogging » est le couple dû à l'interaction entre les aimants permanents du rotor et les encoches du stator d'une machine à aimants permanents. Il est également connu sous le nom de couple de détente ou de couple sans courant. Ce couple dépend de la position du rotor et sa périodicité par tour dépend du nombre de pôles magnétiques et du nombre de dents du stator. Le couple de cogging est un composant indésirable pour le fonctionnement d'un tel moteur de machine électrique. Il est particulièrement visible à basse vitesse, avec des symptômes de saccades. Le couple de cogging génère un couple d’ondulation ainsi qu'une ondulation de la vitesse. Cependant, à grande vitesse, le moment d'inertie du moteur filtre l'effet du couple de cogging. Le couple de cogging se produit à l'état non alimenté d'un moteur classique lorsque l'attraction entre les aimants permanents du rotor et les dents en acier des tôles du stator crée un mouvement de « saccade » lors de la rotation. L'ondulation de couple se produit à l'état alimenté d'un moteur. Ce phénomène est dû aux variations des champs électromagnétiques lors de l'interaction entre le rotor et le stator. Les moteurs classiques, parfois appelés moteurs à encoches, comportent des tôles qui sont empilées les unes sur les autres constituant un paquet de tôles, avec des enroulements en cuivre insérés dans ces encoches. La partie du stator la plus proche du rotor est appelée la dent. Elle concentre le flux électromagnétique vers les aimants du rotor, concentrant ainsi l'énergie mieux qu'une conception sans encoches. Par rapport à un moteur sans fentes, les moteurs classiques offrent un bon équilibre entre le couple de sortie, la constante du moteur, le rendement et la capacité de fabrication. Pour leur taille, les moteurs sans balais classiques ont une constante moteur élevée avec un haut rendement et des vitesses d'accélération élevées avec une faible inertie. Cela permet à un moteur classique d'avoir moins de réaction d'induit à un courant élevé, moins d'ondulation de couple et un couple continu plus élevé à basse vitesse. Les moteurs classiques ayant un nombre élevé de pôles peuvent s'avérer problématiques à certains égards. Ils sont généralement moins efficaces et ont un couple plus faible à haute vitesse. Mais le plus grand problème posé par les moteurs classiques est la présence d'un couple de cogging. Les moteurs classiques, avec leur couple plus élevé par volume, leur efficacité et leur rendement, sont mieux adaptés aux systèmes à faible vitesse. Ils se distinguent également par leur capacité de fabrication. Il est connu d’ajuster le nombre d’encoches et le nombre de pôles pour minimiser le couple de cogging. Il existe plusieurs autres options de conception et de mesures pour minimiser l'impact du couple de cogging. Elles peuvent réduire l'efficacité du moteur, mais en fonction de la conception du système, elles peuvent ne pas être nécessaires : l’écartement des pôles (largeur des aimants), le façonnage de l'aimant, l’ouverture d’encoche et la conception de la pointe des dents, l’inclinaison de l'assemblage des aimants. Dans les systèmes nécessitant un fonctionnement fluide, des vitesses d'accélération élevées et un couple constant élevé, les moteurs sans balais classiques restent le premier choix. Lorsque la charge est faible, un moteur sans encoches peut être une bonne alternative. Cependant, ils n'ont pas toutes les performances requises pour les applications agressives à couple plus élevé. Les moteurs classiques sans balais peuvent produire un couple de crête plus élevé, tandis que les moteurs sans encoches ne sont pas aussi performants dans ces applications à couple moyen ou élevé. De nombreuses études publiées dans la littérature tentent de minimiser le couple de cogging et l'ondulation du couple dans les machines à aimants permanents. Les principales techniques employées à cet effet reposent sur des ajustements dans le contrôle électronique de la machine ou sur des techniques de conception modifiant la géométrie d'une machine électrique conventionnelle. Concernant les techniques basées sur la conception mécanique de la machine électrique, celles-ci peuvent être classées de manière générique entre des modifications apportées à la topologie du stator, des modifications apportées à la topologie de l'entrefer et des modifications apportées à la topologie du rotor. La FIG. 1 présente schématiquement une vue en perspective d’un exemple de stator annulaire 1 selon l’état de la technique, le stator annulaire 1 définissant une direction axiale D A , une direction radiale D R , et une direction circonférentielle D C . La FIG. 2 montre une portion d’un autre exemple de stator annulaire selon l’état de la technique, et la FIG. 3 présente une vue en coupe de la FIG. 2 selon un plan de coupe orthogonale à la direction axiale D A du stator annulaire 1. Comme cela est illustré sur les figures 1 et 2, le stator annulaire 1 comprend une base annulaire 2 à partir de laquelle s’étendent en saillie radiale des dents 3 présentant une première extrémité radiale 4 solidaire de la base annulaire 2 du stator 1 et une seconde extrémité radiale 5 qui est libre. Le stator 1 comprend également des encoches 6 formées chacune par l’espace séparant deux dents 3 adjacentes et une ouverture d’entrée 7 d’encoche 6, l’ouverture d’entrée 7 de l’encoche 6 étant définie par l’espace, selon la direction circonférentielle D C , séparant les secondes extrémités 5 de deux dents 3 adjacentes. Habituellement, la manière de fabriquer le stator d'une machine électrique à courant alternatif consiste à poinçonner ou à découper par un autre mécanisme (par exemple un laser) une tôle laminée qui est ensuite empilée et assemblée ou rigidifiée par un processus de soudage, d'agrafage, de collage, de pressage, etc. Dans la procédure de formage typique, les régions d’encoche, de coin et d'ouverture d’encoche sont obtenues à partir de la même opération. L’invention vise à proposer une architecture et une conception de machine électrique permettant de combiner le meilleur compromis entre le couple d'ondulation et le couple de cogging, avec un processus de mise en œuvre simple en termes de fabrication et d’assemblage. Ce but est atteint grâce à un stator annulaire d’une machine électrique, le stator comprenant une base annulaire, des dents et des encoches. La base annulaire définit une direction axiale, une direction radiale et une direction circonférentielle. Chacune des dents s’étend radialement en saillie depuis la base annulaire entre une première extrémité radiale solidaire de la base annulaire et une seconde extrémité radiale qui est libre. Chaque encoche s’étend dans la direction circonférentielle entre deux dents adjacentes et comporte une ouverture d’entrée radiale s’étendant axialement entre une première extrémité axiale du stator et une seconde extrémité axiale du stator et possède une largeur d’ouverture d’entrée mesurée selon la direction circonférentielle entre les secondes extrémités radiales des deux dents adjacentes délimitant l’encoche. Selon une caractéristique générale de l’invention, la largeur d’ouverture d’entrée de chaque encoche varie le long de la direction axiale, au moins une largeur d’ouverture d’entrée mesurée à un endroit différent des première et seconde extrémités axiales du stator étant plus petite que les largeurs d’ouverture d’entrée mesurées à la première extrémité axiale et à la seconde extrémité axiale du stator. Cette solution permet une réduction significative du couple de cogging et du couple d'ondulation avec l'avantage de garder un bobinage simple, ce qui est plus simple que les solutions alternatives avec une inclinaison d’encoche. La modification de l'ouverture des encoches du stator dans la direction axiale de la machine électrique de manière à ce que la variation de la largeur de l’ouverture d’entrée ne suive pas une courbe droite, permet de minimiser à la fois le couple de cogging et l'ondulation du couple. Cette technique vise à modifier les formes d'onde de couple de la machine à la fois lorsqu'aucun courant ne traverse le stator (fonctionnement à vide) et lorsque la machine fonctionne avec des courants circulant dans le stator (fonctionnement en charge). La technique proposée a pour objectif secondaire de faciliter le bobinage de la machine par rapport aux autres techniques de réduction du cogging consistant à modifier le stator, telles que : ouvertures des encoches décalées, ouvertures des encoches dissemblables ou encoches le long de la périphérie du stator, etc. De préférence, la variation de la largeur de l’ouverture d’entrée de chaque encoche le long de la direction axiale est non linéaire. Dans un premier mode de réalisation du stator selon l’invention, la plus petite largeur de l’ouverture d’entrée de chaque encoche est mesurée au milieu de la longueur axiale du stator. Dans un deuxième mode de réalisation du stator selon l’invention, la variation de la largeur de l’ouverture d’entrée de chaque encoche le long de la direction axiale peut être discontinue, avec au moins trois portions d’encoche avec des largeurs différentes. Dans un troisième mode de réalisation du stator selon l’invention, la variation de la largeur de l’ouverture d’entrée de chaque encoche le long de la direction axiale peut être continue. Dans un quatrième mode de réalisation du stator selon l’invention, les dents peuvent s’étendre radialement vers l’extérieur pour former un stator interne. Dans une variante, les dents peuvent s’étendre radialement vers l’intérieur pour former un stator externe. Dans un autre aspect, il est proposé une machine électrique comprenant un stator annulaire tel que défini ci-dessus. De préférence, la machine électrique est une machine électrique linéaire à aimants permanents. FIG. 1 La FIG. 1 , déjà décrite, illustre schématiquement une vue en perspective d’un exemple de stator annulaire selon l’état de la technique. FIG. 2 La FIG. 2 , déjà décrite, illustre une portion d’un autre exemple de stator annulaire selon l’état de la technique. FIG. 3 La FIG. 3 , déjà décrite, présente une vue en coupe de la FIG. 2 selon un plan de coupe orthogonale à la direction axiale du stator annulaire. FIG. 4 La FIG. 4 illustre une vue en perspective d’un stator d’une machine électrique selon un premier mode de réalisation de l’invention. FIG. 5 La FIG. 5 illustre une vue en perspective dudit stator selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. FIG. 6 La FIG. 6 illustre une vue en coupe de deux encoches du stator de la FIG. 4 ou de la FIG. 5 . FIG. 7 La FIG. 7 illustre une vue en perspective dudit stator selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Sur la FIG. 4 est illustrée schématiquement une vue en perspective d’un stator 10 d’une machine électrique selon un premier mode de réalisation de l’invention. Le stator 10 de forme annulaire comprend une base 11 annulaire, des dents 12 et des encoches 13. La base 11 annulaire définit une direction axiale D A , une direction radiale D R et une direction circonférentielle D C . Le stator 10 s’étend axialement entre une première extrémité axiale 102 et une seconde extrémité axiale 104. Selon la direction axiale D A , chaque dent 12 s’étend parallèlement à la direction axiale D A entre la première extrémité axiale 102 du stator 10 et la seconde extrémité axiale 104 du stator 10. Selon la direction radiale D R , chaque dent 12 s’étend en saillie vers l’extérieur depuis la base 11 annulaire. Le stator 10 forme ainsi un stator interne. Selon la direction radiale D R , chaque dent 12 du stator 10 comporte une première extrémité radiale 122 qui est solidaire de la base 11 annulaire et une seconde extrémité radiale 124 qui est libre. Chaque encoche 13 est formée par l’espace libre séparant deux dents 12 adjacentes selon la direction circonférentielle D C . Chaque encoche 13 s’étend ainsi selon la direction axiale D A entre la première extrémité axiale 102 du stator 10 et la seconde extrémité axiale 104 du stator 10. Chaque encoche 13 comporte en outre une ouverture d’entrée 14 radiale formée entre les secondes extrémités radiales 124 des deux dents 12 adjacentes délimitant l’encoche 13. Selon la direction radiale D R , chaque encoche 13 s’étend ainsi entre la base 11 annulaire et son ouverture d’entrée 14. Chaque ouverture d’entrée 14 s’étend axialement entre la première extrémité axiale 102 du stator 10 et la seconde extrémité axiale 104 du stator 10. L’ouverture d’entrée 14 de chaque encoche possède une largeur qui est mesurée selon la direction circonférentielle D C entre les secondes extrémités radiales 124 des deux dents 12 adjacentes délimitant l’encoche 13. Cette largeur est notée L sur les figures 4 à 7 et elle varie le long de la direction axiale D A . Sur les figures, pour différencier les différentes valeurs de largeur L d’ouverture d’entrée 14 on ajoute un indice à la référence L. On a ainsi, sur la FIG. 4 , la référence L 102 qui correspond à la largeur d’ouverture d’entrée 14 mesurée au niveau de la première extrémité axiale 102 du stator 10, la référence L 104 qui correspond à la largeur d’ouverture d’entrée 14 mesurée au niveau de la seconde extrémité axiale 104 du stator 10, et la référence L i qui correspond à la largeur d’ouverture d’entrée 14 mesurée au milieu de la longueur axiale du stator 10, Dans le premier mode de réalisation de l’invention illustré sur la FIG. 4 , la largeur L i d’ouverture d’entrée 14 axialement au milieu du stator 10 est plus petite que la largeur L 102 d’ouverture d’entrée 14 mesurée à la première extrémité axiale 102 du stator 10 et que la largeur L 104 d’ouverture d’entrée 14 mesurée à la seconde extrémité axiale 104 du stator 10. Dans le premier mode de réalisation illustré sur la FIG. 4 , la largeur L d’ouverture d’entrée 14 varie de manière non linéaire entre la première extrémité axiale 102 du stator 10 et la seconde extrémité axiale 104 du stator 10, et de manière continue. Sur la FIG. 5 est illustrée schématiquement une vue en perspective d’un stator 10’ d’une machine électrique selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Le stator 10’ selon le deuxième mode de réalisation illustré sur la FIG. 5 diffère du stator 10 du premier mode de réalisation illustré sur la FIG. 4 en ce que le stator 10’ est un stator externe avec des dents 12 s’étendant en saillie radiale vers l’intérieur. Sur la FIG. 6 est représenté schématiquement une vue en coupe de deux encoches 13 d’un stator 10 de la FIG. 4 ou du stator 10’ de la FIG. 5 . Le plan de coupe comprend la direction axiale D A et la direction radiale D R . Sur la FIG. 7 est illustrée schématiquement une vue en perspective d’un stator 10’’ d’une machine électrique selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Le stator 10’’ selon le troisième mode de réalisation illustré sur la FIG. 7 diffère du stator 10 du premier mode de réalisation illustré sur la FIG. 4 en ce que la largeur L d’ouverture d’entrée 14 des encoches 13 varient de manière discontinue. Dans ce troisième mode de réalisation, chaque dent 12 comprend cinq portions avec des épaisseurs différentes. Par conséquent, chaque encoche 13 comprend cinq portions avec des largeurs L différentes. Chaque dent 12 possède une première portion axiale 21, une deuxième portion axiale 22, une troisième portion axiale 23, une quatrième portion axiale 24 et une cinquième portion axiale 25. La première portion axiale 21 s’étend axialement entre la première extrémité axiale 102 du stator 10’’ et la deuxième portion axiale 22. La deuxième portion axiale 22 s’étend axialement entre la première portion axiale 21 et la troisième portion axiale 23, la troisième portion axiale 23 s’étend axialement entre la deuxième portion axiale 22 et la quatrième portion axiale 24. La quatrième portion axiale 24 s’étend axialement entre le troisième portion axiale 23 et la cinquième portion axiale 25. Et la cinquième portion axiale 25 s’étend axialement entre la quatrième portion axiale 24 et la seconde extrémité axiale 104 du stator 10’’. Pour chaque dent 12, la première portion axiale 21 et la cinquième portion axiale 25 possèdent une même première épaisseur E 1 mesurée selon la direction circonférentielle D C , et la deuxième portion axiale 22 et la quatrième portion axiale 24 possèdent une même deuxième épaisseur E 2 mesurée selon la direction circonférentielle D C . La troisième portion axiale 23 possède une troisième épaisseur E 3 selon la direction circonférentielle D C supérieure à la seconde épaisseur E 2 et à la première épaisseur E 1 , la deuxième épaisseur E 2 étant supérieure à la première épaisseur E 1 . Ainsi, le long de la direction axiale entre la première extrémité axiale 102 du stator 10’’ et la seconde extrémité axiale 104 du stator 10’’, chaque encoche 13 présente une première portion d’ouverture d’entrée 31 avec une première largeur L 1 , une deuxième portion d’ouverture d’entrée 32 avec une deuxième largeur L 2 , une troisième portion d’ouverture d’entrée 33 avec une troisième largeur L 3 , une quatrième portion d’ouverture d’entrée 34 avec une quatrième largeur L 4 , et une cinquième portion d’ouverture d’entrée avec une cinquième largeur L 5 . La première largeur L 1 et la cinquième largeur L 5 sont égales. La deuxième largeur L 2 et la quatrième largeur L 4 sont égales. La troisième largeur L 3 est supérieure à aux autres largeurs L 1 , L 2 , L 4 et L 5 ., les deuxième et quatrième largeurs L 2 et L 4 sont supérieures aux première et cinquième largeurs L 1 et L 5 . La première largeur L 1 correspond à la largeur L 102 mesurée à la première extrémité axiale 102 du stator 10’’. Et la cinquième largeur L 5 correspond à la largeur L 104 mesurée à la seconde extrémité axiale 104 du stator 10’’. Ainsi, la largeur L 102 mesurée à la première extrémité 102 du stator 10’’ et la largeur L 10 4 mesurée à la seconde extrémité 104 du stator 10’’ sont égales. D’autre part, la troisième largeur L 3 correspond à la largeur L i mesurée axialement au milieu du stator 10’’. Stator (10, 10’, 10’’) annulaire d’une machine électrique, le stator (10, 10’, 10’’) comprenant une base (11) annulaire, des dents (12) et des encoches (13), la base (11) annulaire définissant une direction axiale (D A ), une direction radiale (D R ) et une direction circonférentielle (D C ), chacune des dents (12) s’étendant radialement en saillie depuis la base (11) entre une première extrémité radiale (122) solidaire de la base (11) et une seconde extrémité radiale (124) qui est libre, chaque encoche (13) s’étendant dans la direction circonférentielle (D C ) entre deux dents (12) adjacentes et comportant une ouverture d’entrée (14) radiale s’étendant axialement entre une première extrémité axiale (102) du stator (10, 10’, 10’’) et une seconde extrémité axiale (104) du stator (10, 10’, 10’’), chaque encoche (13) possédant une largeur d’ouverture d’entrée (L i , L 102 , L 104 ) mesurée selon la direction circonférentielle (D C ) entre les secondes extrémités radiales (124) des deux dents (12) adjacentes délimitant l’encoche (13), caractérisé en ce que la largeur (L i , L 102 , L 104 ) d’ouverture d’entrée (14) de chaque encoche (13) varie le long de la direction axiale (D A ), au moins une largeur (L i ) d’ouverture d’entrée (14) mesurée à un endroit différent des première et seconde extrémités axiales (102, 104) du stator (10, 10’, 10’’) étant plus petite que les largeurs (L 102 , L 104 ) d’ouverture d’entrée (14) mesurées à la première extrémité axiale (102) et à la seconde extrémité axiale (104) du stator (10, 10’, 10’’). Stator (10, 10’, 10’’) annulaire selon la revendication 1, dans lequel la variation de la largeur (L i , L 102 , L 104 ) de l’ouverture d’entrée (14) de chaque encoche (13) le long de la direction axiale (D A ) est non linéaire. Stator (10, 10’, 10’’) annulaire selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la plus petite largeur (L i ) de l’ouverture d’entrée (14) de chaque encoche (13) est mesurée au milieu de la longueur axiale du stator (10, 10’). Stator (10’’) annulaire selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la variation de la largeur (L i , L 102 , L 104 ) de l’ouverture d’entrée (14) de chaque encoche (13) le long de la direction axiale (D A ) est discontinue, avec au moins trois portions d’encoche avec des largeurs différentes. Stator (10, 10’) annulaire selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la variation de la largeur (L i , L 102 , L 104 ) de l’ouverture d’entrée (14) de chaque encoche (13) le long de la direction axiale (D A ) est continue. Stator (10, 10’’) annulaire selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les dents (12) s’étendent radialement vers l’extérieur. Stator (10’) annulaire selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les dents (12) s’étendent radialement vers l’intérieur. Machine électrique comprenant un stator (10) selon l’une des revendications 1 à 7. Machine électrique selon la revendication 8, dans laquelle la machine électrique est une machine électrique linéaire à aimants permanents.