CH715403B1 - Rotary electric machine. - Google Patents

Abstract

Une machine électrique rotative (1) comprenant un rotor (2) et un stator (4, 6) séparés par un entrefer (3); ledit stator (4, 6) comprenant un enroulement (4) avec une pluralité de bobines (40), chaque bobine comprenant au moins un fil (400) électriquement conducteur, dans laquelle au moins l'une desdites bobines (40) a une section transversale avec une épaisseur (b) mesurée radialement du côté intérieur (401) de la bobine au côté extérieur (402) de la bobine, et une largeur (a) mesurée sensiblement perpendiculaire à la longueur du fil et sensiblement parallèle au côté extérieur (402) de la bobine (40), dans laquelle ladite épaisseur (b) est variable le long de la bobine et dans laquelle ladite largeur (a) est variable le long de la bobine.A rotary electric machine (1) comprising a rotor (2) and a stator (4, 6) separated by an air gap (3); said stator (4, 6) comprising a winding (4) with a plurality of coils (40), each coil comprising at least one electrically conductive wire (400), in which at least one of said coils (40) has a section transverse with a thickness (b) measured radially from the inner side (401) of the coil to the outer side (402) of the coil, and a width (a) measured substantially perpendicular to the length of the wire and substantially parallel to the outer side (402 ) of the coil (40), wherein said thickness (b) is variable along the coil and wherein said width (a) is variable along the coil.

Description

Domaine de l'inventionField of invention

[0001] La présente invention concerne une machine électrique, telle qu'un moteur ou un générateur électrique, avec un enroulement amélioré. The present invention relates to an electric machine, such as an electric motor or generator, with an improved winding.

Description de l'art antérieurDescription of the prior art

[0002] Les machines électriques sont définies comme des dispositifs capables de transformer de l'énergie d'une forme à une autre lorsqu'au moins l'une d'elles est électrique. En particulier, lorsque l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique, les machines électriques sont classées comme moteurs rotatifs ou linéaires. Et lorsque l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique, les machines électriques sont classées comme générateurs rotatifs ou linéaires. Dans le présent document, le terme machines électriques désigne à la fois les moteurs et les générateurs, rotatifs ou linéaires. [0002] Electric machines are defined as devices capable of transforming energy from one form to another when at least one of them is electric. In particular, when electrical energy is transformed into mechanical energy, electrical machines are classified as rotary or linear motors. And when mechanical energy is transformed into electrical energy, electrical machines are classified as rotary or linear generators. In this document, the term electrical machines refers to both motors and generators, rotary or linear.

[0003] Les moteurs et générateurs varient de quelques millimètres de diamètre à plusieurs mètres de longueur. La longueur des moteurs linéaires varie de quelques millimètres à plusieurs kilomètres, par exemple dans le cas du transport ferroviaire. [0003] Motors and generators vary from a few millimeters in diameter to several meters in length. The length of linear motors varies from a few millimeters to several kilometers, for example in the case of rail transport.

[0004] Dans les moteurs et les générateurs, une forme d'énergie transitoire est impliquée: l'énergie magnétique. Les flux magnétiques dans les machines sont dus aux courants électriques circulant dans les enroulements. Les enroulements sont donc un composant essentiel des machines électriques. [0004] In motors and generators, a transient form of energy is involved: magnetic energy. Magnetic fluxes in machines are due to electric currents flowing through the windings. Windings are therefore an essential component of electrical machines.

[0005] Les machines électriques sont composées d'une partie fixe, le stator, et d'une partie mobile, le rotor. L'espace d'air entre un stator et un rotor est un entrefer. Les enroulements peuvent être placés sur le stator et/ou le rotor, ou entre les deux. Ils sont constitués d'une ou plusieurs bobines. Les bobines sont constituées de spires montées en série. Le matériau utilisé pour les spires à une faible résistivité électrique pour réduire les pertes en Joule. [0005] Electrical machines are made up of a fixed part, the stator, and a moving part, the rotor. The air space between a stator and a rotor is an air gap. The windings can be placed on the stator and/or the rotor, or between the two. They consist of one or more coils. The coils consist of turns connected in series. The material used for the coils has a low electrical resistivity to reduce Joule losses.

[0006] Selon un exemple de moteur électrique, les moteurs à courant continu sans balais 1 sont déjà connus. Comme l'illustre la vue en coupe de la figure 1, ils comprennent généralement un rotor 2 avec un arbre 20 et un boîtier 21 pour protéger l'aimant permanent 22 du rotor de la corrosion et/ou pour soutenir les forces mécaniques dues à la rotation. Le rotor est supposé être centré axialement dans un stator 6. Le stator a un enroulement 4 en forme de cylindre creux et comprenant une pluralité de bobines 40. L'application d'un courant alternatif aux bobines 40 crée un champ magnétique rotatif pour faire tourner le rotor. La présente invention est liée à une amélioration des enroulements de ces moteurs et d'autres machines électriques. According to an example of an electric motor, brushless DC motors 1 are already known. As shown in the sectional view of Figure 1, they generally comprise a rotor 2 with a shaft 20 and a housing 21 to protect the permanent magnet 22 of the rotor from corrosion and/or to support the mechanical forces due to spin. The rotor is assumed to be axially centered in a stator 6. The stator has a winding 4 in the shape of a hollow cylinder and comprising a plurality of coils 40. The application of alternating current to the coils 40 creates a rotating magnetic field to rotate the rotor. The present invention is related to an improvement in the windings of these motors and other electrical machines.

[0007] US7893587B2 (Electromag et al.) décrit un tel moteur à courant continu sans balais où l'enroulement du stator est en forme de cylindre creux et composé d'une pluralité de bobines simples rhombiques en fil plat. [0007] US7893587B2 (Electromag et al.) describes such a brushless DC motor where the winding of the stator is in the form of a hollow cylinder and is composed of a plurality of simple rhombic flat wire coils.

[0008] La figure 2 illustre un exemple d'enroulement 4 pour le stator d'un moteur triphasé à 6 bobines 40 sans fente. Les enroulements sans fente, aussi appelés enroulements autoportants, sont couramment utilisés dans les petites machines électriques à courant continu sans balais à grande et très grande vitesse. Contrairement aux enroulements à fente qui sont forcés de suivre la direction des fentes, les enroulements sans fente peuvent être disposés librement dans l'entrefer. Figure 2 illustrates an example of winding 4 for the stator of a three-phase motor with 6 coils 40 without slot. Slotless windings, also called self-supporting windings, are commonly used in small high and very high speed brushless DC electric machines. Unlike slotted windings which are forced to follow the direction of the slots, non-slotted windings can be freely arranged in the air gap.

[0009] Chacune des 6 bobines de cet exemple a une forme rhombique avec deux coins extérieurs 41 sur les côtés latéraux 43 de l'enroulement, et deux coins intérieurs 42 entre ces côtés. Un „coin“ désigne une partie de la bobine où le fil change de direction ; les coins peuvent être arrondis. Les bobines sont enchevêtrées et se chevauchent sur deux couches. Each of the 6 coils of this example has a rhombic shape with two outer corners 41 on the lateral sides 43 of the winding, and two inner corners 42 between these sides. A „corner“ refers to a part of the spool where the thread changes direction; the corners can be rounded. The coils are entangled and overlapped in two layers.

[0010] Les 2 bobines par phase peuvent être montées en série ou en parallèle et les 3 phases connectées en triangle ou en étoile. The 2 coils per phase can be connected in series or in parallel and the 3 phases connected in triangle or in star.

[0011] Un rotor à 4 pôles est également possible. [0011] A 4-pole rotor is also possible.

[0012] Malgré de nombreux avantages, l'enroulement de la figure 2 a quelques limites. Le facteur de remplissage est limité parce que les spires ont une largeur et une épaisseur constantes et, par conséquent, les espaces entre les bobines ne peuvent être comblés, ce qui augmenterait le facteur de remplissage du cuivre et, par conséquent, le couple produit. On observe en particulier un écart entre les coins intérieurs des bobines successives, dans la région centrale où le champ d'induction radial créé par l'aimant est maximal. La distance entre les bobines est donnée par le rayon de pliage de la bobine. Despite many advantages, the winding of Figure 2 has some limitations. The fill factor is limited because the turns have a constant width and thickness and therefore the spaces between the coils cannot be filled which would increase the copper fill factor and therefore the torque produced. In particular, a gap is observed between the inner corners of the successive coils, in the central region where the radial induction field created by the magnet is at a maximum. The distance between the coils is given by the bending radius of the coil.

[0013] Afin de réduire cet écart, il a été suggéré d'utiliser un enroulement pour une machine électrique tournante comprenant des conducteurs sur un circuit imprimé (PCB) de largeur variable. WO2014/207174A3 (Université Catholique de Louvain) décrit un tel enroulement où la forme des conducteurs sur le PCB a une largeur variable afin d'augmenter les performances. [0013] In order to reduce this difference, it has been suggested to use a winding for a rotating electrical machine comprising conductors on a printed circuit board (PCB) of variable width. WO2014/207174A3 (Catholic University of Louvain) describes such a winding where the shape of the conductors on the PCB has a variable width in order to increase performance.

Bref résumé de l'inventionBrief summary of the invention

[0014] Un but de la présente invention est de proposer une machine électrique avec un nouvel enroulement qui augmente les performances, et plus particulièrement la constante moteur reliant le couple créé aux pertes de cuivre. An object of the present invention is to provide an electrical machine with a new winding which increases performance, and more particularly the motor constant linking the torque created to the copper losses.

[0015] Selon un aspect de l'invention, ces buts sont atteints en modifiant la largeur et l'épaisseur des bobines. According to one aspect of the invention, these objects are achieved by modifying the width and the thickness of the coils.

[0016] L'utilisation d'une bobine de largeur et d'épaisseur variables donne plus de liberté pour optimiser le champ magnétique créé par les bobines ou la force contre-électromotrice induite dans les bobines [0016] The use of a coil of variable width and thickness gives more freedom to optimize the magnetic field created by the coils or the counter-electromotive force induced in the coils

[0017] Selon l'invention, ces buts sont également atteints au moyen d'une machine électrique rotative comprenant un rotor et un stator séparés par un entrefer ; ledit stator comprenant un enroulement avec une pluralité de bobines, chaque bobine comprenant au moins un fil électriquement conducteur, dans laquelle au moins l'une desdites bobines a une section transversale avec une épaisseur mesurée radialement du côté intérieur de la bobine au côté extérieur de la bobine, et une largeur mesurée sensiblement perpendiculaire à la longueur du fil et sensiblement parallèle au côté extérieur de la bobine, dans laquelle ladite épaisseur est variable le long de la bobine et dans laquelle ladite largeur (a) est variable le long de la bobine.According to the invention, these objects are also achieved by means of a rotary electric machine comprising a rotor and a stator separated by an air gap; said stator comprising a winding with a plurality of coils, each coil comprising at least one electrically conductive wire, wherein at least one of said coils has a cross-section with a thickness measured radially from the inner side of the coil to the outer side of the coil, and a width measured substantially perpendicular to the length of the wire and substantially parallel to the outer side of the coil, wherein said thickness is variable along the coil and wherein said width (a) is variable along the coil.

[0018] Par conséquent, la forme des bobines peut varier dans les 3 dimensions ; à la fois la largeur et l'épaisseur des bobines peuvent varier en même temps. Il en résulte une plus grande flexibilité pour concevoir une bobine avec une forme efficace. [0018] Therefore, the shape of the coils can vary in the 3 dimensions; both the width and the thickness of the coils can vary at the same time. This results in greater flexibility to design a coil with an efficient shape.

[0019] La surface de la section transversale de la bobine peut être sensiblement constante. [0019] The cross-sectional area of the coil may be substantially constant.

[0020] La surface de la section transversale de la bobine peut être sensiblement variable. [0020] The cross-sectional area of the coil can be substantially variable.

[0021] Il peut être démontré, en utilisant des forces de Laplace, que le couple produit par un moteur est maximal lorsque le courant circule dans la direction axiale. Il en va de même pour la force électromotrice induite dans un générateur. En d'autres termes, le fil doit être droit dans la direction axiale. It can be demonstrated, using Laplace forces, that the torque produced by a motor is maximum when the current flows in the axial direction. The same is true for the emf induced in a generator. In other words, the wire should be straight in the axial direction.

[0022] Les coins extérieurs de l'enroulement sur les côtés latéraux de l'enroulement sont appelés „terminaisons d'enroulement“. Les terminaisons d'enroulement sont nécessaires pour fermer les circuits électriques, mais ne contribuent pas au potentiel magnétique utile. En effet, elles sont généralement situées là où le champ magnétique au niveau de l'entrefer est le plus faible. De ce fait, la contribution des terminaisons d'enroulement au couple produit (pour un moteur) ou à la force contre-électromotrice (contre EMF, pour un générateur) est faible. De plus, les terminaisons d'enroulement augmentent la résistance de la bobine. [0022] The outer corners of the winding on the lateral sides of the winding are called “winding terminations”. Winding terminations are necessary to complete electrical circuits, but do not contribute useful magnetic potential. Indeed, they are generally located where the magnetic field at the level of the air gap is weakest. Because of this, the contribution of the winding terminations to the torque produced (for a motor) or to the back EMF (against EMF, for a generator) is small. Additionally, the winding terminations increase the resistance of the coil.

[0023] Afin d'éviter ou de limiter ces problèmes, dans un mode d'exécution, l'enroulement comporte deux faces latérales. Chaque bobine a une forme correspondant sensiblement à la projection d'un polygone, par exemple un octogone, contre un cylindre, dans laquelle ladite forme comprend deux coins extérieurs, comprenant un coin extérieur à chacun des côtés latéraux dudit stator, et deux coins intérieurs entre lesdits côtés latéraux. L'épaisseur de la bobine est plus élevée aux coins extérieurs qu'aux coins intérieurs. [0023] In order to avoid or limit these problems, in one embodiment, the winding has two side faces. Each coil has a shape corresponding substantially to the projection of a polygon, for example an octagon, against a cylinder, in which said shape comprises two outer corners, comprising an outer corner at each of the lateral sides of said stator, and two inner corners between said lateral sides. The thickness of the coil is higher at the outside corners than at the inside corners.

[0024] Cette augmentation de l'épaisseur réduit la résistance de la bobine au niveau des terminaisons de l'enroulement. [0024] This increase in thickness reduces the resistance of the coil at the winding terminations.

[0025] Dans un mode d'exécution, la largeur de la bobine est plus faible aux coins extérieurs qu'aux coins intérieurs. Cela réduit la quantité du champ magnétique produite au niveau des terminaisons de l'enroulement, dont la contribution au couple est de toute façon limitée. [0025] In one embodiment, the width of the coil is smaller at the outer corners than at the inner corners. This reduces the amount of the magnetic field produced at the winding terminations, whose contribution to torque is limited anyway.

[0026] Dans un mode d'exécution, la forme de chaque bobine correspond sensiblement à la projection d'un octogone contre un cylindre virtuel. Il en résulte que la portion du fil entre les deux côtés latéraux de l'enroulement est droite dans la direction axiale. Cette portion droite représente de préférence au moins 20% de la dimension de l'enroulement entre les deux côtés latéraux, par exemple environ 30%. In one embodiment, the shape of each coil substantially corresponds to the projection of an octagon against a virtual cylinder. As a result, the portion of the wire between the two lateral sides of the winding is straight in the axial direction. This straight portion preferably represents at least 20% of the dimension of the winding between the two lateral sides, for example around 30%.

[0027] Le fil composant les bobines peut être de section rectangulaire, ce qui permet d'obtenir un meilleur facteur de remplissage qu'un enroulement de section circulaire et une meilleure conductivité thermique. The wire making up the coils can be of rectangular section, which makes it possible to obtain a better filling factor than a winding of circular section and better thermal conductivity.

[0028] Les bobines sont de préférence enchevêtrées et superposées sur deux couches. The coils are preferably entangled and superimposed on two layers.

[0029] L'enroulement peut être utilisé pour une machine avec une structure sans fente. [0029] The winding can be used for a machine with a structure without a slot.

[0030] L'enroulement peut être utilisé pour une machine avec une structure à fente. [0030] The winding can be used for a machine with a slot structure.

[0031] Les bobines et/ou fils d'épaisseur variable peuvent être fabriqués par extrusion à vitesse variable ; impression 3D ; fusion sélective au laser (SLM), usinage par décharge électrique à découpage par fil (EDM), etc. [0031] The coils and/or wires of variable thickness can be manufactured by variable-speed extrusion; 3D printing; Selective Laser Melting (SLM), Wire Cut Electric Discharge Machining (EDM), etc.

[0032] Les bobines se chevauchent de préférence de manière imbriquée, de sorte à former un cylindre creux [0032] The coils preferably overlap in a nested manner, so as to form a hollow cylinder

[0033] Dans un mode d'exécution, la largeur du fil de chaque bobine varie sur la longueur dudit fil. [0033] In one embodiment, the width of the wire of each coil varies along the length of said wire.

[0034] Dans un mode d'exécution, l'épaisseur du fil de chaque bobine varie sur la longueur dudit fil. [0034] In one embodiment, the thickness of the wire of each coil varies along the length of said wire.

[0035] Dans un mode d'exécution, la forme de la section transversale dudit fil varient sur la longueur dudit fil. [0035] In one embodiment, the shape of the cross section of said wire varies along the length of said wire.

[0036] La machine peut être une machine à courant continu synchrone sans balais et sans fente [0036] The machine may be a brushless, slotless synchronous DC machine

[0037] Le fil peut être extrudé ou imprimé en 3D. The yarn can be extruded or 3D printed.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

[0038] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode d'exécution donné à titre d'exemple et illustré par les figures, dans lesquelles: La figure 1 illustre une coupe transversale d'une machine à courant continu sans balais contenant un enroulement sans fente. La figure 2 illustre un enroulement triphasé à 6 bobines, sans fente, fabriqué avec des bobines de section constante. La figure 3 illustre un enroulement triphasé à 6 bobines, sans fente, fabriqué avec des bobines de largeur non constante et d'épaisseur constante selon une section transversale. Les figures 4A-4B illustrent un enroulement triphasé à 6 bobines, sans fente, fabriqué avec des bobines de largeur et d'épaisseur non constantes selon une section transversale. La figure 5 illustre une portion d'une bobine. La figure 6 illustre une portion d'un fil. Les figures 7A et 7B illustrent une comparaison de deux enroulements concentrés avec une section de bobine constante (7A) et une section de bobine non constante (7B) et avec B<A et E>DThe invention will be better understood with the aid of the description of an embodiment given by way of example and illustrated by the figures, in which: FIG. brushless direct current containing a winding without slot. Figure 2 illustrates a three-phase, 6-coil, slotless winding made with coils of constant section. Figure 3 illustrates a three-phase, 6-coil, slotless winding fabricated with coils of non-constant width and constant thickness along a cross-section. Figures 4A-4B illustrate a three-phase, 6-coil, slotless winding fabricated with coils of non-constant width and thickness across a cross section. Figure 5 illustrates a portion of a coil. Figure 6 illustrates a portion of a wire. Figures 7A and 7B illustrate a comparison of two concentrated windings with a constant coil section (7A) and a non-constant coil section (7B) and with B<A and E>D

Description détaillée de modes d'exécution possibles de l'inventionDetailed description of possible embodiments of the invention

[0039] Il y a plusieurs façons de comparer les moteurs et les générateurs. Cependant, l'une des plus populaires utilisées par les concepteurs et fabricants de moteurs est la constante du moteur définie comme suit où Temest le couple électromagnétique produit par le moteur, Pcoilssont les pertes de puissance de la bobine, R est la résistance de phase, I est le courant de phase et KTest la constante de couple. Elle est donnée pour une certaine température et sans saturation dans le circuit magnétique. La constante du moteur est également utilisée pour comparer les générateurs car la force contre-électromotrice EFM est proportionnel à la constante de couple. [0039] There are several ways to compare motors and generators. However, one of the most popular used by motor designers and manufacturers is the motor constant defined as follows where Tem is the electromagnetic torque produced by the motor, Pcoils are the coil power losses, R is the phase resistance, I is the phase current and KT is the torque constant. It is given for a certain temperature and without saturation in the magnetic circuit. The motor constant is also used to compare generators because the back EMF is proportional to the torque constant.

[0040] La constante du moteur exprime le rendement du couple, c'est-à-dire qu'elle relie le couple produit par le moteur et les pertes correspondantes dans l'enroulement pour le produire. Ce rapport ne dépend pas du courant et du nombre de spires (pour un facteur de remplissage constant). Il est également indépendant de la configuration de l'enroulement (connecté en triangle ou en étoile). De plus, les connaissances acquises à partir de cette constante unique nous permettent d'optimiser la résistance de l'enroulement et donc la forme de l'enroulement. The motor constant expresses the torque efficiency, that is to say it relates the torque produced by the motor and the corresponding losses in the winding to produce it. This ratio does not depend on the current and the number of turns (for a constant filling factor). It is also independent of the winding configuration (delta or star connected). In addition, the knowledge gained from this unique constant allows us to optimize the winding resistance and therefore the shape of the winding.

[0041] Compte tenu de l'enroulement de la figure 2, la constante du moteur Kmpeut être exprimée en termes de la constante de couple d'une bobine KT<'>et de la résistance R' d'une bobine et vaut [0041] Considering the winding of Figure 2, the motor constant Km can be expressed in terms of the torque constant of a coil KT<'> and the resistance R' of a coil and is equal to

[0042] Cela ne dépend pas de la configuration de l'enroulement (en série ou en parallèle et connecté en triangle ou en étoile). [0042] This does not depend on the configuration of the winding (in series or in parallel and connected in a triangle or in a star).

[0043] Le couple de la bobine produit par l'interaction de la densité de flux magnétique de l'aimant permanent et du courant de la bobine peut être calculé au moyen des forces de Laplace. Seul le courant circulant dans le sens axial et le champ d'induction radial contribuent à un couple de rotation. The coil torque produced by the interaction of the magnetic flux density of the permanent magnet and the coil current can be calculated using Laplace forces. Only the current flowing in the axial direction and the radial induction field contribute to a rotational torque.

[0044] Afin d'avoir une évaluation précise du couple et de considérer l'effet final du rotor pendant le processus d'optimisation, le champ d'induction radial sur les plans des couches supérieure et inférieure est extrait par la force électromotrice FEM. Par conséquent, chaque enroulement de couche est optimisé individuellement pour obtenir de meilleures performances globales. [0044] In order to have an accurate evaluation of the torque and to consider the final effect of the rotor during the optimization process, the radial induction field on the planes of the upper and lower layers is extracted by the EMF electromotive force. Therefore, each layer winding is individually optimized to achieve better overall performance.

[0045] En plaçant la bobine sur l'axe interpolaire (axial), on obtient le couple maximum. Ainsi, en supposant que les courants sont sinusoïdaux, la constante de couple KT' pour une bobine peut être évaluée en coordonnées cylindriques par où Bδrest le champ d'induction radiale. De même, la résistance R' d'une bobine est calculée par intégration le long du fil en tenant compte des variations possibles de la section transversale. By placing the coil on the interpolar axis (axial), the maximum torque is obtained. Thus, assuming that the currents are sinusoidal, the torque constant KT' for a coil can be evaluated in cylindrical coordinates by where Bδ is the radial induction field. Similarly, the resistance R' of a coil is calculated by integration along the wire taking into account the possible variations of the cross section.

[0046] Cela débouche sur: où ρcest la résistivité de la bobine et w et h sont respectivement la largeur et l'épaisseur du fil. La constante de couple KT<'>dépend du champ d'induction à l'entrefer, qui dépend de l'aimant et du circuit magnétique, mais aussi du trajet de la bobine. La résistance de la bobine R' dépend uniquement du matériau, de la longueur et de la section de la bobine. Par conséquent, la constante du moteur est un choix très approprié pour l'optimisation de l'enroulement. [0046] This leads to: where ρ is the resistivity of the coil and w and h are respectively the width and the thickness of the wire. The torque constant KT<'> depends on the induction field at the air gap, which depends on the magnet and the magnetic circuit, but also on the path of the coil. The resistance of the coil R' depends only on the material, the length and the section of the coil. Therefore, the motor constant is a very suitable choice for winding optimization.

[0047] Au lieu d'optimiser chaque spire de la bobine, seule la spire la plus extérieur est considéré comme une variable. Il en résulte une diminution du nombre de variables d'optimisation, une réduction de la complexité des contraintes entre les fils (par exemple, pas de chevauchement) et un temps de calcul plus court. [0047] Instead of optimizing each turn of the coil, only the outermost turn is considered as a variable. This results in a decrease in the number of optimization variables, a reduction in the complexity of the constraints between threads (eg no overlap) and a shorter computation time.

[0048] Comme nous l'avons déjà indiqué, un problème avec les enroulements enchevêtrés à 2 couches avec une largeur de fil constante est qu'ils ne peuvent pas toujours remplir tout l'espace disponible dans le sens de la largeur ; il reste un espace entre les coins intérieurs des bobines successives. [0048] As already indicated, a problem with 2-layer entangled windings with a constant wire width is that they cannot always fill all the available space in the width direction; there remains a space between the inner corners of successive coils.

[0049] Afin de résoudre ou d'atténuer ce problème, un enroulement est donc généré avec une largeur de fil non constante pour remplir l'espace disponible. [0049] In order to solve or attenuate this problem, a winding is therefore generated with a non-constant wire width to fill the available space.

[0050] Le résultat peut être vu sur la figure 3. L'augmentation de la largeur du fil a diminué la résistance de la bobine de 7,6% par rapport à un enroulement généré avec un fil ayant une largeur constante, mais la constante de couple d'une bobine a également légèrement diminué. Ceci s'explique par le fait que les bobines occupent un espace supplémentaire où le champ d'induction radial est plus faible, en particulier aux terminaisons d'enroulement (coins extérieurs). Enfin, la constante du moteur est augmentée de 2,6% par rapport à un moteur similaire optimisé avec un fil de largeur constante. The result can be seen in Figure 3. Increasing the wire width decreased the coil resistance by 7.6% compared to a winding generated with a wire having a constant width, but the constant torque from a spool has also decreased slightly. This is because the coils take up extra space where the radial induction field is weaker, especially at the winding terminations (outer corners). Finally, the motor constant is increased by 2.6% compared to a similar motor optimized with a wire of constant width.

[0051] Comme nous l'avons déjà mentionné, les terminaisons d'enroulement ne produisent pratiquement aucun couple utile (le champ d'induction radial est très faible à leur emplacement) alors qu'elles augmentent la résistance de la bobine. Ainsi, selon un aspect de l'invention, la largeur des terminaisons d'enroulement est réduite dans la direction axiale. [0051] As already mentioned, the winding terminations produce practically no useful torque (the radial induction field is very weak at their location) while they increase the resistance of the coil. Thus, according to one aspect of the invention, the width of the winding terminations is reduced in the axial direction.

[0052] Cette réduction d'épaisseur permet de réduire la longueur des terminaisons d'enroulement. Puisque terminaisons d'enroulement sont raccourcies, le gain sur la longueur axiale est rapporté pour étendre la partie centrale de la bobine. On obtient ainsi l'enroulement non trivial en forme d'octogone de la figure 4a, 4B, comprenant une portion axiale droite 45 entre les deux côtés latéraux 43. This reduction in thickness makes it possible to reduce the length of the winding terminations. Since winding terminations are shortened, the gain on axial length is reported to extend the center portion of the coil. The octagon-shaped non-trivial winding of FIG. 4a, 4B is thus obtained, comprising a straight axial portion 45 between the two lateral sides 43.

[0053] La résistance d'une bobine est augmentée mais, d'autre part, la constante de couple d'une bobine est augmentée de manière encore plus significative. Quant à la constante du moteur, l'augmentation atteint un tiers. Cela montre qu'en raccourcissant les terminaisons d'enroulement, on augmente également le facteur de remplissage à l'emplacement des terminaisons d'enroulement. [0053] The resistance of a coil is increased but, on the other hand, the torque constant of a coil is increased even more significantly. As for the motor constant, the increase reaches a third. This shows that by shortening the winding terminations, one also increases the fill factor at the location of the winding terminations.

[0054] La forme des bobines et/ou la forme du fil peuvent varier dans les 3 dimensions ; à la fois la largeur et l'épaisseur des bobines peuvent varier en même temps. The shape of the coils and/or the shape of the wire can vary in the 3 dimensions; both the width and the thickness of the coils can vary at the same time.

[0055] L'épaisseur du fil des terminaisons d'enroulement peut être augmentée pour compenser la réduction de sa largeur. Par exemple, l'épaisseur du fil aux coins extérieurs (terminaisons d'enroulement) a été doublée par rapport à l'épaisseur aux coins intérieurs. Par conséquent, la constante de couple reste la même mais la résistance diminue, ce qui augmente encore plus la constante du moteur. [0055] The thickness of the wire of the winding terminations can be increased to compensate for the reduction in its width. For example, the thickness of the wire at the outside corners (wrap terminations) has been doubled compared to the thickness at the inside corners. Therefore, the torque constant remains the same but the resistance decreases, which increases the motor constant even more.

[0056] La figure 5 montre une portion d'une bobine 40, y compris une section transversale 44. La bobine comprend une pluralité de spires du fil 400. La largeur de la bobine est indiquée par la lettre de référence a tandis que l'épaisseur de la bobine est indiquée par la lettre de référence b. [0056] Figure 5 shows a portion of a coil 40, including a cross section 44. The coil includes a plurality of turns of wire 400. The width of the coil is indicated by the reference letter a while the Coil thickness is indicated by the reference letter b.

[0057] La surface, et/ou la forme de la section transversale 44 varie entre les coins intérieurs 42 et les coins extérieurs 41 de la bobine. Cette variation peut être obtenue de différentes manières. Dans un exemple, cette variation est obtenue en faisant varier la surface, et/ou la forme de la section transversale 403 du fil 400 (figure 6) entre les coins intérieurs et les coins extérieurs. Dans un autre exemple, cette variation est obtenue par une disposition différente des différentes portions du fil aux coins intérieurs et aux coins extérieurs ; par exemple, la section transversale 44 peut être obtenue avec une matrice de portions de fil ayant un nombre différent de rangées et de colonnes aux coins intérieurs par rapport aux coins extérieurs, le nombre de portions restant le même. Il est également possible de varier à la fois la surface et/ou la forme de la section transversale des différentes portions du fil, ainsi que leur disposition entre les coins extérieurs et intérieurs. The surface, and / or the shape of the cross section 44 varies between the inner corners 42 and the outer corners 41 of the coil. This variation can be achieved in different ways. In one example, this variation is obtained by varying the surface, and/or the shape of the cross section 403 of the wire 400 (FIG. 6) between the interior corners and the exterior corners. In another example, this variation is obtained by a different arrangement of the different portions of the yarn at the inside corners and at the outside corners; for example, the cross section 44 can be obtained with a matrix of wire portions having a different number of rows and columns at the interior corners compared to the exterior corners, the number of portions remaining the same. It is also possible to vary both the surface and/or the shape of the cross section of the different portions of the yarn, as well as their arrangement between the outer and inner corners.

[0058] Les fils à section non constante peuvent être fabriqués par extrusion d'un fil métallique à vitesse variable et/ou par des méthodes de fabrication additive. [0058] Wires with a non-constant section can be manufactured by extrusion of a metal wire at variable speed and/or by additive manufacturing methods.

[0059] Des enroulements améliorés avec des bobines et/ou des fils de largeur et d'épaisseur variables peuvent également être utilisés dans les parties fendues des machines électriques. [0059] Improved windings with coils and/or wires of varying width and thickness can also be used in the split parts of electrical machines.

[0060] Les enroulements concentrés sont définis comme des enroulements autour de pôles saillants ou des enroulements dont les côtés de la bobine n'occupent qu'une fente 60 par pôle. Ils peuvent être placés à la fois sur le stator 6 et le rotor. La figure 7 montre la différence entre une section constante et une section non constante d'un enroulement concentré autour d'une dent 61. Dans les deux cas, la section de la bobine 40 est identique et constante (largeur A et épaisseur D) dans les fentes du stator 60. Les terminaisons d'enroulement 41 sont déportés de la surface du stator d'une longueur de C. Un seul côté des terminaisons d'enroulement et seulement la dimension extérieure d'une seule bobine 40 sont représentés. Concentrated windings are defined as windings around salient poles or windings whose sides of the coil occupy only one slot 60 per pole. They can be placed on both the stator 6 and the rotor. Figure 7 shows the difference between a constant section and a non-constant section of a winding concentrated around a tooth 61. In both cases, the section of the coil 40 is identical and constant (width A and thickness D) in the slots of the stator 60. The winding terminations 41 are offset from the surface of the stator by a length of C. Only one side of the winding terminations and only the outer dimension of a single coil 40 are shown.

[0061] Dans la figure 7a, la section des terminaisons d'enroulement de 41 reste inchangée. Mais dans le cas de la figure 7b, la surface de la section transversale, ou leur forme, change aux terminaisons des enroulements 41. La largeur devient B avec B<A et l'épaisseur devient E avec E>D. Par conséquent, soit la longueur axiale du stator peut être augmentée, ce qui permet d'obtenir un meilleur couple ou une force contre-électromotrice constante ; soit le décalage des terminaisons d'enroulement C peut être réduit, réduisant la résistance de la bobine et augmentant la densité de puissance (le volume de la machine diminue). Les considérations précédentes s'appliquent également aux rotors à fente. In Figure 7a, the section of the winding terminations of 41 remains unchanged. But in the case of Figure 7b, the cross-sectional area, or shape, changes at the ends of the windings 41. The width becomes B with B<A and the thickness becomes E with E>D. Consequently, either the axial length of the stator can be increased, which makes it possible to obtain a better torque or a constant back EMF; or the offset of the C winding terminations can be reduced, reducing the coil resistance and increasing the power density (the volume of the machine decreases). The above considerations also apply to slotted rotors.

[0062] Dans le cas où il n'est pas possible d'augmenter l'épaisseur de la bobine à l'emplacement des terminaisons d'enroulement, on peut également envisager de changer uniquement la largeur de la bobine. D'une part, la résistance de la bobine augmenterait mais, d'autre part, le couple ou la constante de la force contre-électromotrice augmenterait. In the case where it is not possible to increase the thickness of the coil at the location of the winding terminations, it is also possible to envisage changing only the width of the coil. On the one hand, the resistance of the coil would increase but, on the other hand, the torque or back EMF constant would increase.

[0063] Des enroulements améliorés avec des bobines et/ou des fils de largeur et d'épaisseur variables peuvent également être utilisés dans les moteurs linéaires ou les générateurs. [0063] Improved windings with coils and/or wires of varying width and thickness can also be used in linear motors or generators.

Claims (10)

1. Machine électrique rotative (1) comprenant un rotor (2) et un stator (4, 6) séparés par un entrefer (3); ledit stator (4, 6) comprenant un enroulement (4) avec une pluralité de bobines (40), chaque bobine comprenant au moins un fil (400) électriquement conducteur, dans laquelle au moins l'une desdites bobines (40) a une section transversale avec une épaisseur (b) mesurée radialement du côté intérieur (401) de la bobine au côté extérieur (402) de la bobine, et une largeur (a) mesurée sensiblement perpendiculaire à la longueur du fil et sensiblement parallèle au côté extérieur (402) de la bobine (40), dans laquelle ladite épaisseur (b) est variable le long de la bobine et dans laquelle ladite largeur (a) est variable le long de la bobine.1. Rotary electrical machine (1) comprising a rotor (2) and a stator (4, 6) separated by an air gap (3); said stator (4, 6) comprising a winding (4) with a plurality of coils (40), each coil comprising at least one electrically conductive wire (400), wherein at least one of said coils (40) has a cross-section with a thickness (b) measured radially from the inner side (401) of the coil to the outer side (402) of the coil, and a width (a) measured substantially perpendicular to the length of the wire and substantially parallel to the outer side (402) of the coil (40), wherein said thickness (b) is variable along the coil and wherein said width (a) is variable along the coil. 2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle la section transversale (403) du fil (400) de chaque bobine (40) varie le long de la longueur dudit fil.2. Machine according to claim 1, in which the cross-section (403) of the wire (400) of each reel (40) varies along the length of said wire. 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la surface de la section transversale (44) de ladite bobine est sensiblement constante.3. A machine according to claim 1 or 2, wherein the cross-sectional area (44) of said coil is substantially constant. 4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle ledit enroulement (4) comprend deux cotés latéraux (43), dans laquelle chaque bobine (40) à une forme correspondant sensiblement à la projection d'un polygone contre un cylindre, dans laquelle ladite forme comprend deux coins extérieurs (41), comprenant un coin extérieur à chacun des côtés latéraux (43) dudit stator, et deux coins intérieurs (42) entre lesdits côtés latéraux, et dans laquelle l'épaisseur (b) de ladite bobine (40) est égale ou plus élevée aux coins extérieurs (41) qu'aux coins intérieurs (42).4. Machine according to one of claims 1 to 3, wherein said winding (4) comprises two lateral sides (43), wherein each coil (40) has a shape corresponding substantially to the projection of a polygon against a cylinder, wherein said shape comprises two outer corners (41), including an outer corner at each of the side sides (43) of said stator, and two inner corners (42) between said side sides, and wherein the thickness (b) of said coil (40) is equal to or greater at the outer corners (41) than at the inner corners (42). 5. Machine selon la revendication 4, dans laquelle la largeur (a) de ladite bobine aux coins extérieurs (41) est inférieure à la largeur de ladite bobine aux coins intérieurs (42).5. Machine according to claim 4, in which the width (a) of the said coil at the outer corners (41) is less than the width of the said coil at the inner corners (42). 6. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle lesdites bobines (40) se chevauchent d'une manière imbriquée, afin de former un cylindre creux.6. Machine according to one of claims 1 to 5, wherein said coils (40) overlap in a nested manner, to form a hollow cylinder. 7. Machine selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle le fil (400) de chaque bobine (40) a une section rectangulaire.7. Machine according to one of claims 1 to 6, wherein the wire (400) of each coil (40) has a rectangular section. 8. Machine selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle la largeur (c) et/ou l'épaisseur et/ou la forme de la section transversale du fil (400) de chaque bobine (40) varie sur la longueur dudit fil.8. Machine according to one of claims 1 to 7, wherein the width (c) and / or the thickness and / or the shape of the cross section of the wire (400) of each coil (40) varies along the length of said wire. 9. Machine selon la revendication 8, dans laquelle la surface de la section transversale du fil (400) de chaque bobine est sensiblement constante sur la longueur dudit fil.9. A machine according to claim 8, wherein the cross-sectional area of the wire (400) of each coil is substantially constant along the length of said wire. 10. Méthode de fabrication du fil (400) d'une bobine (40) ou de chaque bobine de la machine selon l'une des revendications 1 à 9, par impression 3D.10. Method of manufacturing the wire (400) of a coil (40) or of each coil of the machine according to one of claims 1 to 9, by 3D printing.