FR2968481A1 - Machine tournante electromagnetique a concentration de flux tridimensionnelle. - Google Patents
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Abstract
Machine tournante (30) à courant alternatif comprenant un stator (32) et un rotor (31) formant entre eux un entrefer (13), ledit rotor étant monté rotatif autour d'un axe (X) relativement au stator, le stator et/ou le rotor comprenant une culasse magnétique (32') portant au moins une bobine (17) électrique dont les spires s'étendent au moins axialement, caractérisée en ce que la culasse magnétique (32') présente une section variable (24,25) dans un plan axial de ladite machine tournante (20).
Description
10 La présente invention concerne une machine tournante à courant alternatif comportant au moins un stator et un rotor de même axe et définissant entre eux un entrefer, ce stator et ce rotor étant logés dans une carcasse, le stator et/ou le rotor comportant au moins une culasse magnétique portant au moins une bobine électrique dont les spires s'étendent axialement, ces spires étant logées 15 dans des encoches prévues dans ladite culasse en regard dudit entrefer, ladite bobine définissant au moins deux pôles.
On connaît bien ce type de machine tournante à courant alternatif pouvant constituer par exemple un moteur synchrone, asynchrone ou à réluctance 20 variable. Ces moteurs comportent en général un stator cylindrique bobiné et un rotor cylindrique. De manière connue, le stator comporte en périphérie intérieure des dents définissant entre elles des encoches ouvertes pour recevoir les spires de la ou des bobines. La partie du stator comprise entre le fond des encoches et son périmètre extérieur définissant la culasse magnétique présente 25 généralement une section constante, dans le plan axial, à l'exception de quelques entailles extérieures qui servent notamment à l'assemblage du moteur.
Il est rappelé que le couple fourni par un moteur est proportionnel au volume 30 du cylindre formé par son entrefer. Par conséquent, on peut considérer que la forme des pièces magnétiques qui ramènent le flux magnétique vers l'entrefer 1 est indifférente ainsi que le trajet du flux à l'intérieur de ces pièces. Lorsque le flux magnétique tourne et si la culasse du stator est cylindrique alors le flux tourne de façon régulière.
Mais si des méplats ou des encoches sont pratiqués dans la culasse du stator alors le flux ne peut plus passer par ces étranglements, ce qui l'oblige à faire marche arrière si la place est libre créant dans ces étranglements une concentration du flux.
fo Les machines tournantes actuelles à courant alternatif ayant une forme générale cylindrique sont de manière connue logées dans une carcasse de forme générale parallélépipédique. Les dimensions intérieures de cette carcasse sont déterminées en fonction du diamètre extérieur de la machine. Dans les différentes applications de ce type de machines tournantes, on 15 cherche à réduire l'encombrement de ces machines tout en conservant des performances optimales en termes de couple et de rendement et en assurant une bonne évacuation des calories générées par la machine tournante. La configuration actuelle des machines tournantes ne permet pas d'atteindre cet objectif sans réduire les performances de ces machines. 20 La présente invention vise à apporter une solution à ce problème en proposant un nouveau type de machine tournante à courant alternatif permettant de réduire les dimensions extérieures du stator et de ce fait l'encombrement général de la machine sans modifier ses performances et ni son 25 refroidissement. Certaines variantes de réalisation de ce nouveau type de machine tournante présentent en plus l'avantage de pouvoir être recyclées facilement.
Selon l'invention une telle machine tournante à courant alternatif est 30 caractérisée en ce que la culasse magnétique présente une section variable dans un plan axial de ladite machine, cette section variable comportant des zones de moindre épaisseur agencées pour créer une concentration du flux magnétique dans ladite culasse.
La machine tournante comprend un stator et un rotor formant entre eux un entrefer, ledit rotor étant monté rotatif autour d'un axe relativement au stator, le stator et/ou le rotor comprenant une culasse magnétique portant au moins une bobine électrique dont les spires s'étendent au moins axialement, caractérisée en ce que la culasse magnétique présente une section variable dans un plan axial de ladite machine tournante. Dans mode de réalisation préféré, c'est le stator qui comprend la culasse à section variable, le stator étant disposé autour du rotor.
La culasse forme avantageusement, à chacune de ses extrémités axiales, un dégagement pour recevoir une tête respective de la bobine, la longueur axiale de ladite bobine étant de préférence au plus égale à celle de l'entrefer. La culasse peut comprendre, entre les extrémités, une partie centrale sensiblement cylindrique, et les extrémités présenter une forme sensiblement tronconique dont l'épaisseur va décroissante en s'éloignant de la partie centrale, le diamètre intérieur desdites extrémités étant sensiblement constant et égal à celui de ladite partie centrale.
La culasse peut être réalisée à partir de tôles ferromagnétiques découpées et empilées selon l'axe.
La culasse peut aussi être réalisée à partir d'un matériau ferromagnétique transformé au moyen d'au moins l'une des techniques choisie dans le groupe comprenant au moins le moulage, le pressage, le frittage, l'injection. Le matériau ferromagnétique est avantageusement une poudre métallique magnétique constituée de particules de fer électriquement isolées.30 -4 La culasse à section variable peut être réalisée en une seule pièce. Elle peut aussi être réalisée en plusieurs éléments assemblés entre eux, les éléments étant identiques entre eux et chacun formant un secteur transversal du stator. Le stator peut comprendre un nombre d'éléments égal au nombre d'encoches de ladite culasse à section variable. Les éléments comprennent avantageusement des formes complémentaires agencées pour permettre un positionnement automatique des éléments entre eux.
Les encoches peuvent s'étendre parallèlement à l'axe ou s'étendre suivant une 10 hélice autour de l'axe.
La culasse peut comprendre des ailettes de refroidissement s'étendant vers l'extérieur depuis la périphérie de ladite culasse. La machine peut en outre comprendre une carcasse, le rotor et le stator formant un ensemble monté à 15 l'intérieur de ladite carcasse, la carcasse et l'ensemble formant entre eux un jeu pour le passage d'un fluide de refroidissement.
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux en référence aux modes d'exécution qui seront décrits ci-après, à titre d'exemples non 20 limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue schématique d'une machine selon l'art antérieur, en coupe suivant un plan radial ;
25 - La figure 2 est une demi-coupe schématique d'un mode de réalisation pour une machine selon l'invention ;
La figure 3 est une vue en perspective d'un stator pour la machine de la figure 2 ; 30 La figure 4 est une vue axiale d'un élément constitutif du stator de la figure 3, selon la direction IV de la figure 5 ;
La figure 5 est une vue radiale de l'élément de la figure 4, de la direction V de la figure 4 ;
La figure 6 est une vue identique à celle de la figure 1 à laquelle a été ajouté un tracé des flux magnétiques à un instant donné ; et La figure 7 est une représentation schématique et en perspective d'une machine de l'art antérieure similaire à celle de la figure 1, mais comportant un nombre d'encoches réduit, afin d'en faciliter la compréhension.
La figure 1 illustre une machine tournante 10 à courant alternatif appartenant à l'art antérieur. Telle qu'illustrée, cette machine correspond à un moteur asynchrone, tétra-polaire, constitué d'un rotor 11 cylindrique à cage entouré d'un stator 12 cylindrique bobiné, l'entrefer 13 entre ce rotor 11 et ce stator 12 étant constant. On aurait également pu prendre comme exemple un moteur synchrone ou à réluctance variable.
Le rotor 11 est mobile en rotation autour d'un axe X. Le stator 12 comporte en périphérie intérieure des dents 14 délimitant entre-elles des encoches 15 agencées pour recevoir les conducteurs 16 d'une bobine 17 électrique enroulés en forme de spires. Dans l'exemple illustré, ces encoches 15 peuvent s'étendre parallèlement à l'axe de la machine ou suivant une hélice centrée sur l'axe de la machine. Aux figures 1 et 6, trois différentes phases sont respectivement repérées par les références Pl, P2 et P3. Chaque phase P1-P3 correspond à une bobine 17 respective. Les conducteurs 16 de chaque bobine 17 sont symbolisés par des cercles avec un point lorsqu'ils sont parcourus par un courant II-I3 qui semble sortir de la figure, en direction du lecteur et avec une croix lorsqu'ils sont parcourus par un courant I1-I3 qui semble entrer dans la figure, en s'éloignant du lecteur.
Dans cette configuration, et comme illustré en partie droite de la figure 2, le stator 12 de l'art antérieur peut être assimilé à un anneau cylindrique, sa culasse 12' présentant une section radiale 24' constante à l'exception de quelques entailles 18 en périphérie extérieure qui sont utilisées pour l'assemblage de la machine 10.
1 o La figure 6 illustre les flux magnétiques issus de la configuration décrite à la figure 1, avec les sens de courants indiqués, à un instant donné. Dans l'exemple illustré à la figure 1, le stator 12 est tétra-polaire, c'est-à-dire qu'il forme quatre pôles, deux pôles nord N et deux pôles sud S, créés par deux bobines 17. L'alimentation des bobines 17 en courant alternatif variable dans 15 le temps et la topologie de ces bobines 17 font que les flux tournent dans le temps afin de créer les conditions de synchronisme spatio-temporel propices à la création d'un couple moteur.
La figure 7 présente dans une vue en perspective les éléments de la figure 1, 20 pour une machine élémentaire ne comportant qu'un seul conducteur par pôle et par phase. Dans cet exemple, les encoches sont parallèles à l'axe X. Les intensités I1, I2 et I3 circulant dans chacune des bobines 17 sont représentées.
On va maintenant décrire une machine 30 selon l'invention, notamment en 25 référence aux figures 2 et 5, en ce qu'elles diffèrent des machines de l'art antérieur.
La réalisation de la machine tournante 30 selon l'invention et en référence aux figures 2 à 5 se différencie de l'état de l'art par le fait qu'elle comprend un 30 stator 32 ayant une section variable dans un plan axial de la machine 30.
La figure 2 montre une demi-coupe axiale de la machine tournante 30. La machine 30 comprend un rotor 31 de forme générale cylindrique est représenté par un rectangle. Le stator 32 annulaire est disposé autour du rotor 31; il est représenté par un trapèze surmonté d'un rectangle, la plus grande base du trapèze étant située du côté du rotor 31 et sensiblement égale à la longueur du rotor, et la longueur du rectangle étant sensiblement égale à la petite base du trapèze.
D'autres formes peuvent également être envisagées, les côtés du trapèze pouvant être plus ou moins concaves ou convexes et de même pour les côtés du rectangle. L'ensemble 31,32 formé par le rotor 31 et le stator 32 est monté dans une carasse 36.
La section axiale du stator 32 est donc variable selon que l'on se situe à une extrémité 32 E, moins épaisses, ou dans la partie centrale 32C du stator 32, plus épaisse et d'épaisseur sensiblement constante. L'épaisseur des extrémités diminue à mesure où on s'éloigne de la partie centrale. Cette variation de section favorise la concentration du flux magnétique dans les zones de moindre épaisseur sans modifier l'entrefer 13 et les caractéristiques de la machine tournante 30, par rapport à une machine 10 de l'état de l'art de même volume rotorique.
La partie trapézoïdale du stator 32 définit des troncs de cône 33 aux extrémités 32E du stator 32. Les dents 34 et les encoches 35 prévues pour recevoir les bobines 17 sont formées dans les troncs de cône 33, aux extrémités 32E. Ces encoches 35 peuvent s'étendre parallèlement à l'axe de la machine ou suivant une hélice centrée sur l'axe X de la machine. Le stator 32 définit, entre ces troncs de cône 33 et la carcasse 36 de la machine 30, des dégagements 37 dans lesquelles peuvent se loger les têtes 38 des bobines 17. Ainsi, ces têtes de bobines 38 ne débordent plus au-delà du rotor 31 et l'encombrement axial de la machine 30 est réduit. La longueur du stator 32 au niveau de l'entrefer 13 n'est -8 pas modifiée. C'est la longueur de la culasse statorique 32', limité axialement entre les encoches 35, c'est à dire entre les troncs de cônes 33, qui est nettement réduite. Le volume de l'entrefer 13 n'étant pas modifié, la puissance de la machine ne sera pas modifiée. Les têtes 38 de bobines étant logées dans le volume du stator 32, les spires des bobines 17 sont plus courtes et le besoin en fil est réduit par rapport à un bobinage classique.
10 Ce stator 32 peut être réalisé selon différentes techniques. Dans l'exemple illustré aux figures 3, 4 et 5, le stator 32 est formé par l'assemblage d'éléments unitaires 40. Le stator comprend autant d'éléments 40 identiques que d'encoches 35 ou de dents 34. Un des éléments 40 est représenté aux figures 4 et 5 respectivement en vue axiale et en vue radiale. Comme particulièrement 15 illustré à la figure 5, chaque élément 40 forme un secteur angulaire A32 du stator 32. Chaque élément comprend une dent 34 et une encoche 35. La dent 35 est terminée à son extrémité libre par deux petits becs 41 tangentiellement opposés. De préférence les becs ont une extrémité amincie, sensiblement pointue ou arrondie. Ces becs 41 permettent de fermer plus ou moins les 20 encoches 35 pour que l'entrefer 13 soit le plus continu possible et pour limiter ainsi les pertes par flux différentiel. Chaque bec forme une nervure respective qui se prolonge sur la longueur axiale de la dent.
Chaque élément 40 comprend une nervure 42 sur une de ses faces latérales et 25 une rainure 43 sur une face latérale opposée. La nervure et la rainure ont des formes complémentaires entre elles, de sorte que lors de l'assemblage du stator 32, la nervure d'un élément 40 vient en prise avec la rainure d'un élément 40 immédiatement voisin. Ainsi, par leur emboîtement mutuel, elles garantissent un positionnement automatique, radial et axial des éléments entre eux. Dans 30 l'exemple illustré, rainure et nervure on une forme transversale en forme de V. Bien entendu d'autres formes complémentaires peuvent être envisagées.5 Les éléments 40 comportent également un épaulement 44 aux extrémités de leur face extérieure. Quand les éléments unitaires 40 sont assemblés, comme illustré à la figure 3, ces épaulements 44 forment deux rainures périphériques 45 dans lesquelles sont placés deux anneaux de serrage, ou frettes, garantissant le maintien de l'ensemble.
Les éléments 40 peuvent être réalisés à partir d'un matériau ferromagnétique transformé au moyen d'au moins l'une des techniques choisie dans le groupe comprenant au moins le moulage, le pressage, le frittage, l'injection. Par exemple, le matériau ferromagnétique peut être constitué d'une poudre métallique magnétique formée de particules de fer électriquement isolées et assemblées par presse dans un moule. Cette technique est particulièrement bien adaptée à la réalisation des éléments unitaires 40 puisqu'il s'agit d'éléments de petite taille, donc faciles à presser, et que cette technique permet d'obtenir une excellente qualité dimensionnelle donc une excellente précision.
Avec cette configuration de stator 32, les bobines 17 peuvent être préparées sur un mandrin en atelier, formées, pressées et imprégnées afin d'augmenter la densité de fil. Les bobines 17 sont ensuite retirées du mandrin phis les éléments unitaires 40 du stator 32 sont assemblés autour de ces bobines 17. Lors de cet assemblage, les spires des bobines 17 sont compressées assurant un meilleur maintien. Les encoches 35 sont ainsi mieux remplies.
L'avantage de cette réalisation réside dans sa simplicité de montage et de démontage permettant ainsi le recyclage de ses différents composants.
Un autre avantage est de pouvoir changer un des éléments unitaires 40 du stator 32 en cas de défaillance, notamment si une dent 34 se brise. 2968481 -10- De préférence, le rapport entre la plus grande largeur L1 d'une encoche 35 et sa profondeur L2, représentées à la figure 5, est tel que L2/L 1 est inférieur ou égal à cinq, et/ou, le rapport entre la grande base B1 et la petite base B2 du trapèze formé par chaque élément 40, représentées à la figure 4, est tel que 5 B1B2 est compris entre 0,5 et 1; encore plus préférentiellement, tel que B1/B2 compris entre 0,7 et 0,9.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du 10 métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées.
Ainsi, le rotor peut être synchrone, asynchrone, à aimants permanents, bobiné ou à cage. Le stator peut être massif, ce qui est particulièrement avantageux 15 pour les moteurs rapides; il peut aussi être réalisé en plusieurs segments empilés axialement.
Le nombre de pôle n'est pas non plus limité à quatre, comme dans l'exemple décrit. Il peut en comprendre un nombre quelconque. 20 Le stator peut aussi être massif ou être réalisé en plusieurs segments empilés axialement. Aussi, un même élément peut comprendre plusieurs dents et plusieurs encoches. Un même élément peut être réalisé en plusieurs morceaux identiques, complémentaires ou différents, ajusté axialement par des moyens 25 de serrage adapté. Les moyens de serrage sont de préférence retirés une fois achevée l'imprégnation du bobinage mis en place dans le stator.
Les épaulements peuvent être situés à un autre endroit du stator, formant une rainure de forme circulaire. 30 5 Si, dans l'exemple décrit, le rotor est disposé autour du stator, un autre mode de réalisation de l'invention peut prévoir qu'au contraire ce soit le rotor qui entoure le stator. Notamment dans ce cas, les dispositions précédemment décrites en référence au stator peuvent aussi être appliquées au rotor.
Les moyens de concentration axiale du flux décrits dans la présente demande, peuvent avantageusement être complétés par des moyens de concentration radiale du flux.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Machine tournante (30) à courant alternatif comprenant un stator (32) et un rotor (31) formant entre eux un entrefer (13), ledit rotor étant monté rotatif autour d'un axe (X) relativement au stator, le stator et/ou le rotor comprenant une culasse magnétique (32» portant au moins une bobine (17) électrique dont les spires s'étendent au moins axialement, caractérisée en ce que la culasse magnétique (32') présente une section variable (24,25) dans un plan axial de ladite machine tournante (20).
- 2. Machine tournante (30) selon la revendication 1, caractérisée en ce que c'est le stator (32) qui comprend la culasse (32') à section variable et en ce que le stator (22) est disposé autour du rotor (31).
- 3. Machine tournante (30) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la culasse (32') forme à chacune de ses extrémités axiales (32E) un dégagement (37) pour recevoir une tête respective de la bobine (17), la longueur axiale de ladite bobine étant de préférence au plus égale à celle de l'entrefer (13).
- 4. Machine tournante (30) selon la revendication 3, caractérisée en ce que la culasse (32') comprend, entre les extrémités (32E), une partie centrale (32C) sensiblement cylindrique, et en ce que les extrémités (32E) présentent une forme sensiblement tronconique (33) dont l'épaisseur va décroissante en s'éloignant de la partie centrale (32C), le diamètre intérieur desdites extrémités étant sensiblement constant et égal à celui de ladite partie centrale. 2968481 -13-
- 5. Machine tournante (30) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la culasse (32') est réalisée à partir de tôles ferromagnétiques découpées et empilées selon l'axe (X). 5
- 6. Machine tournante (30) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la culasse (32') est réalisée à partir d'un matériau ferromagnétique transformé au moyen d'au moins l'une des techniques choisie dans le groupe comprenant au moins le moulage, le pressage, le frittage, l'injection. 10
- 7. Machine tournante (30) selon la revendication 6, caractérisée en ce que le matériau ferromagnétique est une poudre métallique magnétique constituée de particules de fer électriquement isolées. 15
- 8. Machine tournante (30) selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que ladite culasse à section variable (32') est réalisée en une seule pièce.
- 9. Machine tournante (30) selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce 20 que ladite culasse à section variable (32') est réalisée en plusieurs éléments (40) assemblés entre eux, les éléments (40) étant identiques entre eux et chacun formant un secteur transversal (A32) du stator (32).
- 10. Machine tournante (30) selon la revendication 9, caractérisée en ce que 25 le stator comprend un nombre d'éléments (40) égal au nombre d'encoches (35) de ladite culasse à section variable (32').
- 11. Machine tournante (30) selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que les éléments (40) comprennent des formes complémentaires (42, 43) agencées pour permettre un positionnement automatique desdits éléments entre eux.-14-
- 12. Machine tournante (30) selon l'une des revendications 2 à 1 1, caractérisée en ce que les encoches (35) s'étendent parallèlement à l' axe (X).
- 13.Machine tournante (30) selon l'une des revendications 2 à 11, caractérisée en ce que les encoches (35) s'étendent suivant une hélice autour de l'axe (X). 10
- 14. Machine tournante (30) selon l'une des revendications 2 à 13, caractérisée en ce que la culasse (32') comprend des ailettes de refroidissement s'étendant vers l'extérieur depuis la périphérie de ladite culasse.
- 1515.Machine tournante (30) selon l'une des revendications 2 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une carcasse (36), le rotor et le stator formant un ensemble (31,32) monté à l'intérieur de ladite carcasse, ladite carcasse (36) et ledit ensemble (31,22) formant entre eux un jeu (J) pour le passage d'un fluide de refroidissement. 20
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