FR3052001A1 - Machine electrique tournante a configuration amelioree - Google Patents

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Abstract

L'invention porte principalement sur une machine électrique tournante (10) comportant un rotor à griffes (12) et un stator (16) entourant ledit rotor à griffes (12) avec présence d'un entrefer (14) entre une périphérie interne dudit stator (16) et une périphérie externe dudit rotor à griffes (12), ledit stator (16) comportant au moins un bobinage polyphasé et un corps (43) muni d'une pluralité d'encoches (48) délimitées chacune par deux dents (44) successives, caractérisée en ce que pour une machine électrique tournante (10) comportant p paires de pôles, ledit rotor à griffes (12) comporte 2p griffes (29) et ledit stator (16) comporte 3p dents (44).

Description

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À CONFIGURATION AMÉLIORÉE
La présente invention porte sur une machine électrique tournante à configuration améliorée. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des alternateurs pour véhicules automobiles. Un tel alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible.
Un alternateur réversible, appelé alterno-démarreur, permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule.
De façon connue en soi, un alternateur comporte un carter et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes, solidaire en rotation d'un arbre, et un stator qui entoure le rotor avec présence d'un entrefer.
Le rotor comporte deux roues polaires présentant chacune un flasque d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes d'orientation axiale. Les griffes des roues polaires sont imbriquées les unes par rapport aux autres. Un noyau cylindrique est intercalé axialement entre les flasques des roues. Ce noyau porte à sa périphérie externe une bobine d'excitation formée autour d'un élément isolant intercalé radialement entre le noyau et la bobine.
Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Ces enroulements traversent les encoches du corps du stator et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage.
Ces enroulements sont des enroulements polyphasés dont les extrémités sont reliées à un module électronique de puissance comportant notamment un pont redresseur. Ce pont redresseur comporte des éléments redresseurs constitués par exemple par des transistors du type MOSFET.
Pour les bobinages classiques, il existe des difficultés de découpe de la tôle et d'insertion du bobinage notamment du fait du grand nombre d'encoches, de la faible taille d’ouverture d’encoche, du faible taux de remplissage, et de la fragilité des outils d’insertion. L’invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant une machine électrique tournante comportant un rotor à griffes et un stator entourant ledit rotor à griffes avec présence d'un entrefer entre une périphérie interne dudit stator et une périphérie externe dudit rotor à griffes, ledit stator comportant au moins un bobinage polyphasé et un corps muni d'une pluralité d'encoches délimitées chacune par deux dents successives, caractérisée en ce que pour une machine électrique tournante comportant p paires de pôles, ledit rotor à griffes comporte 2p griffes et ledit stator comporte 3p dents. L'invention permet ainsi de faciliter la réalisation du bobinage en réduisant le nombre de dents du stator pour un nombre de pôles donné tout en minimisant le bruit magnétique de la machine électrique. L'invention est particulièrement adaptée à la réalisation de petites machines à bas coût plus facile à bobiner.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un bobinage triphasé.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte deux bobinages triphasés indépendants.
Selon une réalisation, le ou les bobinages sont de type concentré et comportent une pluralité de bobines, chaque bobine étant enroulée autour d'une dent correspondante dudit stator.
Selon une réalisation, lesdites bobines de chaque phase sont branchées électriquement en série ou en parallèle.
Selon une réalisation, chaque dent reçoit au moins deux bobines associées chacune à un bobinage distinct.
Selon une réalisation, le ou les bobinages sont de type ondulé.
Selon une réalisation, les phases du ou des bobinages sont couplées en triangle.
Selon une réalisation, les phases du ou des bobinages sont couplées en étoile.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte des moyens de ventilation axiale internes.
Selon une réalisation, ledit stator comporte un profil de dent variable. Cela permet d'optimiser le compromis entre le débit de courant et le bruit de la machine électrique.
Selon une réalisation, ledit entrefer est de 100% dans un axe d'au moins une dent dudit stator, et augmente jusqu’à 250% sur des bords de ladite dent. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un alternateur selon la présente invention;
La figure 2 montre une vue en coupe partielle d'un stator selon la présente invention muni d'un bobinage de type ondulé;
La figure 3 est une vue en perspective partielle du corps du stator utilisé avec un bobinage de type concentré;
Les figures 4a et 4b sont des vues en perspective d'un ensemble bobine/isolant de bobine respectivement avant et après son montage par enfilage sur une dent statorique associée;
La figure 5 est une vue en coupe partielle d'un stator muni d'un bobinage concentré illustrant la forme de l'ouverture entre deux bobines adjacentes autorisant le passage de l'air à l'intérieur de la machine électrique;
La figure 6 est une vue en coupe partielle d'un stator bobiné illustrant une variante de réalisation dans laquelle deux bobines sont implantées sur chaque dent.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
On a représenté sur la figure 1 un alternateur 10 compact et polyphasé, notamment pour véhicule automobile. L'alternateur 10 est apte à transformer de l'énergie mécanique en énergie électrique et pourra être réversible. Un tel alternateur réversible, appelé alterno-démarreur, permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule.
Cet alternateur 10 comporte un carter 11 et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes 12 monté sur un arbre 13, et un stator 16, qui entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer 14 entre la périphérie externe du rotor 12 et la périphérie interne du stator 16. L'axe X suivant lequel s'étend l'arbre 13 forme l'axe de rotation du rotor 12.
Le carter 11 comporte des paliers avant 17 et arrière 18 portant le stator 16. Les paliers 17, 18 sont de forme creuse et portent chacun centralement un roulement à billes pour le montage à rotation de l'arbre 13.
Plus précisément, le rotor 12 comporte deux roues polaires 24, 25 présentant chacune un flasque 28 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes 29 par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes 29 d'une roue 24, 25 sont dirigées axialement vers le flasque 28 de l'autre roue. La griffes 29 d'une roue polaire 24, 25 pénètrent dans un espace d'entredent existant entre deux griffes 29 voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont imbriquées les unes par rapport aux autres.
Un noyau cylindrique 30 est intercalé axialement entre les flasques 28 des roues 24, 25. En l'occurrence, le noyau 30 consiste en deux demi-noyaux appartenant chacun à l'un des flasques 28. Ce noyau 30 porte à sa périphérie externe un bobinage rotorique d'excitation 31. L'arbre 13 pourra être emmanché à force dans l'alésage central des roues polaires 24, 25. Du côté de son extrémité avant, l'arbre 13 pourra comporter une partie filetée pour la fixation d'une poulie 35. La poulie 35 appartient à un dispositif de transmission de mouvements à au moins une courroie entre l'alternateur 10 et le moteur thermique du véhicule automobile.
Le palier arrière 18 porte un porte-balais 38 muni de balais 39 destinés à venir frotter contre des bagues 40 d'un collecteur 41 pour assurer l'alimentation du bobinage du rotor 12. Plus précisément, le porte-balais 38 comporte un boîtier ayant des logements destinés à recevoir chacun un balai.
Par ailleurs, comme cela est montré sur les figures 2, 3, 5 et 6, le stator 16 comporte un corps 43 consistant en un empilement axial de tôles planes. Le corps de stator 43 comporte des dents 44 réparties angulairement de manière régulière sur une périphérie interne d'une culasse 45. Ces dents 44 délimitent des encoches 48, de telle façon que chaque encoche 48 est délimitée par deux dents 44 successives.
Les encoches 48 débouchent axialement dans les faces d'extrémité axiales du corps de stator 43. Les encoches 48 sont également ouvertes radialement vers l'intérieur du corps de stator 43. Le stator 16 pourra être muni de pieds de dent 50 du côté des extrémités libres des dents 44, tel que montré sur les figures 2, 5 et 6. Chaque pied de dent 50 s'étend circonférentiellement de part et d'autre d'une dent 44 correspondante. Les encoches 48 sont de préférence équipées d'isolant d'encoche pour le montage des phases du stator 16.
Dans un bobinage de type ondulé représenté sur la figure 2, chaque phase comporte au moins un enroulement de phase 49 traversant les encoches 48 du corps de stator 43. Cet enroulement de phase 49 forme, avec toutes les phases, un chignon avant 46 et un chignon arrière 47 de part et d'autre du corps de stator 43, comme cela est visible en figure 1. Les enroulements de phase 49 sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées électriquement entre elles par exemple par soudage. Les enroulements de phase 49 sont reliés électriquement à des modules électroniques de puissance via leur sortie de phase.
Ces modules de puissance forment un pont redresseur de tension pour transformer la tension alternative générée par l'alternateur 10 en une tension continue pour alimenter notamment la batterie et le réseau de bord du véhicule. Les modules de puissance pourront également être commandés pour injecter du courant dans les différentes phases de la machine électrique lorsque cette dernière fonctionne en mode moteur.
Pour former le bobinage, plusieurs enroulements de phase 49 sont installés dans les encoches 48 du corps 43. Dans l'exemple représenté, la machine comporte deux bobinages triphasés indépendants Al, B1, Cl et A2, B2, C2 couplés entre eux. En variante, le bobinage est un simple bobinage triphasé. Les phases du ou des bobinages pourront être couplées en triangle ou en étoile.
Chaque enroulement de phase 49 est constitué par au moins un conducteur continu enroulé à l'intérieur du stator dans les encoches 48 pour former une ou plusieurs spires. Chaque phase Al, B1, Cl, et A2, B2, C2 est associée à une série d'encoches 48 de l'ensemble d'encoches, de sorte que chaque encoche 48 reçoit plusieurs fois les conducteurs d'une même phase.
Deux encoches consécutives d'une série sont séparées par des encoches adjacentes correspondant chacune à une autre série d'encoches associée à l'une des autres phases Al, B1, Cl, et A2, B2, C2. Ainsi, lorsqu'il y a K phases, les conducteurs d'un même enroulement de phase sont insérés toutes les K+lième encoches. Par exemple, si la phase Al est insérée dans l'encoche n°1, elle est ensuite insérée dans la 7ème encoche pour une machine à deux bobinages triphasés, soit K=6.
Dans le mode de réalisation des figures 5 et 6, le bobinage est de type concentré. Dans ce cas, chaque enroulement de phase 49 comporte une pluralité de bobines 52 visibles sur les figures 4a et 4b. Ces bobines 52 sont réalisées à partir d'un fil 53 enroulé sur plusieurs tours pour former plusieurs spires. Le fil 53 pourra être de section ronde ou rectangulaire. Il sera également possible d'utiliser deux fils en parallèle ou plus pour effectuer l'opération de bobinage. Un isolant de bobine 55 est de préférence intercalé entre chaque bobine 52 et la dent 44 correspondante du stator 16.
Pour améliorer le refroidissement des stators à bobinage sur dents 44, on utilise des bobines 52 de section rectangulaire, ce qui laisse des passages de section triangulaire 54 entre les bobines 52, comme cela est illustré par la figure 5. Il est possible de faire circuler de l’air via les passages 54 en utilisant des moyens de ventilation axiale interne. Comme on peut le voir sur la figure 1, les moyens de ventilation comportent deux ventilateurs 57 fixés chacun à une extrémité axiale du rotor 12. Les bobines 52 sont montées autour de dents 44 à bord parallèles.
Conformément à l'invention, pour une machine électrique comportant P paires de pôles, le rotor 12 comporte 2p griffes et le stator 16 comporte 3p dents 44.
Dans un exemple de réalisation, une machine à 24 dents statoriques pourra remplacer une machine équivalente classique à 48 encoches statoriques en délivrant sensiblement la même force électromotrice face à un même rotor à 16 griffes. Le bobinage sera plus aisé avec 24 bobines sur dent toutes identiques comportant neuf ou dix spires, reliées par huit en parallèle pour chaque phase à un connecteur où les sorties de phases peuvent être librement distribuées sur 360 degrés. Dans le cas d'un bobinage de type concentré, le nombre de spires pourra être compris entre 8 et 11 par exemple. Dans le cas d'un bobinage ondulé, il sera possible de réaliser entre 0,5 et 1 spire par enroulement de phase.
Dans le cas d'une machine à double bobinages triphasés, par exemple 12 Volts et 48 Volts, le nombre et le diamètre des fils 53 de chaque bobine 52 peuvent être ajustés en fonction de la force électromotrice et de l’intensité nominale avec une grande finesse pour optimiser chaque bobinage.
Dans un exemple de réalisation, une machine à double bobinage 12Volts et 48Volts comporte 16 pôles et 24 dents statoriques avec une puissance nominale égale sur les deux circuits.
Chaque dent 44 pourra recevoir deux bobines 52, 52' séparées. La première bobine 52 comporte dix spires de diamètre 1,60 mm pour le bobinage de 12 volts. On prévoit huit bobines 52 branchées électriquement en parallèle par phase.
La deuxième bobine 52' comporte 40 spires de diamètre 0,80 pour le bobinage de 48 volts. On pourra prévoir huit bobines 52 branchées électriquement en parallèle par phase.
En variante, la deuxième bobine 52 comporte dix spires de diamètre 1,60mm et on prévoit quatre bobines 52 branchées électriquement en série dans deux voies en parallèle par phase. En utilisant deux bobines 52, 52' ayant un même diamètre de fil, cela permet de réaliser plus facilement l'opération de bobinage.
Les bobines 52, 52' peuvent être bobinées l’une sur l’autre. Mais elles sont de préférence séparées le long de la dent 44 sur un isolant de bobine 55 moulé compartimenté, tel que montré sur la figure 6. Cela permet de faciliter le bobinage et la connexion sur les connecteurs correspondants. Les connecteurs peuvent être inclus dans une pièce moulée commune.
Bien entendu, il est possible de réaliser plus de deux bobinages indépendants.
Pour optimiser le compromis entre le débit de courant et le bruit magnétique de la machine à 2p pôles et 3p dents, il est possible de faire évoluer l’entrefer 14 sous chaque dent 44 statorique en réalisant notamment un profil de dent 60 variable, comme illustré sur la figure 5. L’entrefer 14 pourra ainsi être de 100% dans l’axe de la dent 44, et augmenter jusqu’à 250% sur les bords de la dent 44. L'entrefer 14 peut être dissymétrique.
La dent 44 peut également être dissymétrique en étant muni de pieds de dents 50 inégaux. La forme de la dent 44 étant obtenue par découpe, il n’y a aucun surcoût à la complexifier si nécessaire.
Il devient alors possible d'utiliser des rotors à formes de griffes simples, sans chanfreins sur les griffes, dans la mesure où la variation dynamique d’entrefer 14 peut être gérée en agissant uniquement du côté du stator 16.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Machine électrique tournante (10) comportant un rotor à griffes (12) et un stator (16) entourant ledit rotor à griffes (12) avec présence d'un entrefer (14) entre une périphérie interne dudit stator (16) et une périphérie externe dudit rotor à griffes (12), ledit stator (16) comportant au moins un bobinage polyphasé (Al, B1, Cl ; A2, B2, C2) et un corps (43) muni d'une pluralité d'encoches (48) délimitées chacune par deux dents (44) successives, caractérisée en ce que pour une machine électrique tournante (10) comportant p paires de pôles, ledit rotor à griffes (12) comporte 2p griffes (29) et ledit stator (16) comporte 3p dents (44).
  2. 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un bobinage triphasé.
  3. 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte deux bobinages triphasés (Al, B1, Cl; A2, B2, C2) indépendants.
  4. 4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le ou les bobinages (Al, B1, Cl ; A2, B2, C2) sont de type concentré et comportent une pluralité de bobines (52), chaque bobine (52) étant enroulée autour d'une dent (44) correspondante dudit stator.
  5. 5. Machine électrique tournante selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites bobines (52) de chaque phase sont branchées électriquement en série ou en parallèle.
  6. 6. Machine électrique tournante selon les revendications 3 et 4, caractérisée en ce que chaque dent (44) reçoit au moins deux bobines (52, 52') associées chacune à un bobinage distinct.
  7. 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le ou les bobinages (Al, B1, Cl ; A2, B2, C2) sont de type ondulé.
  8. 8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les phases du ou des bobinages sont couplées en triangle.
  9. 9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les phases du ou des bobinages sont couplées en étoile.
  10. 10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de ventilation axiale internes (57).
  11. 11. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ledit stator (16) comporte un profil de dent (60) variable.
  12. 12. Machine électrique tournante selon la revendication 11, caractérisée en ce que ledit entrefer (14) est de 100% dans un axe d'au moins une dent (44) dudit stator (16), et augmente jusqu’à 250% sur des bords de ladite dent (44).
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