WO2010079278A1 - Enroulement pour le stator d'une machine electrique, et procede de fabrication correspondant - Google Patents

Enroulement pour le stator d'une machine electrique, et procede de fabrication correspondant Download PDF

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WO2010079278A1
WO2010079278A1 PCT/FR2009/052581 FR2009052581W WO2010079278A1 WO 2010079278 A1 WO2010079278 A1 WO 2010079278A1 FR 2009052581 W FR2009052581 W FR 2009052581W WO 2010079278 A1 WO2010079278 A1 WO 2010079278A1
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winding
conductor
section
strand
mechanical part
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PCT/FR2009/052581
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Inventor
Sébastien GAY
Original Assignee
Renault S.A.S.
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots

Definitions

  • the present invention relates to the field of windings for mechanical parts, such as stators or rotors, of a rotating electrical machine 10, for example a motor.
  • a mechanical part such as the stator illustrated in FIGS. 1 and 2,
  • the annular body 1 is delimited axially by an upper face 10 and by a lower face 11. It is delimited radially by an inner annular face.
  • annular face 12 comprises a plurality of notches 120 and teeth 121 opening on the upper face 10 and
  • the mechanical part further comprises a winding 2 (or winding) comprising a plurality of electrical conductors arranged in the notches 120 forming axial corrugations.
  • Each electrical conductor 20 includes strands 21 intended to be
  • an upper head 22 which connects two adjacent strands and intended to be placed above an axial upper face of the body 1, and a lower head 23 intended to be placed beneath an lower face 11 of the body 1 to also connect two consecutive strands.
  • the length of the mechanical part is in particular determined by the axial length of the annular body 1 and the lengths of the upper heads 22 and lower 23 of the winding 2.
  • the active part of the winding is constituted by the strands 21 located in notches 120 of the body 1.
  • the upper heads 22 and lower 23 have the function of closing the circuit, and therefore have only a negligible role in energy conversion. However, because of their length, these coil heads increase the stator resistance and thus the Joule losses of the machine, and induce an additional parasitic inductance (leakage inductance) reducing the power factor of the machine.
  • European Patent Application EP 1 179 880 proposes to produce a winding in the form of V-pins welded at their end.
  • the disadvantage of this solution, in addition to many expensive welds, is that the length of the coil head is much greater than the width of the conductors constituting the winding.
  • the US patent application 6,140,735 proposes to perform a winding by folding a rectangular wire at the head of the winding.
  • This embodiment has the advantage of being carried out continuously and without welding, but the fold forms a bead which imposes either a thickness of the double head of the thickness wire, or a longer length or width if the fold is hammered to reduce the thickness of the bead.
  • US Pat. No. 6,894,411 proposes a winding in which the strands placed in the notch are connected to each other by means of a rectangular thin wire bonded to the stator.
  • the coil heads are certainly shorter but the coil heads must be attached to the active part (strands in the notches) by welding or other method, which does not allow continuous production.
  • the present invention aims to provide a new more compact winding comprising shorter winding heads, allowing continuous production without welding.
  • the invention thus relates to a winding intended to be mounted in a mechanical part of a rotating electrical machine, the mechanical part comprising at least one annular body having a central axis of symmetry and alternately provided with notches and teeth, winding being formed of a plurality of electrical conductors, each electrical conductor comprising successively, in a direction of winding perpendicular to the axis of symmetry, at least:
  • the upper head comprises successively, in the direction of the winding:
  • the lower head comprises successively, in the direction of the winding:
  • a second segment of length equal to the length of the first segment and having a slope oriented towards the first axial plane; and a fourth section symmetrical to the first section with respect to the axis of symmetry.
  • the distance between the first and second axial planes is equal to a thickness of the conductor.
  • the particular shape of the upper and lower heads in particular makes it possible to reduce the size of the coil heads, and the slopes imposed on the first and second segments notably make it possible to obtain a more compact winding.
  • the first, second, third and fourth sections have arcuate contours.
  • the driver takes a first change of direction at 90 ° in the direction of the winding, then a second change of direction at 90 ° in the direction of the axis of symmetry and finally a third change of direction at 90 ° to go along the upper face of the body, the first, second and third turns can be made constant section.
  • the driver After the third change of direction, the driver approaches the center of the annular body down one level (for example a thickness of the conductor) thanks to the downward slope of the first segment, and again makes three changes of direction at 90 ° , which are symmetrical to the first, second and third changes of direction with respect to the axis of symmetry, and enters the second notch in which is arranged the second strand of the conductor.
  • the coil heads thus have quarter circles, which make it possible to work around the teeth on the upper and lower faces as closely as possible while keeping the section of the conductor constant.
  • Each electrical conductor may have a rectangular section of variable width depending on the width of the notches, and of varying thickness depending on the depth of the notches.
  • the filling of the notches is obtained by adding successive layers starting from the bottom of the notches and progressing until they open.
  • the notches may have a narrowing at the opening, that is, the bottom of the notch is wider than its opening.
  • the width of the conductors constituting the winding varies with each layer to adapt to the narrowing of the notch as filling.
  • the thickness of the conductors also varies in order to maintain the section of the conductors constant.
  • the conductor will be thin and broad at the bottom of the notch, and thick and narrow near the opening of the notch.
  • the winding can extend over several turns of the body by forming several concentric layers, and advantageously, the first segments of two adjacent layers are of opposite slopes.
  • the filling of the notches may require the addition of several successive layers, that is to say that the winding performs several successive turns of the body to form several layers.
  • a second layer is about to overlap the first layer
  • the simple overlap leaves a gap in front of the overlap which reduces the filling rate of the overlapping notch in an irregular manner with respect to the other notches.
  • the winding may also comprise at least first and second electrical conductors, the second conductor being adjacent to the first conductor in the direction of the winding.
  • at least a portion of the upper head of the first conductor is covered by a portion of the upper head of the second conductor, and at least a portion of the lower head of the first conductor covers a portion of the lower head of the second conductor, the contours in arcs (or quadrants) of drivers to avoid conflicts between two drivers at their upper and lower heads.
  • the invention also relates to a mechanical part such as a stator or a rotor, comprising at least one winding layer, the winding being as defined above.
  • the mechanical part may also include one or more conductors per phase.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a winding for insertion into a mechanical part of a rotating electrical machine.
  • the method according to the invention comprises at least steps of:
  • the braiding step comprises at least steps of: placing the electrical conductors in a phase shift;
  • the subject of the invention is also a method for manufacturing a mechanical part of an electric machine, comprising at least one step of insertion of a winding as defined above and carried out according to the manufacturing method defined above, in the notches of said mechanical part.
  • FIG. 2 is a partial perspective view of the inside of a wound stator
  • FIG. 3 is a partial perspective view of a stator with a wave winding type winding
  • FIG. 4 is a partial perspective view of an electrical conductor according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a partial view of the top of a first segment according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a partial view of the bottom of a second segment according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 7 is a partial view of the inside of the stator in which the winding is arranged according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 8 is a partial perspective view of an overlap of winding layers of a stator according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 9 is a partial perspective view of a "distributed" type winding according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a notch provided with several layers of windings, as well as the variations of the widths and thicknesses of the conductor as a function of the layers;
  • - Figure 11 is a cross-sectional view of a notch provided with several layers of windings comprising a groove;
  • - Figure 12 shows the steps of manufacturing a winding according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 13 illustrates the step of braiding the conductors of a four-phase winding according to one embodiment of the invention.
  • winding according to the invention may be of round, square or rectangular section.
  • a winding for a four-phase stator comprises four electrical conductors, one conductor per phase.
  • the winding on the stator is for example of the "wave winding” or “corrugated winding” type, that is to say that each conductor enters the same slot only once per revolution of the stator, as illustrated in FIG. 3.
  • each electrical conductor 20 of the winding successively comprises, in a direction D of the winding, perpendicular to the winding.
  • axis of symmetry A at least: a first strand 210 intended to be placed in a first notch according to a first axial plane P1, the first axial plane P1 being parallel to the axis of symmetry A and containing the first strand 210;
  • an upper head 22 intended to be placed above an upper axial face of the body 1; a second strand 211 intended to be placed in a second notch and offset from the first strand along a second axial plane P2, the second plane axial P2 being parallel to the axis of symmetry A and containing the second strand 211, and the distance between the first and second axial planes being at least equal to a thickness of the conductor; and
  • a lower head 23 intended to be placed beneath an axial lower face 11 of the body 1.
  • the upper head 22 comprises successively, in the direction D of the winding:
  • a first section 220 in the shape of an inverted L along the axis of symmetry A; a first segment 221 whose length is less than half the distance separating the first strand 210 from the second strand 211, and having a slope oriented towards the second axial plane P2; and
  • the lower head 23 comprises successively, in the direction D of the winding:
  • a third section 230 symmetrical to the second section 222 with respect to the center of the second strand 211;
  • a second segment 231 of length equal to the length of the first segment 221, and having a slope oriented towards the first axial plane P1;
  • a fourth section 234 symmetrical to the first section 220 with respect to the axis of symmetry A.
  • the plane formed by the second segment 231 forms with the second axial plane of the second strand 211 at least the same angle ⁇ .
  • a portion of the top head 22a of a first conductor 20a is covered by a portion the upper head 22b of a second conductor 20b adjacent the first conductor 20a in the direction D of the winding, and a portion of the lower head 23a of the first conductor 20a covers a portion of the lower head 23b of the second conductor 20b, as shown in Figure 7.
  • the first, second, third and fourth sections have arcuate contours, as illustrated in FIG. 4.
  • the conductor takes a first 90 ° directional change in the direction D of the winding, then a second 90 ° directional change in the direction of the axis of symmetry A and finally a third change of direction at 90 ° to follow the upper face 10 of the body 1, the first, second and third changes in direction can be made constant section.
  • the driver After the third change of direction, the driver approaches the center of the annular body down one level (for example a thickness of the conductor) thanks to the slope of the first segment 221, and again makes three changes of direction at 90 ° , which are symmetrical to the first, second and third changes of direction relative to the axis of symmetry A, and enters a second notch in which is arranged the second strand 211 of the driver.
  • the coil heads thus have quarter-circles 220a, 220b, 220c, 222a, 222b, 222c, 230a, 230b, 230c, 232a, 232b, 232c, which make it possible to work around the teeth on the upper and lower faces as closely as possible. keeping the driver's section constant.
  • the filling of the notches is obtained by adding successive layers starting from the bottom of the notches and progressing until they are opened.
  • the overlap between two successive layers may be a simple overlap leaving a gap in front of the overlap. This solution does not optimize the fill rate.
  • the first segment of a first conductor 20a 'of a first layer has a slope "rising” oriented towards the second axial plane of the second strand associated therewith.
  • the first segment of this first conductor 20a "has a" downward “slope, that is to say oriented towards the first axial plane of the first strand associated with it, in order to guarantee a regularity of the stator winding, as well as a maximum filling rate.
  • the pattern of the upper and lower heads of the winding may also be applicable for distributed-type windings, as shown in FIG. 9, that is to say that each strand 210, 211 is separated into two sub-strands 210a, 210b, 211a, 211b, and each sub-strand is arranged in a notch.
  • the division into two notches per pole and per phase has the advantage of further reducing the length of the coil heads.
  • the width of the conductors varies with each layer in order to adapt to the narrowing of the notches as filling progresses, to further reduce the length of the coil heads as the we are getting closer to the opening.
  • the thickness of the conductors also varies with the filling to maintain the cross section of the conductors constant. For example, drivers will be thin and wide at the bottom of the notches, and thick and narrow near the openings of the notches, as shown in Figure 10.
  • the method of manufacturing such a winding comprises various steps, as illustrated in FIG. 12.
  • a first step El or drawing is to put a copper wire in the form of round wire, square or rectangular.
  • the section of the copper wire preferably corresponds to the section of an electrical conductor for the bottom of the notches.
  • the wire drawing can be done at constant section.
  • the drawing may be of variable diameter.
  • a second step E2 consists in inserting the copper wire in a mold which will be used for the rolling / forging step, for example by means of a needle fed with copper wire made according to the first step.
  • a third step E3 or hammering consists of rolling or forging.
  • the rolling uses two rollers of specific shape meshing with each other.
  • One of the two rolls serves as a mold for the copper wire formed in the first step, and the other roll serves as a hammer.
  • the two rollers do not touch and are separated by a thickness equal to the thickness of the conductor once formatted.
  • Forging uses molds to give the final shape to the electrical conductor. Forging makes it possible to use several molds and therefore, in combination with a variable diameter wire drawing, to stick closer to the final shape of the conductor. It is also possible to provide a mold for the forging of a complete layer, that is to say that the mold takes into account the inversion of the slopes for the overlap of the layers.
  • a fourth step E4 consists in making a programmed cut, that is to say that the dimensions of the conductor after cutting correspond to the final dimensions desired of the driver.
  • the cutting can be obtained for example by stamping, waterjet or laser cutting, electroerosion or chemical etching.
  • a fifth step E5 is to perform a chamfering of the driver to allow the insulating varnish to hold on the sides of the driver.
  • the chamfering may for example be achieved by matting.
  • a sixth step E6 consists of performing a programmed folding to make the first and second segments of the conductor, according to the angle ⁇ .
  • An additional angle d ⁇ can be added to take account of the elastic deformation of the material constituting the driver.
  • a seventh step E7 consists in producing an enameling, that is to say that the conductor is immersed in one or more baths of varnish and is dried for example in an electrically heated tunnel. It is thus possible to put several layers of enamel of different types to obtain a desired level of electrical insulation. Steps El to E7 make it possible to produce an electrical conductor. For a winding comprising four conductors, the steps E1 to E7 are thus repeated four times.
  • An eighth step E8 consists of braiding (or assembling) the four conductors, as shown in FIG. 13.
  • the first and second braiding are made so that the conductors are placed according to the desired phase shift (here 90 °) which corresponds to the final phase shift of the winding.
  • the upper head of the first conductor is covered by the upper head of the second conductor, and the lower head of the first conductor covers the upper head of the second conductor.
  • the upper head of the third conductor is covered by the upper head of the fourth conductor, and the lower head of the third conductor covers the upper head of the fourth conductor.
  • a ninth step E9 consists in inserting the winding in the stator. This insertion can be achieved by turning the stator and pushing the mat into the slots of the stator.
  • a final refinement of the winding is to fold the heads of the winding on the stator yoke to further shorten the width of the electric motor, this configuration is especially applicable to the electric motor having relatively shallow notches.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

Enroulement d'une pièce mécanique comprenant un corps (1) annulaire pourvu d'encoches (120) et présentant un axe de symétrie centrale (A), l'enroulement étant formé d'une pluralité de conducteurs (20) électriques comprenant chacun au moins : des premier et deuxième brins (210, 211) d'encoche, une tête supérieure (22) destinée à être placée au-dessus d'une face supérieure (10) axiale du corps; et, une tête inférieure (23) destinée à être placée au-dessous d'une face inférieure (11) axiale du corps. La tête supérieure (22) comprend : un premier tronçon (220) en forme de L inversé selon l'axe de symétrie; un premier segment (221) présentant une pente descendante; et, un deuxième tronçon (222) en forme de L. La tête inférieure (23) comprend : un troisième tronçon (230) symétrique au deuxième tronçon (222) par rapport au centre du deuxième brin (211); un deuxième segment (231) présentant une pente montante; et, un quatrième tronçon (232) symétrique au premier tronçon par rapport à l'axe de symétrie (A).

Description

ENROULEMENT POUR LE STATOR D'UNE MACHINE ELECTRIQUE, ET PROCEDE DE FABRICATION CORRESPONDANT
DESCRIPTION 5
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine des enroulements pour des pièces mécaniques, telles que des stators ou rotors, d'une machine électrique 10 tournante, par exemple un moteur.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Une pièce mécanique, telle que le stator illustré aux figures 1 et 2,
15 comprend notamment un corps 1 annulaire présentant un axe de symétrie centrale
A. Le corps annulaire 1 est délimité axialement par une face supérieure 10 et par une face inférieure 11. Il est délimité radialement par une face annulaire interne
12 et une face annulaire externe 13. Sa face annulaire interne 12 comprend une pluralité d'encoches 120 et de dents 121 débouchant sur la face supérieure 10 et
20 sur la face inférieure 11 du corps 1. La pièce mécanique comprend en outre un enroulement 2 (ou bobinage) comprenant une pluralité de conducteurs 20 électrique agencés dans les encoches 120 en formant des ondulations axiales.
Chaque conducteur 20 électrique comprend des brins 21 destinés à être
25 placés dans des encoches 120, une tête supérieure 22 qui relie deux brins adjacents et destinée à être placée au-dessus d'une face supérieure 10 axiale du corps 1, et une tête inférieure 23 destinée à être placée au-dessous d'une face inférieure 11 axiale du corps 1 pour relier également deux brins consécutifs. La longueur de la pièce mécanique est notamment déterminée par la longueur axiale du corps 1 annulaire et les longueurs des têtes supérieures 22 et inférieures 23 de l'enroulement 2.
La partie active du bobinage est constituée par les brins 21 situés dans des encoches 120 du corps 1. Les têtes supérieures 22 et inférieures 23 (têtes de bobine) ont pour fonction de fermer le circuit, et n'ont donc qu'un rôle négligeable dans la conversion d'énergie. Cependant, de par leur longueur, ces têtes de bobine augmentent la résistance statorique et donc les pertes Joule de la machine, et induisent une inductance parasite supplémentaire (inductance de fuite) réduisant le facteur de puissance de la machine.
Or, dans les applications automobiles par exemple, ces machines électriques sont très contraintes en volume et en rendement énergétique. Il est donc impératif de réduire le plus possible la longueur des têtes de bobine afin de diminuer la taille de la pièce mécanique.
Une solution de l'art antérieur pour réduire notamment la longueur des têtes de bobine consiste à leur donner une forme particulière.
La demande de brevet européenne EP 1 179 880 propose de réaliser un bobinage en forme d'épingles en V soudées à leur extrémité. L'inconvénient de cette solution, en plus des nombreuses soudures coûteuses, est que la longueur de la tête de bobine est très supérieure à la largeur des conducteurs constituant le bobinage.
La demande de brevet US 6,140,735 propose de réaliser un bobinage par pliage d'un fil rectangulaire en bout de tête du bobinage. Cette réalisation présente l'avantage d'être réalisée en continu et sans soudure, mais le pliage forme un bourrelet qui impose soit une épaisseur de la tête double de l'épaisseur du fil, soit une plus grande longueur ou largeur si le pli est martelé pour réduire l'épaisseur du bourrelet.
La demande de brevet US 6,894,411 propose un bobinage dans lequel les brins placés dans l'encoche sont connectés entre eux au moyen d'un fil mince rectangulaire collé au stator. Avec cette solution, les têtes de bobine sont certes plus courtes mais les têtes de bobine doivent être rattachées à la partie active (brins dans les encoches) par soudure ou autre méthode, ce qui ne permet donc pas une production en continu.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un nouvel enroulement plus compact comprenant des têtes de bobinage plus courtes, permettant une production en continu, sans soudure.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a ainsi pour objet un enroulement destiné à être monté dans une pièce mécanique d'une machine électrique tournante, la pièce mécanique comprenant au moins un corps annulaire présentant un axe de symétrie centrale et pourvu alternativement d'encoches et de dents, l'enroulement étant formé d'une pluralité de conducteurs électriques, chaque conducteur électrique comprenant successivement, selon une direction de l'enroulement perpendiculairement à l'axe de symétrie, au moins :
- un premier brin destiné à être placé dans une première encoche selon un premier plan axial ;
- une tête supérieure destinée à être placée au-dessus d'une face supérieure axiale du corps ;
- un deuxième brin destiné à être placé dans une deuxième encoche et décalé du premier brin selon un deuxième plan axial ; et - une tête inférieure destinée à être placée au-dessous d'une face inférieure axiale du corps. Selon l'invention, la tête supérieure comprend successivement, dans la direction de l'enroulement :
- un premier tronçon en forme de L inversé selon l'axe de symétrie ;
- un premier segment de longueur inférieure au tiers de la distance séparant le premier brin du deuxième brin, et présentant une pente orientée vers le deuxième plan axial ; et
- un deuxième tronçon en forme de L.
Selon l'invention, la tête inférieure comprend successivement, dans la direction de l'enroulement :
- un troisième tronçon symétrique au deuxième tronçon par rapport au centre du deuxième brin ;
- un deuxième segment de longueur égale à la longueur du premier segment, et présentant une pente orientée vers le premier plan axial ; et - un quatrième tronçon symétrique au premier tronçon par rapport à l'axe de symétrie.
De préférence, la distance entre les premier et deuxième plans axiaux est égale à une épaisseur du conducteur.
Ainsi, la forme particulière des têtes supérieure et inférieure permet notamment de réduire la taille des têtes de bobine, et les pentes imposées aux premier et deuxième segments permettent notamment d'obtenir un enroulement plus compact.
De préférence, les premier, deuxième, troisième et quatrième tronçons présentent des contours en arc de cercles.
En d'autres termes, selon ladite direction de l'enroulement, au sortir de la première encoche dans laquelle est agencé le premier brin, le conducteur prend un premier changement de direction à 90° dans la direction de l'enroulement, puis un deuxième changement de direction à 90° dans la direction de l'axe de symétrie et enfin un troisième changement de direction à 90° pour longer la face supérieure du corps, les premier, deuxième et troisième virages pouvant se faire à section constante. Après le troisième changement de direction, le conducteur se rapproche du centre du corps annulaire en descendant d'un niveau (par exemple une épaisseur du conducteur) grâce à la pente descendante du premier segment, et effectue à nouveau trois changements de direction à 90°, qui sont symétriques aux premier, deuxième et troisième changements de direction par rapport à l'axe de symétrie, et entre dans la deuxième encoche dans laquelle est agencé le deuxième brin du conducteur. Les têtes de bobine présentent ainsi des quarts de cercle, qui permettent de contourner au plus près les dents sur les faces supérieure et inférieure tout en maintenant la section du conducteur constante.
Chaque conducteur électrique peut présenter une section rectangulaire de largeur variable en fonction de la largeur des encoches, et d'épaisseur variable fonction de la profondeur des encoches.
En effet, le remplissage des encoches s'obtient par ajout de couches successives en commençant par le fond des encoches et en progressant jusqu'à leur ouverture. Les encoches peuvent présenter un rétrécissement au niveau de l'ouverture, c'est-à-dire que le fond de l'encoche est plus large que son ouverture.
Selon un mode de réalisation avantageux, la largeur des conducteurs constituant l'enroulement varie à chaque couche afin de s'adapter au rétrécissement de l'encoche au fur et à mesure du remplissage. Avantageusement, l'épaisseur des conducteurs varie également afin de maintenir la section des conducteurs constante. De préférence, le conducteur sera mince et large au fond de l'encoche, et épais et étroit près de l'ouverture de l'encoche. Ce mode de réalisation permet de réduire la longueur des têtes de l'enroulement au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'ouverture de l'encoche. Selon un autre mode de réalisation, l'enroulement peut s'étendre sur plusieurs tours du corps en formant plusieurs couches concentriques, et avantageusement, les premiers segments de deux couches adjacentes sont de pentes opposées.
En effet, le remplissage des encoches peut nécessiter l'ajout de plusieurs couches successives, c'est-à-dire que l'enroulement effectue plusieurs tours successifs du corps pour former plusieurs couches. Ainsi, lorsqu'une deuxième couche s'apprête à chevaucher la première couche, il est possible de prévoir un chevauchement simple. Le chevauchement simple laisse cependant un vide en avant du chevauchement qui réduit le taux de remplissage de l'encoche de chevauchement de façon irrégulière par rapport aux autres encoches. Pour rendre le remplissage des encoches plus régulières et plus compactes, il est possible de prévoir un chevauchement avec inversion des pentes au niveau du chevauchement, afin de remplir totalement les encoches précédant le chevauchement et assurer la régularité de remplissage des encoches, ainsi qu'un taux de remplissage maximal.
Selon un mode de réalisation particulier, l'enroulement peut également comprendre au moins des premier et deuxième conducteurs électriques, le deuxième conducteur étant adjacent au premier conducteur dans la direction de l'enroulement. Avantageusement, au moins une partie de la tête supérieure du premier conducteur est recouverte par une partie de la tête supérieure du deuxième conducteur, et au moins une partie de la tête inférieure du premier conducteur recouvre une partie de la tête inférieure du deuxième conducteur, les contours en arcs de cercle (ou quarts de cercle) des conducteurs permettant d'éviter les conflits entre deux conducteurs au niveau de leur tête supérieure et inférieure. L 'invention a également pour objet une pièce mécanique telle qu'un stator ou un rotor, comprenant au moins une couche d'enroulement, l'enroulement étant tel que défini précédemment.
La pièce mécanique peut également comprendre un ou plusieurs conducteurs par phase.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un enroulement destiné à être inséré dans une pièce mécanique d'une machine électrique tournante. Le procédé selon l'invention comprend au moins des étapes de :
- mise en forme d'une pluralité de fils de cuivre pour obtenir la pluralité de conducteurs électriques définis précédemment ; et - tressage de la pluralité de conducteurs électriques pour former une natte contenant la pluralité de conducteurs électriques déphasés et de longueur supérieure ou égale à la circonférence du corps.
De préférence, l'étape de tressage comprend au moins des étapes de : - mise en place des conducteurs électriques selon un déphasage ; et
- assemblage d'au moins un premier conducteur électrique avec un deuxième conducteur électrique, une partie de la tête supérieure du premier conducteur étant recouvert par une partie de la tête supérieure du deuxième conducteur, et une partie de la tête inférieure du premier conducteur recouvrant une partie de la tête inférieure du deuxième conducteur.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce mécanique d'une machine électrique, comprenant au moins une étape d'insertion d'un enroulement tel que défini précédemment et réalisé selon le procédé de fabrication défini précédemment, dans les encoches de ladite pièce mécanique. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue de la face supérieure d'un stator ;
- la figure 2 est une vue partielle en perspective de l'intérieur d'un stator bobiné ;
- la figure 3 est une vue partielle en perspective d'un stator muni d'un enroulement de type « wave winding » ; - la figure 4 est une vue partielle en perspective d'un conducteur électrique selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 est une vue partielle du dessus d'un premier segment selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 est une vue partielle du dessous d'un deuxième segment selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 7 est une vue partielle de l'intérieur du stator dans lequel l'enroulement est disposé selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 8 est une vue partielle en perspective d'un chevauchement de couches d'enroulement d'un stator selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 9 est une vue partielle en perspective d'un enroulement de type « réparti » selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 10 est une vue en coupe transversale d'une encoche muni de plusieurs couches d'enroulements, ainsi que les variations des largeurs et d'épaisseurs du conducteur en fonction des couches ;
- la figure 11 est une vue en coupe transversale d'une encoche muni de plusieurs couches d'enroulements comprenant une gorge ; - la figure 12 présente les étapes de fabrication d'un enroulement selon un mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 13 illustre l'étape de tressage des conducteurs d'un enroulement quatre phases selon un mode de réalisation de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
Bien que l'exemple choisi ci-dessous pour illustrer l'invention soit celui d'un stator quatre phases, il est possible d'appliquer l'enroulement selon l'invention à des pièces mécaniques ayant un nombre quelconque de phases et un nombre quelconque de couches d'enroulements. Les conducteurs électriques formant l'enroulement peuvent être de section ronde, carrée ou rectangulaire.
Un enroulement pour un stator quatre phases comprend quatre conducteurs électriques, un conducteur par phase. Le bobinage sur le stator est par exemple de type « wave winding » ou « enroulement ondulé », c'est-à-dire que chaque conducteur rentre dans une même encoche qu'une seule fois par tour du stator, comme illustré sur la figure 3.
Afin de proposer des têtes de bobinage courtes, tout en garantissant un bon taux de remplissage des encoches, chaque conducteur électrique 20 de l'enroulement, en référence à la figure 4, comprend successivement, selon une direction D de l'enroulement perpendiculairement à l'axe de symétrie A, au moins : - un premier brin 210 destiné à être placé dans une première encoche selon un premier plan axial Pl, le premier plan axial Pl étant parallèle à l'axe de symétrie A et contenant le premier brin 210 ;
- une tête supérieure 22 destinée à être placée au-dessus d'une face supérieure 10 axiale du corps 1 ; - un deuxième brin 211 destiné à être placé dans une deuxième encoche et décalé du premier brin selon un deuxième plan axial P2, le deuxième plan axial P2 étant parallèle à l'axe de symétrie A et contenant le deuxième brin 211, et la distance entre les premier et deuxième plans axiaux étant au moins égale à une épaisseur du conducteur ; et
- une tête inférieure 23 destinée à être placée au-dessous d'une face inférieure 11 axiale du corps 1.
La tête supérieure 22 comprend successivement, dans la direction D de l'enroulement :
- un premier tronçon 220 en forme de L inversé selon l'axe de symétrie A ; - un premier segment 221 de longueur inférieure à la moitié de la distance séparant le premier brin 210 du deuxième brin 211, et présentant une pente orientée vers le deuxième plan axial P2 ; et
- un deuxième tronçon 222 en forme de L.
La tête inférieure 23 comprend successivement, dans la direction D de l'enroulement :
- un troisième tronçon 230 symétrique au deuxième tronçon 222 par rapport au centre du deuxième brin 211 ;
- un deuxième segment 231 de longueur égale à la longueur du premier segment 221, et présentant une pente orientée vers le premier plan axial Pl ; et
- un quatrième tronçon 234 symétrique au premier tronçon 220 par rapport à l'axe de symétrie A.
Comme illustré sur la figure 5, le plan formé par le premier segment 221 forme avec le premier plan axial du premier brin 210 au moins un angle θ qui peut être évalué par : tg θ = épaisseur du conducteur / largeur d'une dent. De même, le plan formé par le deuxième segment 231 forme avec le deuxième plan axial du deuxième brin 211 au moins le même angle θ. Afin d'éviter les conflits entre deux conducteurs au niveau de leur têtes supérieure et inférieure, et afin d'assurer un bon taux de remplissage d'encoches, une partie de la tête supérieure 22a d'un premier conducteur 20a est recouverte par une partie de la tête supérieure 22b d'un deuxième conducteur 20b adjacent au premier conducteur 20a selon la direction D de l'enroulement, et une partie de la tête inférieure 23a du premier conducteur 20a recouvre une partie de la tête inférieure 23b du deuxième conducteur 20b, comme illustré sur la figure 7.
Par ailleurs, en combinaison de cet assemblage, les premier, deuxième, troisième et quatrième tronçons présentent des contours en arc de cercles, comme illustré sur la figure 4. En d'autres termes, selon la direction D de l'enroulement, au sortir d'une première encoche dans laquelle est agencé le premier brin 210, le conducteur prend un premier changement de direction à 90° dans la direction D de l'enroulement, puis un deuxième changement de direction à 90° dans la direction de l'axe de symétrie A et enfin un troisième changement de direction à 90° pour longer la face supérieure 10 du corps 1, les premier, deuxième et troisième changements de direction pouvant se faire à section constante. Après le troisième changement de direction, le conducteur se rapproche du centre du corps annulaire en descendant d'un niveau (par exemple une épaisseur du conducteur) grâce à la pente du premier segment 221, et effectue à nouveau trois changements de direction à 90°, qui sont symétriques aux premier, deuxième et troisième changements de direction par rapport à l'axe de symétrie A, et entre dans une deuxième encoche dans laquelle est agencé le deuxième brin 211 du conducteur. Les têtes de bobine présentent ainsi des quarts de cercle 220a, 220b, 220c, 222a, 222b, 222c, 230a, 230b, 230c, 232a, 232b, 232c, qui permettent de contourner au plus près les dents sur les faces supérieure et inférieure tout en maintenant la section du conducteur constante.
Le remplissage des encoches s'obtient par ajout de couches successives en commençant par le fond des encoches et en progressant jusqu'à leur ouverture. Le chevauchement entre deux couches successives peut être un chevauchement simple laissant un vide en avant du chevauchement. Cette solution n'optimise pas le taux de remplissage. Afin de garantir un bon taux de remplissage, il est possible de prévoir un chevauchement avec inversion des pentes au niveau du chevauchement, c'est-à-dire que les premiers segments de deux couches adjacentes sont de pentes opposées.
En référence à la figure 8, le premier segment d'un premier conducteur 20a' d'une première couche présente une pente « montante » orientée vers le deuxième plan axial du deuxième brin qui lui est associé. Lorsque ce premier conducteur s'apprête à chevaucher la première couche pour former la deuxième couche, le premier segment de ce premier conducteur 20a" présente une pente « descendante », c'est-à-dire orientée vers le premier plan axial du premier brin qui lui est associé, afin de garantir une régularité du bobinage du stator, ainsi qu'un taux de remplissage maximal.
Le motif des têtes supérieure et inférieure de l'enroulement peut également être applicable pour des bobinages de type répartis, tels que représentés en figure 9, c'est-à-dire que chaque brin 210, 211 est séparé en deux sous brins 210a, 210b, 211a, 211b, et chaque sous brin est agencé dans une encoche. La répartition en deux encoches par pôle et par phase présente l'avantage de réduire d'avantage la longueur des têtes de bobine.
En fonction du mode de réalisation, la largeur des conducteurs varie à chaque couche afin de s'adapter au rétrécissement des encoches au fur et à mesure du remplissage, pour réduire encore plus la longueur des têtes de bobine au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'ouverture. L'épaisseur des conducteurs varie également au fur et à mesure du remplissage pour maintenir la section des conducteurs constante. Par exemple, les conducteurs seront minces et large au fond des encoches, et épais et étroits près des ouvertures des encoches, comme illustré sur la figure 10.
Il est également possible de maintenir la section constante tout en maintenant un conducteur d'épaisseur constante, en réalisant une gorge 3 dans le conducteur, comme illustré sur la figure 11. La gorge sera de préférence, large au fond de l'encoche et nulle au niveau de l'ouverture. La largeur effective du conducteur est ainsi maintenue constante.
Le procédé de fabrication d'un tel enroulement, selon un mode de réalisation de l'invention, comprend différentes étapes, comme illustré sur la figure 12.
Une première étape El ou tréfilage consiste à mettre un fil de cuivre sous forme de fil rond, carré ou rectangulaire. La section du fil de cuivre correspond de préférence à la section d'un conducteur électrique pour le fond des encoches.
Si l'étape de laminage/forgeage, qui sera détaillé ci-dessous, utilise des moules avec la forme finale du conducteur, le tréfilage pourra se faire à section constante. En revanche, si le laminage/forgeage ne met pas le conducteur en forme finale au niveau des têtes supérieure et inférieure, le tréfilage pourra être à diamètre variable.
Une deuxième étape E2 consiste à insérer le fil de cuivre dans un moule qui servira pour l'étape de laminage/forgeage, au moyen par exemple d'une aiguille alimentée en fil de cuivre réalisé selon la première étape.
Une troisième étape E3 ou martelage consiste à réaliser un laminage ou un forgeage. Le laminage utilise deux rouleaux de forme spécifique s'engrenant l'un dans l'autre. Un des deux rouleaux sert de moule pour le fil de cuivre formé dans la première étape, et l'autre rouleau sert de marteau. Les deux rouleaux ne se touchent pas et sont séparés par une épaisseur égale à l'épaisseur du conducteur une fois mis en forme. Le forgeage utilise des moules permettant de donner la forme finale au conducteur électrique. Le forgeage permet d'utiliser plusieurs moules et donc, en combinaison avec un tréfilage à diamètre variable de coller au plus près de la forme finale du conducteur. Il est également possible de prévoir un moule pour le forgeage d'une couche complète, c'est-à-dire que le moule prend en compte l'inversion des pentes pour le chevauchement des couches.
Une quatrième étape E4 consiste à réaliser une découpe programmée, c'est- à-dire que les dimensions du conducteur après découpe correspondent aux dimensions finales désirées du conducteur. La découpe peut être obtenue par exemple par estampage, par découpe au jet d'eau ou laser, par électroérosion ou par attaque chimique.
Une cinquième étape E5 consiste à réaliser un chanfreinage du conducteur afin de permettre au vernis isolant de tenir sur les côtés du conducteur. Le chanfreinage pourra par exemple être réalisé par mattage.
Une sixième étape E6 consiste à réaliser un pliage programmé pour réaliser les premier et deuxième segments du conducteur, selon l'angle θ. Un angle supplémentaire dθ peut être rajouté pour tenir compte de la déformation élastique du matériau constituant le conducteur.
Une septième étape E7 consiste à réaliser un émaillage, c'est-à-dire que le conducteur est plongé dans un ou plusieurs bains de vernis et est séché par exemple dans un tunnel chauffé électriquement. On peut ainsi mettre plusieurs couches d'émail de types différents pour obtenir un niveau d'isolation électrique désiré. Les étapes El à E7 permettent de réaliser un conducteur électrique. Pour un enroulement comprenant quatre conducteurs, les étapes El à E7 sont donc répétées quatre fois.
Une huitième étape E8 consiste à réaliser un tressage (ou assemblage) des quatre conducteurs, comme illustré sur la figure 13. Les phases étant montées en une seule natte avant l'insertion dans le stator, un premier tressage est réalisé entre deux conducteurs et un deuxième tressage est réalisé simultanément entre les deux autres conducteurs, puis un dernier tressage permet de réunir les quatre conducteurs. Les premier et deuxième tressages sont réalisés de sorte à ce que les conducteurs soient placés selon le déphasage désiré (ici 90°) qui correspond au déphasage final de l'enroulement. La tête supérieure du premier conducteur est recouverte par la tête supérieure du deuxième conducteur, et la tête inférieure du premier conducteur recouvre la tête supérieure du deuxième conducteur. De même, la tête supérieure du troisième conducteur est recouverte par la tête supérieure du quatrième conducteur, et la tête inférieure du troisième conducteur recouvre la tête supérieure du quatrième conducteur.
Une neuvième étape E9 consiste à insérer l'enroulement dans le stator. Cette insertion peut être réalisée en tournant le stator et poussant la natte dans les encoches du stator.
Un ultime raffinement du bobinage consiste à replier les têtes de l'enroulement sur la culasse du stator afin de raccourcir encore la largeur du moteur électrique, cette configuration étant surtout applicable au moteur électrique ayant des encoches relativement peu profondes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Enroulement destiné à être monté dans une pièce mécanique d'une machine électrique tournante, la pièce mécanique comprenant au moins un corps (1) annulaire présentant un axe de symétrie centrale (A) et pourvu alternativement d'encoches (120) et de dents (121), l'enroulement étant formé d'une pluralité de conducteurs (20) électriques, chaque conducteur (20) électrique comprenant successivement, selon une direction (D) de l'enroulement perpendiculairement à l'axe de symétrie (A), au moins : - un premier brin (210) destiné à être placé dans une première encoche selon un premier plan axial (Pl) ;
- une tête supérieure (22) destinée à être placée au-dessus d'une face supérieure
(10) axiale du corps (1) ;
- un deuxième brin (211) destiné à être placé dans une deuxième encoche et décalé du premier brin (210) selon un deuxième plan axial (P2) ; et
- une tête inférieure (23) destinée à être placée au-dessous d'une face inférieure
(11) axiale du corps (1) ; caractérisé en ce que la tête supérieure (22) comprend successivement dans la direction (D) de l'enroulement : - un premier tronçon (220) s 'étendant du premier brin (210) et présentant trois virages successifs à 90°, de sorte à former un L inversé selon l'axe de symétrie (A) ;
- un premier segment (221) de longueur inférieure au tiers de la distance séparant le premier brin du deuxième brin, et présentant une pente orientée vers le deuxième plan axial ; et
- un deuxième tronçon (222) s 'étendant du premier segment (221) et présentant trois virages successifs à 90°, de sorte à former un L ; et en ce que la tête inférieure (23) comprend successivement dans la direction (D) de l'enroulement : - un troisième tronçon (230) symétrique au deuxième tronçon par rapport au centre du deuxième brin ; - un deuxième segment (231) de longueur égale à la longueur du premier segment, et présentant une pente orientée vers le premier plan axial ; et
- un quatrième tronçon (232) symétrique au premier tronçon par rapport à l'axe de symétrie.
2. Enroulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier, deuxième, troisième et quatrième tronçons (220, 222, 230, 232) présentent des contours en arc de cercle.
3. Enroulement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque conducteur (20) électrique présente une section constante.
4. Enroulement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque conducteur (20) électrique présente une section rectangulaire de largeur variable en fonction de la largeur des encoches, et d'épaisseur variable fonction de la profondeur des encoches.
5. Enroulement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il s'étend sur plusieurs tours du corps (1) en formant plusieurs couches concentriques, et en ce que les premiers segments (221) de deux couches adjacentes sont de pentes opposées.
6. Enroulement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins des premier et deuxième conducteurs électriques, le deuxième conducteur étant adjacent au premier conducteur dans la direction de l'enroulement, en ce que au moins :
- une partie de la tête supérieure du premier conducteur est recouvert par une partie de la tête supérieure du deuxième conducteur ; - une partie de la tête inférieure du premier conducteur recouvre une partie de la tête inférieure du deuxième conducteur.
7. Pièce mécanique comprenant au moins une couche d'enroulement, caractérisé en ce que l'enroulement est défini selon l'une des revendications 1 à
6.
8. Pièce mécanique selon la revendication 7, caractérisé en qu'il comprend au moins un conducteur par phase.
9. Pièce mécanique selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il est un stator.
10. Pièce mécanique selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il est un rotor.
11. Procédé de fabrication d'un enroulement destiné à être inséré dans une pièce mécanique d'une machine électrique tournante, caractérisé en ce qu'il comprend au moins des étapes de : - mise en forme d'une pluralité de fils de cuivre pour obtenir la pluralité de conducteurs électriques définis selon l'une des revendications 1 à 6 ; et
- tressage de la pluralité de conducteurs électriques pour former une natte contenant la pluralité de conducteurs électriques déphasés et de longueur supérieure ou égale à la circonférence du corps.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape de tressage comprend au moins des étapes de :
- mise en place des conducteurs électriques selon un déphasage prédéterminé ; et assemblage d'au moins un premier conducteur électrique avec un deuxième conducteur électrique, une partie de la tête supérieure du premier conducteur étant recouvert par une partie de la tête supérieure du deuxième conducteur, et une partie de la tête inférieure du premier conducteur recouvrant une partie de la tête inférieure du deuxième conducteur.
13. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique d'une machine électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape d'insertion d'un enroulement défini selon l'une des revendications 1 à 5 et réalisé selon le procédé de fabrication défini dans l'une des revendications 11 à 12, dans les encoches de ladite pièce mécanique.
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