Titre : Conducteur électrique pour stator de machine électrique tournante et procédé de fabrication

La présente invention revendique la priorité de la demande française 2103172 déposée le 29 mars 2021 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

Domaine technique

La présente invention concerne les machines électriques tournantes et plus particulièrement les stators de telles machines.

L’invention porte plus particulièrement sur les conducteurs électriques destinés à être insérés dans des encoches d’un stator d’une machine électrique tournante. L’invention concerne également le bobinage associé, le stator et la machine électrique tournante correspondante. Elle concerne également le procédé de fabrication de tels conducteurs électriques.

L’invention porte plus particulièrement sur les machines synchrones ou asynchrones, à courant alternatif. Elle concerne notamment les machines de traction ou de propulsion de véhicules automobiles électriques (Battery Electric Vehicle) et/ou hybrides (Hybrid Electric Vehicle - Plug-in Hybrid Electric Vehicle), telles que voitures individuelles, camionnettes, camions ou bus. L’invention s’applique également à des machines électriques tournantes pour des applications industrielles et/ou de production d’énergie, notamment navales, aéronautiques ou éoliennes.

Technique antérieure

On connaît par la demande internationale WO 2015/180811 un bobinage triphasé ondulé, enroulé en continu.

La demande US 2014/0339948 porte sur un procédé de mise en forme d’épingles, qui sont maintenues sur toute leur longueur et dans lequel le fil est matricé, c’est- à-dire mis en forme à la forme de l’outil.

Dans la demande EP 3 622 614, les fils sont bridés et pincés et ils ne peuvent pas glisser les uns par rapport aux autres. Dans les stators connus, les parties des conducteurs électriques émergeant de la masse statorique peuvent glisser les unes par rapport aux autres, et se vriller de manière non contrôlée, ce qui peut laisser insuffisamment de place pour le passage des sorties de phase et des retours de phase éventuels.

Il existe un besoin pour bénéficier d’un stator de machine électrique tournante d’assemblage aisé permettant un remplissage efficace des encoches, tout en assurant des performances électromagnétiques satisfaisantes.

Il existe encore un besoin pour réduire le coût de fabrication des machines électriques, notamment en simplifiant la fabrication du bobinage du stator, par exemple en minimisant le nombre de pièces à utiliser.

Il existe également un besoin pour améliorer encore les stators de machines électriques et notamment diminuer les ondulations de couple et les pertes Joule AC par courants induits, les vibrations et le bruit électromagnétique.

Il existe également un besoin pour disposer d’un procédé de fabrication de conducteurs électriques permettant la formation de conducteurs électriques avec un taux de remplissage des encoches satisfaisant, permettant une fabrication rapide des conducteurs électriques, limitant la quantité de conducteurs électriques utilisée et capables d’être refroidies efficacement.

Résumé de l’invention

L’invention vise à répondre à tout ou partie de ces besoins, et elle y parvient, selon un premier aspect, grâce à un conducteur électrique pour stator de machine électrique tournante, étant en forme d'épingle en U, comportant :

- des première et seconde jambes destinées à s’étendre axialement respectivement dans des première A et seconde R encoches du stator,

- une portion de chignon reliée aux première et seconde jambes du conducteur électrique chacune par une portion oblique,

- les deux portions obliques étant en portion d’hélice.

L’axe Y d’observation peut être perpendiculaire à un axe de rotation de la machine, et parallèle à un plan normal à l’axe de rotation de la machine.

La portion oblique peut être galbée, notamment autour d’un axe parallèle à un axe du stator, afin de se conformer à la forme circulaire du stator dans lequel elle est destinée à être ou elle est insérée. On peut observer ce galbe lorsque le conducteur électrique est observé selon un axe parallèle à un axe de rotation de la machine. Préalablement au galbage du conducteur électrique, la partie en portion d’hélice est rectiligne selon tous les axes d’observation.

La portion de chignon est dans l’invention dépourvue d’une forme dite d’œil, qui augmenterait son volume. On réduit ainsi l’encombrement de la portion de chignon, aussi bien en hauteur que radialement. La masse et l’encombrement du stator en sont réduits. On peut moduler le jeu entre les différents conducteurs électriques du stator, et ainsi améliorer la conductivité thermique et améliorer leur refroidissement. On peut également améliorer l’imbrication des conducteurs électriques dans le stator, et notamment au niveau des sorties de phases et des ponts. Par ailleurs, le volume de matériau, notamment de cuivre, nécessaire pour les conducteurs électriques peut être diminué, et le coût et le refroidissement du stator peut en être ainsi amélioré. Enfin, la résistance linéique des phases, c’est-à-dire la longueur totale d’une phase, du stator peut être diminuée, conduisant ainsi à un échauffement plus faible, ce qui permet également de réduire les pertes Joules.

Le conducteur électrique selon l’invention permet de diminuer la hauteur des chignons du côté opposé aux soudures, ce qui est avantageux pour minimiser l’encombrement de la machine et la quantité de matériau, notamment de cuivre, nécessaire pour les conducteurs électriques. On a ainsi une meilleure compacité du stator, y compris lorsqu’il est assemblé, donc de la machine résultante, qui peut notamment être plus courte. L’arbre du rotor peut être plus court, le carter peut être plus court, l’intégration de la machine dans son environnement d’utilisation peut être facilitée et la matière à fondre ou à usiner peut en être diminuée. Une machine plus courte permet d’améliorer la rigidité globale et de diminuer les vibrations. On a également moins d’efforts sur les roulements, ce qui permet d’améliorer leur durée de vie. Enfin, la masse globale de la machine peut être minimisée. Par ailleurs, à longueur totale de la machine égale, on peut augmenter la longueur du stator.

L’espacement entre les épingles en sortie d’encoche peut être dans un mode de réalisation, constant ou sensiblement constant. Cela peut faciliter la réalisation du refroidissement des conducteurs électriques.

L’invention a notamment pour objet un conducteur électrique pour stator de machine électrique tournante, étant en forme d'épingle en U, comportant plusieurs brins, le conducteur électrique comportant : - des première et seconde jambes destinées à s’étendre axialement respectivement dans des première A et seconde R encoches du stator, les brins de la première jambe étant disposés dans la première encoche dans un ordre radialement inverse des brins de la seconde jambe dans la seconde encoche,

- une portion de chignon reliée aux première et seconde jambes du conducteur électrique chacune par une portion oblique,

- les deux portions obliques étant en portion d’hélice.

Exposé de l’invention

Le conducteur électrique peut comporter un seul brin ou bien au moins deux brins.

Le conducteur électrique peut comporter plusieurs brins, notamment trois brins. Chaque conducteur électrique comportant plusieurs brins, on obtient une réduction des pertes par courants induit, ou pertes Joule AC, ce qui est particulièrement avantageux lorsque la vitesse de fonctionnement est élevée. Le transfert thermique vers la source froide en est également facilité.

Dans le conducteur électrique selon l’invention, les différents brins sont libres les uns par rapport aux autres en dehors du stator. Ils peuvent notamment glisser les uns par rapport aux autres lors de la fabrication. L’invention permet d’éviter tout vrillage des brins, tout en permettant leur glissement relatif lors de la fabrication. Il n’y a pas de vrillage des brins dans les portions obliques, ni dans la portion de chignon. La portion de chignon conserve ainsi un volume contrôlé. On a un bon contact entre les différents brins, y compris au niveau de la portion de chignon.

Les brins de la première jambe d’un conducteur électrique peuvent être disposés dans la première encoche dans un ordre radialement inverse des brins de la seconde jambe du même conducteur électrique dans la seconde encoche. L’inversion de l’ordre des brins de la première jambe dans la première encoche, par rapport à l’ordre des brins de la seconde jambe du même conducteur électrique dans la seconde encoche, également appelée « transposition », permet de minimiser les courants de circulation entre les brins d’un même conducteur électrique dans chacune des première et seconde encoche.

De préférence, les premières et secondes jambes sont rectilignes.

Elles peuvent en variante être en hélice lorsque le stator est vrillé. La longueur G d’une portion oblique peut être donnée par la relation suivante : G = [(x*D/2) - (Rn-Rn*sina) - (C/2)]/cosa, où x est le nombre de dents entre les deux jambes du conducteur électrique,

D est le pas médian correspondant à l’écart entre deux encoches consécutives du stator,

Rn est le rayon de courbure d’un brin du conducteur électrique entre la portion oblique et une portion verticale , a est l’angle tel que sina = (la+e)/D,

C est la longueur de la portion de chignon mesurée entre les deux portions obliques, la est la largeur d’un brin du conducteur électrique, e est l’espacement en sortie d’encoche entre deux conducteurs électriques, mesuré dans un plan perpendiculaire à un plan général de l’épingle en U. La distance e correspond également l’espacement entre deux portions d’hélice.

La longueur C de la portion de chignon mesurée entre les deux portions obliques peut être inférieure à 3D, mieux inférieure à 2D, où D est le pas médian correspondant à l’écart entre deux encoches consécutives du stator. Dans un mode de réalisation, la longueur C de la portion de chignon mesurée entre les deux portions obliques peut être supérieure à 0,5 D, mieux supérieure à D.

La longueur C de la portion de chignon mesurée entre les deux portions obliques peut correspondre sensiblement à la somme de la largeur d’un brin ajoutée au pas médian D, lequel correspond à l’écart entre deux encoches consécutives du stator. La longueur C de la portion de chignon peut être suffisamment grande afin d’éviter que l’émail du faisceau et des brins ne soit trop sollicité. La longueur C de la portion de chignon peut être inférieure à 2 fois le pas médian, voire inférieure à 1,5 fois le pas médian, mieux inférieure à 1,3 fois le pas médian A.

La hauteur H de la portion de chignon par rapport aux première et seconde jambes peut être inférieure à 70 mm, mieux inférieure à 65 mm, voire inférieure à 50 mm, voire encore inférieure à 40 mm, mieux inférieure à 35 mm, mieux encore inférieure à 30 mm. On mesure la hauteur de la portion de chignon entre le haut des jambes destinée à s’étendre axialement dans les encoches du stator, c’est à-dire entre le haut de la masse statorique, ou le haut du paquet de tôles du stator, et le haut de la portion de chignon.

L’épaisseur B du conducteur électrique au niveau de la portion de chignon peut être sensiblement égale, étant très légèrement supérieure, à l’épaisseur des brins du conducteur électrique, avec un léger supplément e du à la déformation du conducteur électrique. Le supplément e peut être de l’ordre de quelque pourcent de l’épaisseur d’un brin, étant notamment inférieur à 50% de l’épaisseur d’un brin, mieux inférieur 40%, voire inférieur à 30%, encore mieux inférieur à 20% de l’épaisseur d’un brin. Le supplément e peut dans un mode de réalisation être nul. Dans une autre variante de réalisation, dans le cas où on a un allongement des brins et/ou une compression de ceux-ci, on peut avoir un supplément e négatif.

Stator et machine

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un stator comportant une masse statorique comportant des encoches, des conducteurs électriques logés dans les encoches, au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, mieux tous les conducteurs électriques, étant tels que définis plus haut.

La masse statorique comporte des dents définissant entre elles les encoches, les dents étant rattachée à une culasse du stator.

Les première et seconde encoches peuvent être non consécutives. On peut parler respectivement d’encoche aller et d’encoche retour.

Les première et seconde encoches peuvent être séparées par un nombre d’encoches compris entre 3 et 20, mieux entre 6 et 16, étant par exemple de 7 ou 8, ou 10 ou 11 encoches.

Le stator peut comporter deux conducteurs électriques par encoche. Le stator peut dans un mode de réalisation comporter deux colonnes de brins de conducteurs électriques.

Dans un « conducteur électrique » circule le courant d’une même phase d’une voie d’enroulement. Plusieurs conducteurs en série forment une « bobine » (« coil » en anglais). Le nombre de bobines par phase est au maximum égal au nombre de pôles du stator ou au nombre de paires de pôles.

Dans chaque encoche, il peut y avoir une ou plusieurs couches. Par « couche » (« layer » en anglais), on désigne les conducteurs en série appartenant à une même phase disposés dans une même encoche. Dans chaque couche d’une encoche, il y a les conducteurs électriques d’une même phase. De manière générale, les conducteurs électriques d’un stator peuvent être réparties en une couche ou en deux couches. Lorsque les conducteurs électriques sont repartis en une seule couche, chaque encoche ne loge que des conducteurs électriques d’une même phase.

Dans l’invention, les conducteurs électriques peuvent être répartis en deux couches seulement. Dans ce cas, une ou des encoches peuvent loger des conducteurs électriques de deux phases différentes. C’est toujours le cas pour un bobinage à pas raccourci. Dans un mode de réalisation, le bobinage peut ne pas comporter plus de deux couches. Dans un mode de réalisation, il est notamment dépourvu de trois ou quatre couches.

Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage distribué. Le bobinage peut être ondulé ou imbriqué. Les conducteurs électriques peuvent former un bobinage fractionnaire.

Un diamètre extérieur de l’ensemble des conducteurs électriques du stator, défini par les portions de chignon, peut être inférieur au diamètre extérieur des encoches additionné de 0 à 6 fois l’épaisseur d’un brin, notamment de quatre fois l’épaisseur d’un brin.

Par ailleurs, un diamètre intérieur de l’ensemble des conducteurs électriques du stator, défini par les portions de chignon, peut être supérieur à un diamètre intérieur des encoches, mesuré du côté de l’entrefer.

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, une machine électrique tournante comportant un stator tel que défini ci-dessus et un rotor.

La première jambe peut être disposée plus près du rotor que la seconde jambe. La seconde jambe peut être disposée plus près de la culasse du stator que la première jambe. En variante, la première jambe peut être disposée plus près de la culasse du stator que la seconde jambe, et la seconde jambe peut être disposée plus près du rotor que la première jambe.

Procédé de fabrication d’un conducteur électrique

L’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un conducteur électrique pour stator de machine électrique tournante tel que défini plus haut.

L’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un conducteur électrique pour stator de machine électrique tournante, comportant les étapes suivantes : (a) fournir un faisceau d’un ou plusieurs brins replié en U, les brins étant notamment cintrés sur plat, le faisceau replié en U comportant une portion de chignon et deux jambes,

(b) écarter les deux jambes afin de former deux portions obliques rectilignes, l’écartement se faisant selon deux directions opposées parallèles au plat des brins,

(c) replier vers l’intérieur les portions obliques, de façon à former des première et seconde jambes du conducteur électrique reliée chacune à la portion de chignon par une portion oblique rectiligne, les première et seconde jambes s’étendant parallèlement l’une à l’autre.

Par ‘cintré sur plat’, on entend que le brin est plié sur sa plus grand largeur, lorsqu’ observé en section transversale. De préférence, le brin n’est pas cintré sur chant.

Dans un mode de réalisation, le ou les brins peuvent en variante être cintrés sur chant. Cela peut notamment être avantageux quand une encoche loge plusieurs colonnes de conducteurs électriques.

Le brin est en section transversale de forme générale rectangulaire, comportant deux grands cotés formant chacun le ‘plat du brin’ et deux petits cotés formant chacun le ‘chant du brin’ .

Le faisceau comporte de préférence plusieurs brins, par exemple trois brins.

Le procédé selon l’invention permet de bien maîtriser la déformation des conducteurs électriques lors de la formation de l’épingle, et donc de bien maîtriser le jeu entre les différents conducteurs électriques du stator, ce qui est avantageux en termes de conductivité thermique et de refroidissement. La consommation de matériau, notamment de cuivre, peut être réduite, et la masse et l’encombrement du stator résultant réduite également. Enfin, on obtient une meilleure imbrication des sorties de phase et des ponts dans le stator.

Pendant l’étape (b) d’écartement, on peut canaliser le faisceau replié en U au niveau du sommet du U en appliquant une pression sous le faisceau dans le fond du U. Une pression peut également être appliquée, simultanément, au-dessus du faisceau, au niveau du sommet du faisceau replié en U.

Pendant cette canalisation du faisceau, on laisse le faisceau libre de se déformer, celui-ci n’est pas maintenu serré à ce niveau. La ou les pressions exercées sont appliquées verticalement, parallèlement à un axe de rotation de la machine. Pour la pression appliquée sous le faisceau dans le fond du U, on peut utiliser un appui ponctuel, par exemple une pointe, ou une barre, ou une sphère, par exemple dans un mode de réalisation une pointe assez fine, par exemple polie ou arrondie, afin de ne pas endommager l’émail. Pour la pression appliquée au-dessus du faisceau, au niveau du sommet du faisceau replié en U, on peut utiliser une pointe ou un outil plat.

Ainsi, on crée un point d’appui pour canaliser le faisceau et les brins, mais ceux- ci ne sont pas bridés entièrement. On n’applique pas de pression perpendiculairement au faisceau replié en U au niveau du fond du U. Le faisceau et les brins peuvent s’allonger et glisser les uns sur les autres. On ne maintient pas un œil du conducteur électrique.

A l’étape (a), on peut replier le faisceau autour d’une pièce de forme, notamment une goupille de cintrage. Le rayon de la goupille de cintrage peut être compris entre 0,5 et 2 fois l’épaisseur d’un brin. Dans un mode de réalisation, le rayon de la goupille de cintrage peut être sensiblement égal à l’épaisseur d’un brin. L’épaisseur du brin peut par exemple être de 1,41 mm. Le diamètre de la goupille de cintrage peut par exemple être de 3 mm. La pièce de forme peut n’être utilisée que pour l’étape (a) de repliage, mais peut être enlevée pour l’étape (b) d’écartement.

Dans le procédé selon l’invention, on peut ne pas maintenir la portion de chignon pendant l’étape (b) d’écartement. Au contraire, on maintient les deux jambes du faisceau replié en U pendant l’étape (b) d’écartement. Pendant cette étape (b) d’écartement, la portion de chignon est laissée libre de se déformer.

Dans le cas où le faisceau comporte plusieurs brins, les brins peuvent glisser les uns par rapport aux autres.

Pendant l’étape (b) d’écartement, on maintient les deux jambes du faisceau dans des guides, et on écarte celles-ci selon deux directions opposées parallèles au plat des brins. On maintient les deux jambes au niveau des futures parties obliques. Une telle étape (b) de déformation est avantageusement identique, quelle que soit le pas final du conducteur électrique en fabrication. Ce maintien permet d’éviter que les parties obliques ne se vrillent, tout en permettant que les brins glissent les uns par rapport aux autres dans les guides.

A l’étape (c), on peut maintenir d’une part les portions obliques rectilignes et d’autre part les première et seconde jambes afin de les replier vers l’intérieur par rapport aux portions obliques rectilignes. L’écart obtenu entre les deux jambes correspond au pas du stator auquel est destiné le conducteur électrique, indépendamment du galbage.

Les portions obliques peuvent être maintenues aux étapes (b) d’écartement et (c) de repliage avec les mêmes outils. Pendant l’étape (c) de repliage, on peut toujours, comme au cours de l’étape (b) d’écartement, canaliser le faisceau replié en U au niveau du sommet du U en appliquant une pression sous le faisceau dans le fond du U. Une pression peut également être appliquée, simultanément, au-dessus du faisceau, au niveau du sommet du faisceau replié en U. En variante, on peut ne pas exercer cette pression.

Au cours des différentes étapes qui viennent d’être décrites, les deux portions obliques restent rectilignes et non vrillées. Afin de se conformer au contour circulaire du stator, il peut être nécessaire de les mettre en forme.

A cet effet, le procédé peut comporter l’étape supplémentaire suivante :

(d) galber les portions obliques, conformément au contour du stator, les portions obliques devenant en portion d’hélice.

L’étape (d) de galbage a lieu après les autres étapes. Pendant cette étape (d) de galbage, on maintient les deux jambes du conducteur électrique. On peut soit maintenir une seule jambe de l’épingle et entraîner en rotation la seconde jambe par rapport à la première jambe, soit faire tourner les deux jambes l’une par rapport à l’autre.

Pendant cette étape (d) de galbage, on ne maintient pas la portion de chignon. On laisse le faisceau et les brins libres de s’allonger et glisser les uns sur les autres.

Les portions obliques résultant du galbage sont en hélice, mais ne sont pas vrillées.

Dans la portion de chignon, le faisceau et les brins peuvent être vrillés, et ce sur une longueur C qui peut correspondre sensiblement à la somme de la largeur d’un brin ajoutée au pas médian, lequel correspond à l’écart entre deux encoches consécutives du stator.

Les première et seconde jambes sont alors destinées à s’étendre axialement respectivement dans des première A et seconde R encoches du stator.

L’angle de galbage et le pas peuvent être choisis en fonction du nombre de pôles, du nombre de dents, et/ou de phases du stator. Dans un exemple de réalisation, l’angle de galbage peut être de 60° ou de 52,5°, en fonction des épingles. Le stator peut par exemple comporter des épingles encadrant 8 dents ayant un angle de 60° et des épingles encadrant 7 dents ayant un angle de 52,5°. Dans un autre mode de réalisation, l’angle de galbage peut être de 62,7° ou de 57°, en fonction des épingles. Le stator peut par exemple comporter des épingles encadrant 11 dents ayant un angle de 62,7° et des épingles encadrant 10 dents ayant un angle de 57°. Au moins un premier conducteur électrique logé dans une première encoche peut être relié électriquement à un deuxième conducteur électrique logé dans une deuxième encoche, à la sortie desdites encoches.

Tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre située à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale, peuvent être reliés électriquement ensemble.

Le stator peut comporter un connecteur de phases comportant des éléments métalliques connectés à des conducteurs électriques du stator. Les éléments métalliques peuvent être disposés radialement extérieurement ou intérieurement par rapport aux conducteurs électriques auxquels ils sont connectés. Les éléments métalliques connectés à des conducteurs des bobinages du stator peuvent être maintenus par un support isolant. Par ailleurs, le connecteur de phases peut présenter des pattes de connexion à un bus d’alimentation. La machine peut ainsi être reliée à un onduleur, connecté électriquement aux pattes de connexion du connecteur.

Epingles

Des conducteurs électriques au moins, voir une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingles, de U ou de I. L’épingle peut être en forme de U (« U-pin » en anglais) ou droite, étant en forme de I (« I-pin » en anglais).

Les conducteurs électriques en épingle et méplat permettent d’augmenter le coefficient de remplissage de l’encoche, rendant la machine plus compacte. Grâce à un coefficient de remplissage élevé, les échanges thermiques entre les conducteurs électriques et la masse statorique sont améliorés, ce qui permet de réduire la température des conducteurs électriques à l’intérieur des encoches.

En outre, la fabrication du stator peut être facilitée grâce aux conducteurs électriques en forme d'épingles. Enfin, les épingles ne nécessitant pas d’avoir des encoches ouvertes, on peut avoir des encoches fermées qui permettent de tenir les épingles et on peut donc ainsi supprimer l’étape d’insertion des cales du stator.

Des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, s’étendent axialement dans les encoches. Les conducteurs électriques peuvent être introduits dans les encoches correspondantes par l’une ou les deux extrémités axiales de la machine.

Un conducteur électrique en forme de I a deux extrémités axiales chacune placées à l’une des extrémités axiales du stator. Il passe dans une encoche unique, et peut être soudé à chacune de ses extrémités axiales à deux autres conducteurs électriques, au niveau des extrémités axiales du stator. Le stator peut par exemple comporter 6, 10, 12, 14, 18, 22 ou 26 conducteurs électriques en forme de I, les autres conducteurs électriques pouvant tous être en forme de U.

Le stator peut être dépourvu de conducteur électrique en forme de I.

Un conducteur électrique en forme de U a deux extrémités axiales toutes deux placées à l’une des extrémités axiales du stator. Ces deux extrémités axiales sont définies par les deux jambes du U. Il passe dans deux encoches différentes, et peut être soudé à chacune de ses extrémités axiales à deux autres conducteurs électriques, au niveau d’un même côté axial du stator. Le bas du U, c’est-à-dire le côté du U formant le chignon ou tête de bobine, est disposé de l’autre côté axial du stator.

Au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, peuvent être en forme d'épingle en U.

En outre, l’encombrement des conducteurs électriques au niveau des têtes de bobines est diminué. Cela facilite l’imbrication des conducteurs électriques.

Brins

Dans l’invention, chaque conducteur électrique peut comporter plusieurs brins (« wire » ou « strand » en anglais). Par « brin », on entend l’unité la plus élémentaire pour la conduction électrique. Un brin peut être de section transversale ronde, on peut alors parler de ‘fil’, ou en méplat. Les brins en méplat peuvent être mis en forme en épingles, par exemple en U ou en I. Chaque brin est revêtu d’un émail isolant.

Le fait que chaque encoche puisse comporter plusieurs conducteurs et/ou plusieurs brins permet de minimiser les pertes par courants induits, ou pertes Joule AC, lesquelles évoluent avec le carré de la fréquence d’alimentation, ce qui est particulièrement avantageux à haute fréquence et lorsque la vitesse de fonctionnement est élevée. Le transfert thermique vers la source froide en est également facilité. On peut ainsi obtenir un meilleur rendement à haute vitesse.

Lorsque les encoches sont fermées, on peut obtenir une réduction des flux de fuites vu par les conducteurs, ce qui entraîne une diminution des pertes par courants de Foucault dans les brins.

Dans un mode de réalisation, chaque conducteur électrique peut comporter plusieurs épingles, chacune formant un brin, comme explicité ci-dessus. Tous les brins d’un même conducteur électrique peuvent être reliés électriquement les uns aux autres à la sortie de l’encoche. Les brins reliés électriquement les uns aux autres sont placés en court-circuit. Le nombre de brins reliés électriquement ensemble peut être supérieur ou égal à 2, étant par exemple compris entre 2 et 12, étant par exemple de 3, 4, 6 ou 8 brins.

Plusieurs brins peuvent former un même conducteur électrique. Un même courant électrique d’une même phase circule dans l’ensemble des brins d’un même conducteur électrique. Tous les brins d’un même conducteur électrique peuvent être reliés électriquement les uns aux autres, notamment à la sortie de l’encoche. Tous les brins d’un même conducteur électrique peuvent être reliés électriquement les uns aux autres à chacune de leurs deux extrémités axiales, notamment à la sortie de l’encoche. Ils peuvent être reliées électriquement en parallèle.

Tous les brins de tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre située à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale, peuvent être reliés électriquement les uns aux autres.

Dans un mode de réalisation, chaque conducteur électrique comporte trois brins. Dans le cas où une encoche comporte deux conducteurs électriques, une encoche peut donc loger six brins, par exemple, répartis entre les deux conducteurs électriques.

En variante, une encoche comporte quatre conducteurs électriques. Chaque conducteur électrique peut comporter deux brins. L’encoche loge alors huit brins, répartis entre les quatre conducteurs électriques.

Les brins d’un même conducteur électrique peuvent être en contact deux à deux sur toute leur longueur. Ils peuvent notamment être en contact au niveau des têtes de bobines. En outre, ils peuvent notamment être en contact au niveau des extrémités de soudure. Ils peuvent être accolés. Dans un mode de réalisation, les brins peuvent être soudés par paire de trois brins. Une telle configuration permet une bonne optimisation de l’espace disponible dans et autour du stator. On gagne notamment en compacité au niveau de la hauteur des chignons. En outre, on peut réduire les risques de court-circuit entre les conducteurs électriques.

Les brins peuvent être positionnés dans l’encoche de façon que leur dimension circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine soit supérieure à leur dimension radiale. Une telle configuration permet une réduction des pertes par courants de Foucault dans les brins. Un brin peut avoir une largeur comprise entre 1 et 5 mm, étant par exemple de l’ordre de 2,65 ou 3 mm. La largeur d’un brin est définie comme sa dimension dans la direction circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine.

Un brin peut avoir une hauteur comprise entre 1 et 5 mm, étant par exemple de l’ordre de 1,25 ou 1,8 mm. La hauteur d’un brin est définie comme son épaisseur dans la dimension radiale.

Les conducteurs électriques peuvent être réalisés en cuivre ou aluminium, ou tout autre matériau conducteur émaillé ou revêtu de tout autre revêtement isolant adapté.

La masse statorique peut être réalisée par empilement de tôles. Les dents peuvent être reliées entre elles par des ponts de matière, et du côté opposé par une culasse. Les encoches peuvent être fermées. Elles peuvent être réalisées entièrement par découpage dans les tôles. Chaque tôle de l’empilement de tôles peut être monobloc.

Chaque tôle est par exemple découpée dans une feuille d’acier magnétique ou contenant de l’acier magnétique, par exemple de l’acier de 0,1 à 1,5 mm d’épaisseur. Les tôles peuvent être revêtues d’un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein de l’empilement. L’isolation électrique peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles, le cas échéant.

En variante, la masse statorique peut être fabriquée à partir d’une poudre magnétique compactée ou agglomérée.

La machine électrique tournante peut être synchrone ou asynchrone. La machine peut être à réluctance. Elle peut constituer un moteur synchrone ou une génératrice synchrone

La vitesse maximale de rotation de la machine peut être élevée, étant par exemple supérieure à 10 000 tr/min, mieux supérieure à 12 000 tr/min, étant par exemple de l’ordre de 14000 tr/min à 15 000 tr/min, voire même de 20 000 tr/min ou de 25 000 tr/min. La vitesse maximale de rotation de la machine peut être inférieure à 100 000 tr/min, voire à 60 000 tr/min, voire encore inférieure à 40 000 tr/min, mieux inférieure à 30 000 tr/min.

La machine électrique tournante peut comporter un rotor. Le rotor peut être à aimants permanents, avec des aimants surfaciques ou enterrés. Le rotor peut être à concentration de flux. Il peut comporter une ou plusieurs couches d’aimants disposées en I, en U ou en V. En variante, il peut s’agir d’un rotor bobiné ou à cage d’écureuil, ou d’un rotor à réluctance variable. Le diamètre du rotor peut être inférieur à 400 mm, mieux inférieur à 300 mm, et supérieur à 50 mm, mieux supérieur à 70 mm, étant par exemple compris entre 100 et 200 mm.

Le rotor peut comporter une masse rotorique s’étendant selon l’axe de rotation et disposée autour d’un arbre. L’arbre peut comporter des moyens de transmission de couple pour l’entraînement en rotation de la masse rotorique.

Le rotor peut être monté en porte à faux ou non.

La machine peut être insérée seule dans un carter ou insérée dans un carter de boite de vitesse. Dans ce cas, elle est insérée dans un carter qui loge également une boite de vitesse.

Procédé de fabrication du stator

L’invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, un procédé de fabrication d’un stator de machine électrique tournante, notamment d’un stator tel que défini plus haut, dans lequel on dispose des conducteurs électriques dans les encoches d’une masse statorique du stator en les introduisant dans les encoches correspondantes par l’une ou les deux extrémités axiales du stator.

Au moins un conducteur électrique, voir une majorité des conducteurs électriques, introduit dans les encoches, sont en forme d'épingle en U. Ils peuvent être mis en forme préalablement à leur introduction dans les encoches. Tous les conducteurs électriques en forme d'épingle en U peuvent être mis en forme, simultanément ou successivement, puis introduit dans la masse statorique simultanément ou successivement.

La mise en forme peut comporter une première étape d’assemblage des brins d’un même conducteur électrique.

Une dernière étape de mise en forme peut être mise en œuvre après leur introduction dans les encoches. Il peut s’agir notamment de l’inclinaison de portions de soudage.

On peut disposer un même conducteur électrique en forme de U dans deux encoches différentes non consécutives de la masse statorique du stator. Dans le cas où un conducteur électrique est en forme de U, il peut être soudé à deux autres conducteurs électriques d’un même côté de la machine.

On peut relier entre eux deux conducteurs électriques en forme de I préalablement introduits dans deux encoches différentes non consécutives de la masse statorique du stator. Dans le cas où un conducteur électrique est en forme de I, il peut être soudé à un autre conducteur électrique et au connecteur, des deux côtés opposés de la machine.

Dans l’invention, on peut relier électriquement ensemble tous les conducteurs électriques ayant une extrémité libre située à une même position circonférentielle autour de l’axe de rotation de la machine, quelle que soit leur position radiale.

Brève description des dessins

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’un exemple de réalisation non limitatif de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :

[Fig 1] La figure 1 est une vue en perspective, schématique et partielle, d’un stator comportant des conducteurs électriques conforme à l’invention.

[Fig 2] La figure 2 est une vue de dessus, schématique et partielle, du stator de la figure 1.

[Fig 3] La figure 3 est une vue de côté, schématique et partielle, du stator de la figure 1.

[Fig 4] La figure 4 est une vue de côté, schématique et partielle, du stator de la figure 1.

[Fig 5] La figure 5 est une vue de côté, schématique et partielle, du bobinage du stator de la figure 1.

[Fig 6] La figure 6 est une vue de côté, schématique et partielle, du bobinage du stator de la figure 1.

[Fig 7] La figure 7 est une vue en coupe transversale, schématique et partielle, du stator de la figure 1.

[Fig 8] La figure 8 est une vue de côté, schématique et partielle, de trois conducteurs électriques du stator de la figure 1, pris isolément.

[Fig 8a] La figure 8a est une vue semblable à la figure 8.

[Fig 9] La figure 9 est une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, du stator de la figure 1.

[Fig 10a] La figure 10a est une vue d’un faisceau de brins destinés à former un conducteur électrique conforme à l’invention. [Fig 10b] La figure 10b en est une vue de côté.

[Fig 11] La figure 11 illustre l’étape (a) du procédé de fabrication d’un conducteur électrique selon l’invention.

[Fig 12a] La figure 12a illustre l’étape (b) d’écartement du procédé de fabrication d’un conducteur électrique selon l’invention.

[Fig 12b] La figure 12b illustre l’étape (b) d’écartement du procédé de fabrication d’un conducteur électrique selon l’invention, en vue de côté.

[Fig 13] La figure 13 illustre la fin de l’étape (b) d’écartement du procédé de fabrication d’un conducteur électrique selon l’invention. [Fig 14] La figure 14 est une vue analogue à la figure 10b du faisceau à la fin de l’étape (b) d’écartement.

[Fig 15] La figure 15 illustre l’étape (c) de repliage du procédé de fabrication d’un conducteur électrique selon l’invention.

[Fig 16a] La figure 16a est une vue de dessus du faisceau à la fin de l’étape (c) de repliage.

[Fig 16b] La figure 16b est une vue de face du faisceau à la fin de l’étape (c) de repliage.

[Fig 16c] La figure 16c est une vue de côté du faisceau à la fin de l’étape (c) de repliage. [Fig 17a] La figure 17a est une vue de dessus du faisceau au cours de l’étape (d) de galbage.

[Fig 17b] La figure 17b est une vue de face du faisceau au cours de l’étape (d) de galbage.

[Fig 17c] La figure 17c est une vue de côté du faisceau au cours de l’étape (d) de galbage.

[Fig 18a] La figure 18a est une vue de dessus du faisceau à la fin de (d) de galbage.

[Fig 18b] La figure 18b est une vue de face du faisceau à la fin de l’étape (d) de galbage. [Fig 18c] La figure 18c est une vue de côté du faisceau à la fin de l’étape (d) de galbage. [Fig 19] La figure 19 est une vue de côté, schématique et partielle, de conducteurs électriques correspondants chacun à une variante de réalisation différente.

Description détaillée

On a illustré aux figures 1 à 4 un stator 1 de machine électrique tournante, comportant une masse statorique 2 comportant des encoches 3 et des dents 4 définissant entre elles les encoches, les dents étant rattachée à une culasse 5.

Le stator 1 comporte un bobinage comportant des conducteurs électriques 10 logés dans les encoches 3. Dans l’exemple décrit, le stator comporte deux conducteurs électriques par encoche. Chaque conducteur électrique comporte trois brins 12, comme visible en particulier sur la figure 7.

Les conducteurs électriques sont en section transversale de forme générale rectangulaire, avec des coins arrondis. Ils sont dans l’exemple décrit superposés radialement en une seule rangée. La dimension circonférentielle d’un conducteur électrique correspond sensiblement à la largeur d’une encoche.

Les conducteurs électriques 10 sont en cuivre ou aluminium, ou tout autre matériau conducteur émaillé ou revêtu de tout autre revêtement isolant adapté.

Les conducteurs électriques sont en forme d'épingle en U, comme visible sur les figures 5 et 6. Ils comportent chacun des première 22e et seconde 22f jambes destinées à s’étendre axialement respectivement dans des première A et seconde R encoches du stator. Les premières et secondes jambes sont rectilignes. La première jambe 22e est disposée plus près du rotor que la seconde jambe. La seconde jambe 22f est disposée plus près de la culasse du stator que la première jambe.

Les brins de la première jambe sont disposés dans la première encoche A dans un ordre radialement inverse des brins de la seconde jambe du même conducteur électrique 10 dans la seconde encoche R.

Chaque conducteur électrique comporte en outre une portion de chignon 22a reliée aux première et seconde jambes 22e, 22f du conducteur électrique chacune par une portion oblique 22b, 22c.

Par ailleurs, les conducteurs électriques en épingles ont chacun des première 22e et seconde 22f jambes qui se prolongent hors des encoches par une portion de soudage non visible sur les figures. Les deux portions obliques 22b, 22c sont en portion d’hélice, comme visible sur la figure 8. L’axe Y d’observation de la figure 8 est perpendiculaire à un axe de rotation de la machine, et parallèle à un plan normal à l’axe de rotation de la machine.

Les deux portions obliques 22b, 22c sont également galbées autour d’un axe parallèle à un axe du stator, afin de se conformer à la forme circulaire du stator dans lequel le conducteur électrique est insérée, comme bien visible sur la figure 2. On peut observer ce galbe lorsque le conducteur électrique est observé selon un axe parallèle à un axe de rotation de la machine.

L’espacement e entre les épingles en sortie d’encoche est sensiblement constant.

La longueur G d’une portion oblique est dans l’exemple décrit de l’ordre de 23 mm.

La longueur C de la portion de chignon mesurée entre les deux portions obliques est de l’ordre de 10 à 11 mm, étant par exemple de 10,3 mm. La longueur C peut correspondre sensiblement à la somme de la largeur d’un brin ajoutée au pas médian D, lequel correspond à l’écart entre deux encoches consécutives du stator. Le pas médian D est dans l’exemple décrit de l’ordre de 7,78 mm.

La hauteur H de la portion de chignon par rapport aux première et seconde jambes, mesurée entre le haut des jambes destinée à s’étendre axialement dans les encoches du stator et le haut de la portion de chignon, est de l’ordre de 22 mm.

L’épaisseur B du faisceau au niveau de la portion de chignon peut être sensiblement égale, étant très légèrement supérieure, à l’épaisseur des brins du faisceau, avec un léger supplément e dû à la déformation du faisceau. Dans l’exemple décrit, l’épaisseur B du faisceau est de 4,23 mm.

Comme visible sur la figure 2, un diamètre extérieur de l’ensemble des conducteurs électriques du stator, défini par les portions de chignon, est inférieur au diamètre extérieur des encoches additionné de quatre fois l’épaisseur d’un brin.

Par ailleurs, un diamètre intérieur de l’ensemble des conducteurs électriques du stator, défini par les portions de chignon, est supérieur à un diamètre intérieur des encoches, mesuré du côté de l’entrefer.

Comme illustré sur la figure 8a, la longueur G d’une portion oblique peut être donnée par la relation suivante :

G = [(x*D/2) - (Rn-Rn*sina) - (C/2)]/cosa, où x est le nombre de dents entre les deux jambes du conducteur électrique,

D est le pas médian correspondant à l’écart entre deux encoches consécutives du stator,

Rn est le rayon de courbure d’un brin du conducteur électrique entre la portion oblique et une portion verticale , a est l’angle tel que sina = (la+e)/D,

C est la longueur de la portion de chignon mesurée entre les deux portions obliques, la est la largeur d’un brin du conducteur électrique, e est l’espacement en sortie d’encoche entre deux conducteurs électriques, mesuré dans un plan perpendiculaire à un plan général de l’épingle en U.

On voit sur les figures 1 à 8 que les conducteurs électriques et les ceintures s’intégrent parfaitement les unes aux autres.

Par ailleurs, l’épaisseur des portions de chignon, mesurée radialement, est sensiblement égale à la profondeur de l’encoche, comme illustré sur la figure 2. Les portions de chignons permettent le passage du rotor, d’une part, et d’autre part permettent de minimiser l’encombrement du bobinage.

On va maintenant décrire en détails le procédé de fabrication d’un conducteur électrique selon l’invention.

Dans une première étape (a), on fournit un faisceau de trois brins, le faisceau étant replié en U, comme illustré aux figures 10a et 10b.

Les brins sont cintrés sur plat, le faisceau replié en U comportant ainsi une portion de chignon 22a et deux jambes. On a préalablement réglé la longueur des brins, redressé ceux-ci, et dénudé l’extrémité des brins. Quand il y a plusieurs brins, ceux-ci peuvent ne pas avoir la même longueur, cette différence compensant le parcours de chaque brin dans le faisceau en U.

Le cintrage est obtenu à l’étape (a) en repliant le faisceau autour d’une pièce de forme 30, comme illustré à la figure 11. Le rayon de la pièce de forme 30 est sensiblement égal à l’épaisseur d’un brin. L’épaisseur du brin peut par exemple être de 1,41 mm. Le diamètre de la goupille de cintrage est ici de 3 mm.

Dans une étape (b) ultérieure, on écarte les deux jambes afin de former deux portions obliques rectilignes 22b, 22c, l’écartement se faisant selon deux directions opposées parallèles au plat des brins, comme illustré sur les figures 12a et 12b. On maintient les deux jambes du faisceau replié en U pendant l’étape (b) d’écartement, avec des guides 35. Pendant cette étape (b) d’écartement, la portion de chignon est laissée libre de se déformer.

En outre, pendant cette étape (b) d’écartement, on canalise le faisceau replié en U au niveau du sommet du U en appliquant une pression P sous le faisceau dans le fond du U. Une pression Q est également appliquée, dans l’exemple décrit, simultanément, au-dessus du faisceau, au niveau du sommet du faisceau replié en U. Les pressions exercées sont appliquées verticalement, parallèlement à un axe de rotation de la machine. Pendant cette canalisation du faisceau, on laisse le faisceau libre de se déformer, celui-ci n’est pas maintenu serré à ce niveau.

Comme illustré sur la figure 13, tout en maintenant les deux jambes du faisceau dans les guides 35, on écarte celles-ci selon deux directions opposées parallèles au plat des brins.

On obtient alors le conducteur électrique tel qu’illustré à la figure 14.

Dans une étape (c) ultérieure, on replie vers l’intérieur les portions obliques, de façon à former les première et seconde jambes 22e, 22f du conducteur électrique reliées chacune à la portion de chignon 22a par les portions obliques rectilignes 22b, 22c. On obtient ainsi des première et seconde jambes 22e, 22f qui s’étendent parallèlement l’une à l’autre. L’écart obtenu entre les deux jambes correspond au pas du stator.

Pendant cette étape (c), on maintient d’une part les portions obliques rectilignes avec les guides 35, et d’autre part les première et seconde jambes avec d’autres guides 40 afin de les replier vers l’intérieur par rapport aux portions obliques rectilignes, comme illustré sur la figure 15.

Au cours des différentes étapes qui viennent d’être décrites, les deux portions obliques restent rectilignes. Afin de se conformer au contour circulaire du stator, il est nécessaire de les mettre en forme.

A cet effet, le procédé comporte l’étape supplémentaire (d) de galbage des portions obliques, conformément au contour du stator, les portions obliques devenant en portion d’hélice.

L’étape (d) de galbage a lieu après les autres étapes. Pendant cette étape (d) de galbage, on maintient les deux jambes du conducteur électrique dans les guides 40, mais on ne maintient pas la portion de chignon. On laisse les brins libres de s’allonger et glisser les uns sur les autres.

On a illustré aux figures 16a à 18c le conducteur électrique au fur et à mesure du galbage. Aux figures 16a à 16c, le galbage n’est pas commencé. Aux figures 17a à 17c, le galbage est en cours. Aux figures 18a à 18c, le galbage est terminé. On voit que les portions obliques résultant du galbage sont en hélice, mais ne sont pas vrillées. Dans la portion de chignon, le faisceau et les brins sont vrillés.

On a illustré à la figure 19 une pluralité de différents conducteurs électriques, chacun correspondant à une variante de réalisation, dans un but de comparaison. Il y a quatre modes de réalisation différents, avec pour chacun deux conducteurs électriques placés côte à côte. Ces différents modes de réalisation diffèrent par la hauteur H de la portion de chignon, et par l’épaisseur B du faisceau au niveau de la portion de chignon. On voit que B peut varier en fonction du supplément e.

Dans les conducteurs électriques placés les plus à droite, l’épaisseur B du faisceau au niveau de la portion de chignon est sensiblement égale, étant à peine supérieure, à l’épaisseur des brins du faisceau.

En variante, dans les conducteurs électriques placés les plus à gauche, la portion de chignon ménage un œil qui peut être utile afin de favoriser les échanges thermiques et le refroidissement de conducteurs électriques.

Dans la variante de réalisation illustrée, le stator comporte 48 encoches, 48 dents, 8 pôles, des conducteurs électriques en épingles ayant chacun des première 22e et seconde 22f jambes séparées par 8 ou 7 dents.

Dans une autre variante de réalisation, la machine pourrait comporter 60 encoches, 60 dents, 8 pôles, des conducteurs électriques en épingles ayant chacun des première 22e et seconde 22f jambes séparées par 8 ou 7 dents.

Dans une autre variante de réalisation encore, la machine pourrait comporter 63 encoches, 63 dents, 6 pôles, des conducteurs électriques en épingles ayant chacun des première 22e et seconde 22f jambes séparées par 11 ou 10 dents.

Dans les exemples qui précédent, le bobinage est ondulé. On ne sort pas du cadre de la présente invention lorsque le bobinage est imbriqué.