Titre de l’invention : Procédé d’assemblage des dents d’un stator à un carter

[0001] L’invention concerne un procédé d’assemblage des dents d’un stator à un carter dans une machine électrique tournante à flux axial, notamment du type à aimants permanents.

[0002] De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator, solidaire d’un carter, et un rotor, solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur ou d'un moteur électrique. Le carter est configuré pour porter à rotation l'arbre du rotor, par exemple par l'intermédiaire de roulements.

[0003] Le rotor est pourvu de pôles formés par exemple par des aimants permanents alors que le stator comporte des bobinages des phases, constitués typiquement par des bobines fermées sur elles-mêmes qui sont enroulées autour de dents.

[0004] Dans les machines électriques à flux axial, stator et rotor sont agencés de manière à ce que le flux électromagnétique circule parallèlement à l’arbre du rotor. La plupart des machines électriques à flux axial comprennent plusieurs stators et/ou rotors présentant chacun une forme de disque, ces éléments étant séparés, suivant la direction axiale de l’arbre du rotor, par des interstices appelés des entrefers.

[0005] Dans certaines configurations, deux stators sont disposés de part et d’autre d’un rotor suivant la direction axiale de l’arbre du rotor. Chaque stator peut alors être uniquement composé des dents et de leurs bobinages, lesquelles sont fixées au carter. L’invention se rapporte plus particulièrement à ce type de configurations.

[0006] L’assemblage des dents du stator sur le carter influence grandement le rendement de la machine électrique. En effet, cet assemblage permet de maîtriser l’entrefer entre le stator et le rotor. L’entrefer répond notamment à des contraintes de distance très précises pour que le champ magnétique formé par le stator puisse entraîner le rotor en mode moteur. En outre, l’assemblage doit résister aux sollicitations subies par la machine électrique (vibrations, température...).

[0007] De plus, cet assemblage influence également le refroidissement de l’organe qui se fait, dans certaines configurations, par des circuits de refroidissement agencés sur les faces externes des carters.

[0008] Il existe plusieurs solutions d’assemblage des dents du stator aux carters, une première solution étant un assemblage par vissage. Cependant, cette solution apporte de l’ajout de matière et elle peut nécessiter de modifier la forme du cir- cuit de refroidissement pour être implémentée.

[0009] Une deuxième solution consiste à coller les dents du stator sur le carter. Mais l’utilisation de la colle pose un problème sur la durabilité de l’assemblage puisqu’elle peut se dégrader avec la chaleur à long terme. En outre, la présence d’une couche de colle peut créer une isolation thermique et réduire l’efficacité du circuit de refroidissement.

[0010] Il existe donc un besoin pour un procédé d’assemblage des dents du stator au carter sans ajout de matière permettant de garder un entrefer constant tout en permettant un refroidissement optimal de l’ensemble.

[0011] A cet effet, la présente invention propose une méthode d’assemblage de dents d’un stator à un carter métallique, le carter présentant une face interne destinée à recevoir les dents du stator et une face externe opposée à la face interne, ladite méthode d’assemblage comprend les étapes suivantes :

- une étape de positionnement d’une face de chacune des dents du stator contre la face interne du carter ;

- une étape de soudage par friction malaxage en transparence des dents du stator au carter à partir de la face externe du carter.

[0012] L’utilisation de la technique de soudage par friction malaxage en transparence présente l’avantage d’assurer la tenue de l’ensemble stator et carter aux sollicitations mécaniques tout en favorisant le refroidissement de l’ensemble stator et carter par un contact direct entre les dents de stator à refroidir et le carter.

[0013] Avantageusement et de manière non limitative, l’étape de positionnement peut comprendre :

- la fourniture d’une platine de bridage comprenant une face pourvue d’empreintes de positionnement de dents et d’un guide de positionnement du carter, par exemple situé en un point central par rapport aux empreintes, ces empreintes présentant une profondeur prédéterminée et étant agencées selon une disposition correspondant, après assemblage des dents au stator, à la disposition relative des dents du stator, notamment par rapport à un point central du stator,

- le positionnement des dents à assembler dans les empreintes de positionnement de dents,

- le positionnement du carter sur la platine de bridage, sa face interne étant en appui contre ladite face de chacune des dents, un orifice de passage d’un arbre moteur du carter étant engagé sur le guide de positionnement ,

- la fixation du carter sur la platine de bridage.

[0014] Un avantage de cette étape de positionnement est de permettre le maintien de l’ensemble stator et carter lors du soudage dans la position d’assemblage souhaitée. De la sorte, aucune pièce ne pourra se déplacer lors de l’étape de soudage et les dents sont fixées au carter de manière précise, permettant d’obtenir l’entrefer souhaité après assemblage de la machine électrique tournante.

[0015] Avantageusement et de manière non limitative, les empreintes de positionnement de dents peuvent être disposées radialement par rapport au guide de positionnement, notamment à une même distance du guide de positionnement.

[0016] Un avantage est de permettre le positionnement des dents du stator de sorte à ce qu’elle forme un disque avec comme centre de ce disque le guide de positionnement.

[0017] Avantageusement et de manière non limitative, la face de chaque dent soudée à la face interne du carter peut être au moins partiellement revêtue d’un matériau métallique, notamment au niveau d’une zone destinée à être assemblée à la face interne du carter.

[0018] Ceci peut permettre d’obtenir un meilleur soudage entre le carter et les dents du stator. Le revêtement peut avantageusement être un bon conducteur thermique pour faciliter l’évacuation de la chaleur et favoriser le refroidissement.

[0019] Avantageusement et de manière non limitative, l’étape de soudage par friction malaxage en transparence peut comprendre l’application d’un pion de malaxage contre la face externe du carter, sa mise en rotation et le déplacement du pion sur la face externe du carter suivant une trajectoire de soudage continue passant par au moins deux dents, de préférence par chacune des dents.

[0020] Par conséquent, le pion de malaxage n’est pas relevé pendant l’opération de soudage ou pendant au moins une partie de l’opération de soudage. On peut en effet prévoir une trajectoire de soudage continue pour l’ensemble des dents ou deux ou plusieurs trajectoires de soudage continues pour deux ou plusieurs groupes de dents, chaque groupe de dents comprenant deux ou plusieurs dents.

[0021] Ce mode de réalisation peut permettre de limiter la durée du soudage, notamment par rapport à une trajectoire discontinue. En effet, un soudage selon une trajectoire discontinue nécessite, pour chaque portion de trajectoire, d’arrêter la rotation du pion de malaxage, de le relever, de le déplacer et de le remettre en rotation avant de l’appliquer à nouveau sur la face externe du carter au niveau de la portion de trajectoire suivante.

[0022] Avantageusement et de manière non limitative, l’étape de soudage par friction malaxage en transparence peut comprendre, pour au moins une dent, de préférence pour chacune des dents, l’application d’un pion de malaxage contre la face externe du carter, sa mise en rotation et son déplacement sur la face externe du carter suivant une trajectoire de soudage située à l’intérieur de la surface de la face de la dent à souder au carter.

[0023] Dans ce mode de réalisation, la trajectoire est ainsi discontinue puisqu’elle nécessite de relever et déplacer le pion de malaxage pour souder les dents une à une.

[0024] Ce mode de réalisation permet de réduire la surface de soudage. Il permet également de pouvoir adapter plus facilement la trajectoire de soudage à la forme du circuit de refroidissement.

[0025] On pourra notamment prévoir de combiner différentes trajectoires de soudage : on pourra par exemple réaliser une trajectoire de soudage continue pour un ou plusieurs groupes de dents et une trajectoire de soudage pour des dents prises individuellement. Ceci peut permettre de faciliter l’adaptation des trajectoires de soudage à la forme du circuit de refroidissement.

[0026] Avantageusement et de manière non limitative, chaque dent peut être formée d’un empilement de tôles, chaque tôle s’étendant perpendiculairement à la face interne du carter après assemblage, et une partie de la trajectoire de soudage peut s’étendre parallèlement à une direction d’empilement des tôles.

[0027] Ceci présente l’avantage de ne pas réaliser la soudure dans le sens de collage des tôles empilées et de limiter ainsi les risques d’un désassemblage des tôles.

[0028] L’invention concerne également un organe d’une machine électrique tournante à flux axial, ledit organe comprenant un stator et un carter, le stator comportant des dents dont une face est solidarisée à une face interne du carter par soudage par friction malaxage en transparence depuis une face externe du carter opposée à la face interne. Cet organe peut notamment être obtenu par le procédé selon l’invention.

[0029] L’invention concerne une machine électrique tournante à flux axial comprenant un rotor comportant un disque de rotor et un arbre, et deux organes comme décrit précédemment, dans lequel le disque de rotor est solidaire en rotation de l’arbre et les deux organes sont montés de part et d’autre du disque de rotor, la face interne du carter de chaque organe étant dirigée vers le disque de rotor et le carter de chaque organe étant monté sur l’arbre via des roulements, les deux carters étant assemblés l’un à l’autre.

[0030] L’invention concerne aussi un véhicule automobile équipé de la machine électrique tournante comme décrit précédemment, notamment en tant que moteur électrique.

[0031] L’invention peut notamment concerner les véhicules automobiles hybrides.

[0032] D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatifs, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[0033] [Fig. 1] est une vue en coupe d’une machine électrique à flux axial.

[0034] [Fig. 2] est une vue en perspective d’une platine de bridage utilisée pour la mise en œuvre de l’invention.

[0035] [Fig. 3] est une vue en perspective d’une platine de bridage recouverte des dents du stator pour la mise en œuvre de l’invention.

[0036] [Fig. 4] est une vue en perspective d’une platine de bridage avec au-dessus un carter d’une machine électrique à flux axial pour la mise en œuvre de l’invention. [0037] [Fig. 5] est une vue en coupe d’une machine électrique à flux axial sur laquelle on a représenté l’approche de l’outil de soudage pour la mise en œuvre de l’invention.

[0038] [Fig. 6] est une vue du dessus de l’organe d’une machine électrique tournante avec une trajectoire de soudage continue selon un mode de mise en œuvre de l’invention.

[0039] [Fig. 7] est une vue du dessus de l’organe d’une machine électrique tournante avec une trajectoire de soudage discontinue selon un mode de mise en œuvre de l’invention.

[0040] L’invention concerne une machine électrique 1 tournante à flux axial dans un véhicule automobile.

[0041] En référence à la figure 1, la machine électrique 1 tournante à flux axial comprend un rotor comprenant un disque de rotor 2 solidaire en rotation d’un arbre

3 de sortie. L’axe de rotation de cet arbre 3 s’étend perpendiculairement au disque de rotor 2 et passe au centre de ce dernier. De chaque côté du disque de rotor 2, la machine électrique 1 comprend également un organe 4 comprenant un stator 5 assemblé à un carter 6. Cet organe 4 est séparé du disque de rotor 2 par une distance fixe prédéterminée appelée entrefer 7.

[0042] Les deux organes sont similaires et présentent les mêmes éléments. Par souci de clarté, sur les figures 1 et 5, les éléments d’un seul des organes ont été désignés par des références et dans la suite de la description, seul l’un des organes

4 est décrit en détail, la structure de l’autre organe 4 étant identique ou similaire.

[0043] Le carter métallique 6 de l’organe 4 présente une face interne 8 et une face externe 9 opposée à la face interne 8. Ces faces 8, 9 sont les faces d’une paroi 26 du carter. Le carter peut être composé de tout métal ou alliage utilisé pour fabriquer habituellement des carters comme par exemple de l’aluminium. Le carter 6 est également monté sur l’arbre 3 via des roulements 10.

[0044] Le carter 6 présente une forme de demi-coque recouvrant ainsi le stator 5 et, en partie, le disque de rotor 2. Il présente ainsi une paroi 26 sensiblement plane venant définir les faces interne et externe et qui s’étend parallèlement au disque de rotor 2, cette paroi 26 étant munie d’une paroi latérale externe 27 formant une face dédiée à l’accouplement avec l’autre carter et d’une paroi latérale interne 28 comportant un logement de roulement. Les deux cartes des organes 4, situés de part et d’autre du disque de rotor 2 sont ainsi assemblés l’un à l’autre par leurs parois latérales externes 27, la face interne 8 de chaque carter étant en regard d’une face du disque de rotor 2. Les roulements 10 sont reçus dans les logements de roulement des parois latérales internes 28 des organes 4 et des logements correspondants de l’arbre 3.

[0045] Le stator 5 comprend des bobines formant des dents 11. Les dents 11 du stator

5 sont ici arrangées de sorte à former un disque, ou plus précisément un an- neau, dont le centre définit un passage cylindrique pour l’arbre 3. Elles sont donc placées radialement par rapport à ce passage cylindrique, à équidistance de ce dernier.

[0046] Les dents 11 sont typiquement fabriquées à partir d’un empilage de tôles métalliques 12, chaque tôle s’étendant perpendiculairement à la face interne 8 du carter 6 après assemblage. Les tôles métalliques 12 peuvent être formées de tout métal ou alliage utilisé habituellement pour les stators comme par exemple un alliage composé de fer et de silicium. Les dents 11 du stator 5 sont entourées de fils métalliques 13 formant ainsi la bobine. Les fils métalliques 13 peuvent être fabriqués avec des métaux ou alliages appropriés pour former une bobine comme par exemple le cuivre.

[0047] Une face 14 des dents 11 du stator 5 est solidarisée à la face interne 8 du carter 6 par soudage par friction malaxage en transparence depuis la face externe 9 du carter 6. Le stator 5 et le carter 6 sont par exemple assemblés par la méthode d’assemblage selon l’invention décrite ci-dessous.

[0048] La méthode d’assemblage comprend tout d’abord, une étape de positionnement d’une face de chacune des dents 11 du stator 5 contre la face interne 8 du carter 6. Cette étape de positionnement peut par exemple être mise en œuvre tel que décrit ci-après.

[0049] En référence à la figure 2, l’étape de positionnement comprend la fourniture d’une platine de bridage 15. Cette platine 15 de bridage est une plaque dont une face est pourvue d’empreintes 16 de positionnement des dents 11 et d’un guide de positionnement 17 du carter 6. La platine 15 de bridage présente ici une forme de disque, l’invention n’est toutefois pas limitée à une forme particulière de la platine pourvue qu’elle comporte des empreintes et un guide de positionnement.

[0050] Les empreintes 16 sont disposées en forme de disque ou plus précisément en forme d’anneau, chaque empreinte 16 étant située à équidistance d’un point central. Les empreintes 16 sont ainsi agencées selon une disposition relative identique à la position relative des dents 11 du stator 5 après leur assemblage. Le point central correspond au centre du passage cylindrique défini par les dents du stator et par lequel passera l’arbre 3. Le guide de positionnement 17, quant à lui, est situé au niveau de ce même point central par rapport à l’emplacement des empreintes 16, il est notamment centré sur ce point central. Le guide de positionnement 17 se présente par exemple sous la forme d’un plot cylindrique de forme complémentaire d’un orifice de passage 18 du carter par lequel passe l’arbre 3 et présente un épaulement 17’ sur lequel vient s’appuyer la paroi 26 du carter, tel que représenté figures 2-4. Dans l’exemple représenté, cet orifice de passage 18 est défini par la paroi latérale interne 28 du carter.

[0051] Les empreintes 16 présentent une profondeur prédéterminée selon une disposition correspondant à la disposition relative des dents 11 du stator 5 après as- semblage. L’homme du métier pourra déterminer la profondeur des empreintes 16 pour obtenir, après assemblage au carter 6 et assemblage complet de la machine électrique 1, un positionnement des dents 11 par rapport au carter 6 assurant l’entrefer 7 souhaité avec le disque de rotor 2. Cette profondeur pourra en outre être suffisante pour éviter tout déplacement des dents lors du positionnement du carter. En outre, la hauteur du guide de positionnement 17 est choisie pour assurer un contact des dents 11 avec le carter 6 lorsque celui-ci est engagé sur le guide de positionnement 17.

[0052] En référence à la figure 3, l’étape de positionnement comprend ensuite le positionnement des dents 11 à assembler dans les empreintes 16 de la platine 15 de bridage pour former le stator 5.

[0053] En référence à la figure 4, l’étape de positionnement comprend ensuite le positionnement du carter 6 sur la platine 15 de bridage. La face interne 8 du carter 6 est alors en appui contre la face 14 de chacune des dents 11 et l’orifice de passage 18 du carter est engagé sur le guide de positionnement 17 de la platine 15 de bridage.

[0054] L’étape de positionnement comprend enfin la fixation du carter 6 sur la platine 15 de bridage. Le carter 6 est ici fixé à la platine 15 de bridage au moyen d’oreilles 19 réparties tout autour du carter 6, ici sur sa paroi latérale externe 27. Les oreilles 19, en appui contre la platine 15 de bridage, sont alors fixées à la platine 15 de bridage par des moyens de fixations démontables tels que des vis.

[0055] Ensuite, la méthode d’assemblage comprend une étape de soudage par friction malaxage en transparence des dents 11 du stator 5 au carter 6 à partir de la face externe 9 du carter, par exemple mis en œuvre tel que décrit ci-après.

[0056] Le soudage par friction malaxage (aussi appelé FSW qui sont les initiales de « Friction Stir Welding » en anglais), se fait par transparence, c’est-à-dire que les éléments à souder sont placés l’un sur l’autre et soudés par l’extérieur d’un des éléments. Selon une technique connue, on pourra utiliser une tête de soudage 20 terminée par un épaulement d'appui 21 et un pion de malaxage 22 pouvant être entraîné en rotation autour d’un axe parallèle à une direction longitudinale du pion, telle que visible sur la figure 5. La figure 5 représente l’approche de l’outil de soudage sur la machine électrique au niveau du carter. Cependant le soudage en lui-même ne se fait pas sur la machine électrique montée, mais sur l’organe positionné sur la platine 15 de bridage comme montré sur la figure 4.

[0057] Lors du soudage par friction malaxage en transparence, le pion de malaxage 22 est positionné au niveau de la zone à souder, sa direction longitudinale s’étendant généralement perpendiculairement à la face externe 9 du carter 6. Le pion de malaxage 22 est mis en rotation et s’enfonce du fait du ramollissement local de la matière métallique du carter 6 et des dents 11. Le ramollissement est provoqué par l'augmentation de température suite aux frictions entre le pion de malaxage 22 et le carter 6 et les dents 11 de stator. L’homme du métier saura choisir une épaisseur appropriée du carter pour réaliser ce soudage, par exemple une épaisseur de 3 à 8 mm, telle que 4 mm par exemple.

[0058] La descente du pion de malaxage 22 est stoppée lorsque l'épaulement d'appui 21 arrive en contact avec la face externe 9 du carter 6. Le pion de malaxage 22, toujours en rotation, est alors déplacé le long d’une trajectoire de soudage 23 prédéterminée, ce qui provoque la formation d'un cordon de soudure composé d'un mélange de matières molles issues du carter 6 et des dents 11 du stator 5.

[0059] En se refroidissant, le cordon de soudure adopte une structure métallique hybride entre les matériaux constitutifs du carter 6 et des dents 11 du stator 5, ce qui assure une bonne cohésion entre celles-ci.

[0060] Pour obtenir un meilleur soudage entre le carter 6 et les dents 11 du stator 5, la face 14 de chaque dent 11 soudée peut être au moins partiellement revêtue d’un matériau métallique. Ce revêtement peut avantageusement être disposé au moins le long de la trajectoire de soudage prédéterminée. Pour faciliter l’évacuation de la chaleur lors du fonctionnement de la machine électrique 1, on pourra choisir un revêtement bon conducteur thermique, par exemple du cuivre ou tout autre alliage ou métal considéré comme bon conducteur thermique.

[0061] La trajectoire de soudage pourra être choisie en fonction de la forme du circuit de refroidissement 24 généralement intégré à la face externe 9 du carter 6. Il est en effet préférable que cette trajectoire de soudage 23 ne traverse pas le chemin du circuit de refroidissement 24 intégré au carter 6 et dont un exemple de réalisation est représenté figure 4.

[0062] En référence à la figure 6, selon une première alternative, la trajectoire de soudage 23 est continue, elle passe alors par chacune des dents 11. Par conséquent le pion de malaxage 22 n’est pas relevé durant tout le trajet et il est déplacé d’une dent à l’autre.

[0063] Cette configuration permet un gain d’énergie puisque le pion de malaxage 22 n’a pas besoin d’être relevé ou d’être remis en rotation pour être placé à un autre endroit. Le temps de soudage est également plus court par rapport à une trajectoire discontinue puisque déplacer et mettre en rotation le pion de malaxage 22 prend un certain temps.

[0064] En référence à la figure 7, selon une seconde alternative, pour chaque dent 11, la trajectoire de soudage 23’ est située à l’intérieur de la surface de la face 14 de la dent 11 à souder au carter 6. Ainsi la trajectoire de soudage 23’ est discontinue puisqu’il faut relever le pion de malaxage 22 entre chaque dent.

[0065] Cette configuration permet de réduire la surface de soudage et facilite également l’adaptation de la trajectoire de soudage 23 par rapport au circuit de refroidissement 24 intégré en partie au carter 6. [0066] Enfin, pour tenir compte du fait que chaque dent 11 est formée d’un empilement de tôles 12 qui s’étend perpendiculairement au carter 6 après assemblage, la trajectoire de soudage (23, 23’) s’étend parallèlement à une direction d’empilement des tôles au niveau de chaque dent. Cette direction d’empilement des tôles 12 s’étend radial ement par rapport au centre du stator 5. Sur les figures 6 et 7, les portions de trajectoire 23a et 23 ’a s’étendent ainsi également radialement.

[0067] Cette configuration permet ainsi d’éviter de dégrader l’empilement de tôles, notamment d’éviter un désassemblage des tôles. [0068] Une fois le soudage par friction malaxage terminé, on peut alors désolidariser le carter 6 de la platine 15 de bridage et récupérer l’organe 4 lequel peut ensuite être assemblé au disque de rotor 2 d’une machine électrique 1 de manière usuelle.