Titre de l'invention : Stator de machine électrique rotative à flux axial

La présente invention se rapporte à un stator de machine électrique rotative à flux axial.

Un domaine d'application envisagé est notamment, mais non exclusivement, celui de la motorisation des véhicules automobiles, et en particulier les véhicules électriques ou hybrides.

Des machines électriques rotatives à flux axial connues, comprennent usuellement un stator et en regard, un rotor discoïdal équipé d'aimants permanents.

Certaines autres machines électriques comprennent un rotor situé entre deux stators.

Les stators de ces machines électriques comportent une couronne support, ou culasse, réalisée dans un matériau magnétique, laquelle couronne présente une pluralité de dents, quinze par exemple, s'étendant selon une composante axiale. Les couronnes support sont réalisées à partir d'un empilage de tôles uniformes dites « électriques ». Ces tôles uniformes sont obtenues par poinçonnage et laminage simultané d’une même bande d’acier « électrique ».

Les dents sont régulièrement espacées les unes des autres en définissant des logements libres entre elles. Les logements sont de forme générale parallélépipédique rectangle, tandis que les dents sont de forme générale prismatique. Les dents s'étendent ainsi en pointe selon une composante radiale, vers le centre de la couronne.

Aussi, les dents comprennent chacune, un enroulement de fil conducteur formant un enroulement s'étendant dans les logements libres.

Au surplus, la couronne présente au sommet de chacune des dents, deux ailes opposées l'une de l'autre par rapport à la dent, pour venir s'étendre au droit des enroulements. Ces deux ailes opposées sont réalisées dans un matériau magnétique également de manière à pouvoir mieux guider les lignes de champ en dehors des enroulements de fil conducteur.

On pourra se référer au document FR 2 998 112 A1 , lequel décrit un tel stator. Ces stators permettent de réaliser des machines électriques performantes. Toutefois, leurs enroulements de fil conducteur génèrent beaucoup d'énergie thermique, ce qui grève les performances de la machine.

Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir un stator qui soit non seulement aisé et peu coûteux à fabriquer, mais aussi, qui ait un meilleur rendement.

Dans le but de résoudre ce problème, et selon un premier objet, il est proposé un stator de machine électrique rotative à flux axial comprenant : une couronne support réalisée dans un matériau magnétique, ladite couronne support présentant N dents s’étendant chacune selon une composante axiale jusqu’à un sommet, N étant un entier supérieur à 2, lesdites N dents étant séparées respectivement les unes des autres par N logements de façon que chacune desdites dents s’étende entre deux logements adjacents ; N enroulements de fils conducteurs respectivement enroulés autour desdites N dents, chacun desdits N enroulements s’étendant dans lesdits deux logements adjacents ; et, N paires d’ailes en matériau magnétique respectivement solidaires des sommets desdites N dents, les deux ailes de chacune desdites N paires s’étendant latéralement à l’opposé l’une de l’autre par rapport à chacune desdites N dents et respectivement au droit de chacun desdits N enroulements. Aussi, lesdites N paires d’ailes sont noyées ensemble au moins partiellement dans une seule pièce formant couvercle et coiffant lesdites N dents, de manière à confiner lesdits N logements pour pouvoir mieux les réfrigérer.

Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en œuvre d'une pièce adaptée à former couvercle, et incluant les N paires d’ailes, pour confiner les logements de manière à les réfrigérer efficacement. En effet, l'énergie thermique dégagée par effet Joule dans les fils des enroulements peut être efficacement évacuée par l'intermédiaire d'un réfrigérant, pour autant que les logements dans lesquels ces enroulements viennent s'étendre sont confinés.

En évacuant cette énergie thermique, on améliore très nettement le rendement et les performances de la machine électrique.

En revanche, l'entrefer, soit l'espacement entre les éléments du stator et ceux du rotor, doit être minimal pour conserver une bonne performance de la machine. Grâce à l'objet de l'invention, le sommet des dents et leurs ailes demeurent rapprochées du rotor malgré la mise en œuvre de la seule pièce formant couvercle, car elles sont parties intégrantes de ce couvercle, comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description.

En outre, et comme on l'expliquera également ci-après, lesdites N paires d’ailes sont avantageusement noyées ensemble au moins partiellement dans un matériau polymère.

Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux, lesdits N logements sont réfrigérés en injectant un fluide réfrigérant. Par exemple, on prévoit pour chacun des logements, une entrée de gaz froid et une sortie pour évacuer le gaz. Ainsi, l'énergie thermique dégagée par les enroulements est échangée avec le gaz froid qui peut être évacué, une fois réchauffée, par la sortie.

Préférentiellement, ledit fluide réfrigérant est guidé à l’intérieur desdits N logements à l’intérieur d’un conduit. Ainsi, on prévoit un conduit qui s'étend à l'intérieur de chacun des logements, autour des enroulements de fil. Le conduit est alors raccordé à l'extérieur des logements à un circuit de fluide réfrigérant.

Aussi, selon encore un autre mode de mise en œuvre, et dans la mesure où les logements sont suffisamment étanches, on prévoit une entrée d'un liquide réfrigérant et une sortie correspondante. De la sorte, on peut par exemple injecter à l'intérieur des logements, de l'huile pour évacuer l'énergie thermique produite par les fils conducteurs des enroulements.

Selon un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux, les deux ailes de chacune desdites N paires d’ailes forment ensemble un seul élément venant en applique contre le sommet de chacune desdites N dents. De la sorte, les lignes de champ magnétique générées par les enroulements de fil à travers les dents s'étendent sans discontinuité à travers les ailes. Cela contribue également à la performance de la machine électrique.

Selon une variante de réalisation de l'invention particulièrement avantageuse, mais non limitative, les ailes desdites N paires d’ailes sont réalisées par frittage de poudre métallique. Aussi, c'est également le cas lorsque les deux ailes de chacune desdites N paires d’ailes forment ensemble un seul élément. Ainsi, les ailes sont réalisées à un coût avantageux et sont aisées à mettre en œuvre dans ladite seule pièce pour former couvercle comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description.

Selon une autre variante de réalisation de l'invention, les ailes desdites N paires d’ailes sont réalisées dans un matériau composite à fibres de renfort métalliques. De la sorte, les fibres de renfort métallique sont noyées dans une matrice d'un matériau polymère. Par conséquent, la seule pièce formant couvercle inclut dans son épaisseur les ailes formées par les fibres métalliques. Par conséquent, on obtient à la fois la fonction des ailes en tant que guide des lignes de champ au plus près du rotor, et la fonction de confinement des logements. Aussi, de telles caractéristiques permettent d'obtenir des logements parfaitement étanches. Cela facilite le refroidissement des fils conducteurs.

Selon un autre objet, il est proposé un procédé de réalisation d’un stator de machine électrique rotative à flux axial tel que décrit ci-dessus. Le procédé comprend les étapes suivantes : on fournit une couronne support réalisée dans un matériau magnétique, ladite couronne support présentant N dents s’étendant chacune selon une composante axiale jusqu’à un sommet, N étant un entier supérieur à 2, lesdites N dents étant séparées respectivement les unes des autres par N logements de façon que chacune desdites dents s’étende entre deux logements adjacents ; on enroule N fils conducteurs respectivement autour desdites N dents de façon à former N enroulements, chacun desdits N enroulements s’étendant dans lesdits deux logements adjacents ; on fournit N paires d’ailes en matériau magnétique et on solidarise respectivement lesdites N paires d’ailes aux sommets desdites N dents, les deux ailes de chacune desdites N paires s’étendant latéralement à l’opposé l’une de l’autre par rapport à chacune desdites N dents et respectivement au droit de chacun desdits N enroulements. Et, on noie au moins partiellement lesdites N paires d’ailes ensemble dans une seule pièce formant couvercle et on coiffe lesdites N dents, de manière à confiner lesdits N logements pour pouvoir réfrigérer lesdits N logements.

Selon un premier mode de mise en œuvre, on surmoule les N paires d’ailes ensemble dans une seule pièce avec un matériau polymère pour réaliser la seule pièce formant le couvercle. Les ailes sont alors reliées entre elles par des portions de parois en matériau polymère relativement fines. Selon ce mode de mise en œuvre, les ailes sont maintenues contre les dents entre les sommets, tandis que les portions de parois du couvercle s'appliquent contre les sommets directement.

Selon un deuxième mode de mise en œuvre, on forme ensemble en un seul élément les deux ailes de chacune desdites N paires d’ailes et on vient porter en applique ledit seul élément contre le sommet de chacune desdites N dents. Ainsi, les deux ailes en un seul élément sont appliquées contre le sommet des dents et on vient surmouler les N seuls éléments directement sur la couronne pour former le couvercle. De la sorte, on améliore plus encore étanchéité des logements, tout en permettant d'assurer une parfaite continuité des lignes de champ.

Préférentiellement, on réalise les ailes desdites N paires d’ailes par frittage de poudre métallique. De la sorte, il est aisé de choisir et de réaliser le matériau adéquat pour le guidage des lignes de champ.

Selon un troisième mode de mise en œuvre, on réalise les ailes desdites N paires d’ailes dans un matériau composite à fibres de renfort métalliques. De la sorte, la seule pièce formant couvercle est relativement homogène et elle présente des zones formant les ailes, elles-mêmes constituées d'un même élément continu. Là également, la pièce formant couvercle est directement surmoulée sur la couronne, comme on l'expliquera plus en détail dans la suite la description.

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

[Fig. 1] est une vue schématique en perspective de dessus d’un élément du stator conforme à l’invention selon un mode de mise en œuvre ;

[Fig. 2] est une vue schématique partielle en coupe droite d’un élément de l’objet de la [Fig. 1] en combinaison avec un premier autre élément et selon un premier mode de réalisation ;

[Fig. 3] est une vue schématique partielle en coupe droite d’un élément de l’objet de la [Fig. 1] en combinaison avec un deuxième autre élément et selon un deuxième mode de réalisation ; [Fig. 4] est une vue schématique partielle en coupe droite d’un élément de l’objet de la [Fig. 1] en combinaison avec un troisième autre élément et selon un troisième mode de réalisation dans une première étape de réalisation ;

[Fig. 5] est une vue schématique de l’objet de la [Fig. 4] dans une seconde étape de réalisation ;

[Fig. 6A]-[Fig. 6C] sont des vues schématiques de mise en œuvre de l’invention selon le troisième mode de réalisation objet des [Fig. 4] et [Fig. 5] ;

[Fig. 7] est une vue schématique en perspective d’un élément du stator obtenu selon le troisième mode de réalisation ; et,

[Fig. 8] est une vue schématique partielle en coupe radiale du stator objet de l’invention.

La [Fig. 1] montre une couronne support 10 présentant un centre C et un axe de symétrie A. La couronne 10 est constituée d’un empilage d’une pluralité de tôles d’acier « électrique ».

Aussi, dans l’exemple nullement limitatif présenté ici, la couronne 10 présente quinze rainures en U 12 de symétrie cylindrique à base carrée et orientées selon des droites perpendiculaires à l’axe de symétrie A qu’elles coupent. De surcroît, les rainures en U 12 sont régulièrement espacées les unes des autres, Les quinze rainures en U 12 définissent ainsi quinze dents 14 de forme sensiblement prismatique, et s’étendant selon une composante axiale parallèle à l’axe de symétrie A. Aussi, les dents 14 s’étendent, par exemple, selon la direction axiale, sur une épaisseur comprise entre le tiers et le quart de l’épaisseur totale de la couronne 10.

Les dents 14 de forme prismatique sont également orientées radialement en direction du centre C de la couronne 10. Aussi, la longueur des dents 14 selon cette direction radiale est par exemple comprise entre le tiers et le quart du rayon extérieur de la couronne 10.

On observera que chacune des dents 14 présente, à l’intérieur de la couronne 10, une face intérieure 16, sensiblement concave, opposée à une face extérieure 18, sensiblement convexe et orientée vers l’extérieur de la couronne 10.

Chacune des dents 14 présente également deux faces latérales opposées 20, 22, défini par les deux rainures adjacentes 12, et une face supérieure libre 24. Chacune des quinze dents 14 reçoit alors l’enroulement d’un fil conducteur autour d’un axe Z, sensiblement parallèle à l’axe de symétrie A de la couronne 10.

On retrouve ainsi sur la [Fig. 2] une vue en coupe d’une dent 14, suivant un plan parallèle à l’axe de symétrie A de la couronne 10, et au voisinage de la face intérieure 16, parallèle également au plan moyen qu’elle définit.

On retrouve alors sur la [Fig. 2] les deux faces latérales opposées 20, 22 et un enroulements 26, divisé en deux premiers demi-enroulements 28, 30 qui s’étendent le long des deux faces latérales opposées 20, 22 et ainsi dans les deux rainures adjacentes 12, lesquelles forment alors deux logements adjacents.

Bien évidemment, l’enroulement 26 s’étend également en regard de la face intérieure 16 et de la face extérieure 18 opposée.

L’enroulement 26 de fil conducteur permet, en alimentant le fil conducteur en courant électrique, de générer à travers la dent 14, un champ magnétique parallèle à l’axe Z. On observera que les lignes de champ magnétique tendent à s’écarter de l’axe Z, en dehors de l’enroulement 26.

Aussi, il est opportun que ces lignes de champ soient guidées à l’intérieur d’un matériau métallique en dehors de l’enroulement 26 et au-delà de la dent 14.

De plus, le courant électrique tend à générer, par effet Joule, de l’énergie thermique à l’intérieur des logements.

Aussi, un but de l’invention, est de confiner les logements formés par les rainures 12 de manière à pouvoir évacuer de manière efficace, l’énergie thermique qui s’y accumule.

Aussi, il est également présenté sur la [Fig. 2], un premier mode de réalisation permettant, à la fois le guidage des lignes de champ au-delà de la dent 14 et aussi, de confiner les logements formés par les rainures 12.

Selon ce premier mode de réalisation, les deux faces latérales opposées 20, 22 de chacune des dents 14 sont entaillées en arrière de la face supérieure libre 24 de manière à former deux décrochements opposés 32, 34.

Chacune des dents 14, est alors associée à deux premières ailes 36, 38, obtenues par frittage de poudre métallique, et présentant chacune un retour 40, 42. Les deux premières ailes 36, 38 sont avantageusement réunies ensemble en une seule pièce à l’extrémité des dents 14, par une portion, non représentée, s’étendant le long de la face intérieure 16, et à l’opposé par une portion non représentée non plus, s’étendant le long de la face extérieure 18.

Aussi, les quinze paires d’ailes, décalées régulièrement les unes des autres de 30° sont surmoulées d’une couche d’un matériau polymère 44. Le matériau polymère, forme des portions 46 de film peu épaisses entre les ailes 36, 38 d’une même paire d’ailes, et vient également garnir les espaces 48 qui s’étendent entre les ailes 36, 38 de chacune des deux paires d’ailes contiguës, et ce de manière étanche. Autrement dit, les quinze paires d’ailes 36, 38 sont partiellement noyées dans la couche de matériau polymère 44.

Ainsi, l’ensemble des quinze paires d’ailes 36, 38 surmoulées, forment un couvercle étanche 50 qui peut alors venir coiffer la couronne. Les retours 40, 42 de chacune des paires d’ailes 36, 48 viennent alors s’engager respectivement dans les décrochements opposés 32, 34, tandis que les portions 46 de film peu épaisses viennent s’appliquer sur la face supérieure 24 de chacune des dents 14.

Grâce à ce mode de mise en œuvre, l’entrefer entre les éléments du rotor et du stator peut être très mince, grâce aux portions de film 46 peu épaisses. La machine électrique conservera alors une bonne performance.

Ainsi, les rainures 12 formant logements, sont confinées et peuvent être aisément réfrigérées comme on l’expliquera ci-après.

On se référera à présent à la [Fig. 3] montrant un deuxième mode de confinement des logements formés par les rainures 12.

Aussi, les éléments analogues présenteront la même référence que ceux de l’objet de la [Fig. 2] précédé d’un : « 1 ».

On retrouve alors sur la [Fig. 3] les deux faces latérales opposées 120, 122 et l’enroulement 126, divisé en deux deuxièmes demi-enroulements 128, 130 qui s’étendent le long des deux faces latérales opposées 120, 122 et ainsi dans les deux rainures adjacentes 112, lesquelles forment alors deux logements adjacents.

L’enroulement 126 s’étend également en regard de la face intérieure et de la face extérieure opposée. Aussi, selon ce deuxième mode de réalisation permettant, à la fois le guidage des lignes de champ au-delà de la dent 114 et aussi, de confiner les logements formés par les rainures 112, deux deuxièmes ailes 136, 138, d’une même paire d’ailes, sont formées ensemble d’un seul élément 135 venant en applique contre le sommet, ou face supérieure libre 124, de chacune des dents 114. L’élément 135 est également obtenu par frittage de poudre métallique.

Aussi, les quinze éléments 135, décalés régulièrement les uns des autres de 30° sont surmoulés d’une autre couche d’un matériau polymère 144. Ainsi, les quinze éléments 115 définissant les paires d’ailes 136, 138 sont noyés dans la couche de l’autre couche de matériau polymère 144.

On observera que, l’élément 115 en matériau magnétique, vient directement en contact avec la face supérieure libre 124,

Ainsi, l’ensemble des quinze éléments 135, forme un couvercle étanche 150 qui peut alors venir coiffer la couronne

On se référera maintenant à la [Fig. 4] montrant un troisième mode de confinement des logements formés par les rainures 12.

Aussi, les éléments analogues à ceux de l’objet de la [Fig. 2] présenteront la même référence précédé d’un : « 2 ».

On retrouve alors sur la [Fig. 4] les deux faces latérales opposées 220, 222 et l’enroulement 226, divisé en deux troisièmes demi-enroulements 228, 230 qui s’étendent le long des deux faces latérales opposées 220, 222 et ainsi dans les deux rainures adjacentes 212, lesquelles forment alors deux logements adjacents.

L’enroulement 226 s’étend également en regard de la face intérieure et de la face extérieure opposée.

Selon ce troisième mode de réalisation permettant le guidage des lignes de champ au-delà de la dent 214 et aussi, de confiner les logements formés par les rainures 212, le couvercle étanche 250 est formé d’une seule pièce dans un matériau composite incluant des portions de nappe de fibre métallique 252 et des portions de nappe de fibre de verre 254, le tout noyé dans une matrice d’un matériau polymère. On expliquera dans la suite de la description le procédé de réalisation du composite. Aussi, la portion de nappe de fibre métallique 252 imprégnée de sa matrice, définit deux troisièmes ailes 236, 238, d’une même paire d’ailes, et elles sont donc formées ensemble. La portion de nappe de fibre métallique 252 vient en applique contre le sommet, ou face supérieure libre 224, de chacune des dents 214.

Les quinze portions de nappe de fibre métallique 252 décalées régulièrement les unes des autres de 30° entre les quinze portions de nappe de fibre de verre 254, sont imprégnées de la matrice polymère et sont surmoulées ensemble directement sur la couronne 210, comme illustré sur la [Fig. 5], en formant le couvercle 250.

On décrira en référence aux [Fig. 6A] - [Fig. 6C], le procédé permettant d’obtenir le couvercle 250 illustré sur la [Fig. 5],

Ainsi, la [Fig. 6A] illustre vu de dessous, un premier empilement 260 de portions trapézoïdales de nappe de fibre de verre présentant une lumière central 262 trapézoïdale également. Elle illustre également, un second empilement 264 de portions trapézoïdales de nappe de fibre métallique.

Les deux empilements 260, 264 sont sensiblement de même épaisseur. Par exemple, ils comprennent chacun cinq nappes de fibre croisées.

Aussi, la largeur L des cinq nappes du second empilement 264 croit, de la vue de dessous apparaissant sur la [Fig. 6A], jusqu’à la vue de dessus apparaissant sur la [Fig. 6C].

Inversement, les cinq nappes du premier empilement 260 présentent une lumière centrale 262 qui s’élargit dans le sens de la largeur entre la vue de dessous apparaissant sur la [Fig. 6A] et la vue de dessus apparaissant sur la [Fig. 6C],

Ainsi, comme illustré sur la [Fig. 6B], vu sur la tranche, le second empilement 264 présente deux bords latéraux opposés 266, 268 en biseau, tandis que le premier empilement 260 présente deux bords intérieurs opposés 270, 272 en biseau également qui viennent s’appliquer à l’opposé contre et deux bords latéraux opposés 266, 268. De la sorte, la superposition respective des bords latéraux et intérieurs 266, 270 ; 268, 272 demeure à épaisseur constante des cinq nappes de fibre. Ainsi, quinze premiers et seconds empilement sont ajustés bord à bord en couronne dans un moule, de manière à ce que la nappe la plus large du second empilement 264 vienne en applique contre le fond du moule.

La couronne 10 est alors ajustée dans le moule, de manière à ce que la face supérieure libre 224 de chacune des dents vienne précisément et respectivement en applique contre la nappe la plus étroite de chacun des seconds empilements 264.

Et on injecte alors dans le moule un matériau polymère, préférentiellement un matériau polymère thermoplastique visqueux à une température supérieure à 100 °C. Le matériau polymère imprègne tous les empilements de nappe.

On obtient ainsi, après refroidissement du polymère, le couvercle 250 fait d’une seule pièce que l’on retrouve sur la [Fig. 7] en perspective, dépourvu de la couronne pour des raisons explicatives.

On observera que les deux bords latéraux opposés 266, 268 en biseau du second empilement 264, représentés sur la [Fig. 6B] forment alors les deux ailes opposées 236, 238 telles que représentées sur la [Fig. 5].

La [Fig. 8] illustre ainsi, selon une coupe diamétrale et conformément à un mode de réalisation particulier, le couvercle 250, lequel vient confiner les espaces libres 212. On retrouve la couronne 210 installée à l’intérieur d’un réceptacle circulaire en U 280, lequel coopère avec le couvercle 250 de manière étanche.

On retrouve les enroulements 226 autour des dents 214. On retrouve également les portions de nappe de fibre métallique 252 imprégnées de polymère, respectivement en applique contre les faces supérieures libres 224, des dents 214.

Les éléments du rotor de la machine électrique vont ainsi pouvoir venir s’étendre en regard de ces portions de nappe de fibre métallique 252 imprégnées.

Aussi, le réceptacle circulaire en U 280 présente des orifices d’entrées radiales 282, 284 de fluide réfrigérant, débouchant dans les espaces libres 212. Et il présente également des orifices de sortie axiales 286, 288, permettant d’évacuer le fluide chaud. Et de la sorte, grâce au couvercle étanche 250, le fluide réfrigérant peut circuler sans fuite autour des enroulements 226 de manière à les refroidir.

De la sorte, l’efficacité de la machine électrique n’est pas affectée.

Le couvercle 250 présente l’avantage d’avoir des portions magnétiques constituées de fibre métallique, qui s’étendent à la surface du couvercle 250. Et ces portions magnétiques peuvent interagir librement avec les éléments du rotor. Dans ces conditions, l’entrefer est ténu, et la machine électrique conserve toutes ses performances.

La couronne 210 décrite ci-dessus présente quinze dents. Selon certains autres modes de réalisation, elle en présente moins et selon d’autres, elle en présente plus.

Bien évidemment, le nombre de paires d’ailes est adapté en conséquence.