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EP3304694A2 - Armature électromagnetique pour une machine électrique tournante - Google Patents

Armature électromagnetique pour une machine électrique tournante

Info

Publication number
EP3304694A2
EP3304694A2 EP16731618.1A EP16731618A EP3304694A2 EP 3304694 A2 EP3304694 A2 EP 3304694A2 EP 16731618 A EP16731618 A EP 16731618A EP 3304694 A2 EP3304694 A2 EP 3304694A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
teeth
yoke
winding
electromagnetic
cylinder head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16731618.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
François BERNOT
Victor Ivan BERNAOLA MENDOZA
Rodret Charles MBIKOU MOUTSINGA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Francecol Technology SAS
Original Assignee
Francecol Technology SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR1501110A external-priority patent/FR3036871A1/fr
Priority claimed from FR1501112A external-priority patent/FR3036873A1/fr
Priority claimed from FR1501107A external-priority patent/FR3036872A1/fr
Application filed by Francecol Technology SAS filed Critical Francecol Technology SAS
Publication of EP3304694A2 publication Critical patent/EP3304694A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/325—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation for windings on salient poles, such as claw-shaped poles

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic armature for a rotating electrical machine, which leads in particular to a three-dimensional circulation of the magnetic flux in the machine and which advantageously replaces the usual claw structures.
  • the invention also relates to its manufacturing process.
  • Rotating electric claw machines where the stator and / or the rotor can use a claw structure are well known. The best known is the so-called Lundell machine, used in car alternators. These claw machines have the advantage of the simplicity of their winding, but are penalized by the low possible induction in the gap and their high rate of leakage. In the configuration where the claws are fed alternately, the resulting machine has interesting performance, but only at low speed.
  • the invention is more particularly described for a single-phase electrical rotating machine, without being limited thereto. It applies equally well to a polyphase machine, comprising at least one phase, and made by stacking axially along the same axis of rotation several machines resulting from the invention, and possibly connecting them with magnetic parts and coils, to form compound machines.
  • the word “corrugated coil” describes the winding of the electrical wires alternately on one side and the other of each magnetic pole, thus forming a coil wound around the magnetic poles except on at least one side. one of the faces of the pole.
  • the word “nested winding” describes the winding of the electrical wires all around each magnetic pole.
  • the word “electromagnetic armature” designates either a stator or a rotor of a rotating electrical machine, the armature being characterized in that it generates a magnetic flux coming out in a direction substantially radial, at the level of the gap surface. Said electromagnetic armature is characterized by all or some of the following points:
  • Npp a number of pairs of magnetic poles denoted "Npp", which number corresponds to the number of alternating pairs of magnetic flux returning (South) and outgoing (North) in the radial direction of axis z through its surface gap
  • rotary electrical machine describes any kind of electrical machine, particularly direct current, synchronous magnet, winding synchronous rotor, asynchronous squirrel cage rotor, wound rotor asynchronous, stepwise (called variable reluctance).
  • Said rotary electric machine comprises at least one internal electromagnetic armature and at least one external electromagnetic armature, which are separated by an electromagnetic air gap which corresponds to a substantially annular volume, defined by two cylinders centered on a z axis and of the same axial length.
  • Said electromagnetic gap defines a median interaction surface between the magnetic fluxes from the internal and external electromagnetic armatures respectively vis-à-vis.
  • the axis marked z corresponds to the axis of rotation of the electrical machine
  • the axis denoted x corresponds to the direction tangential to a cylinder centered on the z axis
  • the y axis corresponds to in the direction of a radius of a coplanar disk centered on the z axis
  • the word polar plane designates a plane orthogonal to the z axis.
  • the word "average air gap" defines the smallest radial distance in the radial direction of axis y between two electromagnetic armatures facing each other.
  • gap surface designates a cylinder of axis z which corresponds to the magnetic interaction surface between the internal and external electromagnetic reinforcements.
  • winding describes a set of electrical conductors inserted into one of the reinforcements electromagnetic, to generate a magnetic flux that traverses the gap surface in a radial direction.
  • SMC powder SMC for Soft Magnetic Composites in English
  • SMC powder describes an iron-based powder characterized by the partial electrical insulation of the elementary particles which form it, such as, for example, the powder SMC of the brand Hôganàs, which powder is compressed, according to one of the processes of the following non-exhaustive list: iron powder pressed cold or hot, iron powder pressed cold or hot and then hot-cooked, ferrite , a sintered iron powder, which process applied to the SMC powder makes it possible to obtain a magnetic circuit whose eddy current losses are reduced, with an isotropic magnetic characteristic.
  • FIG. 1 represents a partial perspective view of an electromagnetic armature of the state of the art.
  • an electromagnetic armature 1 as illustrated in FIG. 1 is formed of coplanar sheets 3 stacked axially along the z axis, to form a bundle of plates 4.
  • the plates are arranged in a coplanar plane xy and are stacked parallel in the z direction.
  • the armature 1 comprises an alternation of magnetic poles 5 defined by an alternation of notches 6.
  • the magnetic poles 5 form what is subsequently called teeth.
  • a winding 2 is wound around each magnetic pole 5, in order to create a flow that enters and leaves alternately between the successive magnetic poles 5. Said winding can be made in a wavy manner (that is to say going from one pole magnetic to another, changing face to each magnetic pole) or nested by completely surrounding each of the magnetic poles 5.
  • the coil 2 is schematized by a single dashed thick line; in fact, the winding comprises a multiplicity of turns which extend on the surface of the polar planes and in thickness along the axes z and x, and fills the space between the teeth.
  • the electromagnetic armature 1 thus produced is placed facing an electromagnetic air gap surface 7.
  • the coil heads that is to say the part of the winding flowing along a polar plane xy, take an axial thickness in the direction z important, which lost place produces no electromagnetic torque of direct way.
  • winding the electrical wire around the teeth of the frame is tedious, long and requires the minutia to properly position the wire and optimize the amount of wire wound, especially to optimize production costs (winding time) , amount of raw material used, especially when it is copper).
  • the purpose of the invention is therefore to provide an electromagnetic armature configured to accommodate a winding that does not have the drawbacks of space, in particular generated by the presence of the coil heads of the prior art or of low induction, and / or allowing optimally arrange the winding with respect to the teeth of the armature in order to gain in winding quantity.
  • the invention also aims to facilitate the manufacture of such a frame to associate a coil.
  • the electromagnetic armature comprises an electromagnetic yoke having a cylindrical surface of axis z intended to face an air gap surface, the cylindrical surface being said interaction surface, a plurality of teeth forming poles magnetic, the teeth being associated projecting with the interaction surface, in the direction of the gap surface, and disposed spaced around the cylinder head, and characterized in that each tooth has a recess arranged on the one of the faces of the tooth in a so-called polar plane orthogonal to the direction z, the recess being intended to receive a coil, and in that said teeth are arranged on the yoke so that the recesses are arranged alternately with each side of the mid-polar plane passing through the middle of the yoke, that is to say that the recesses of two adjacent teeth are respectively arranged on two opposite faces coplanar two polar opposite planes perpendicular to the z axis.
  • the recesses allow to accommodate the winding, gaining space in the z direction, and therefore the winding thickness at the winding heads, which allows in particular to reduce the electrical resistance and losses by Joule effect.
  • the winding is nested, namely that it surrounds the entire periphery of each of the teeth by lodging in each recess.
  • the winding is corrugated, that is to say that it travels only on one part of each tooth (and not all around) while passing from one magnetic pole to another, by changing from polar face to each magnetic pole while being housed in each recess.
  • This configuration of corrugated winding alternately passing only one side of a pole allows to gain winding thickness according to the z axis, by removing the winding at the coil head, while ensuring the required induction for each pole.
  • the induction losses are decreased, and the magnetic torque can be improved.
  • one or more teeth are independent of the yoke and are removably attached against the yoke (against the interaction surface).
  • the invention also relates to an electromagnetic armature comprising an electromagnetic yoke having a cylindrical surface of axis z intended to be opposite an air gap surface, the cylindrical surface being said interaction surface, a plurality of teeth forming magnetic poles, the teeth being associated projecting with the interaction surface, in the direction of the gap surface, and spaced apart around the cylinder head, characterized in that at least one tooth is independent of the yoke and is removably attached against the yoke (against the interaction surface).
  • the removability of one or more teeth provides several winding possibilities in order to associate the wire with each tooth optimally in order to minimize the amount of wire and to minimize the thickness of the wire at the coil head.
  • several examples of winding and association of the coil to the cylinder head are proposed with removable teeth.
  • the armature preferably comprises a plurality of removable teeth reported, said teeth being able to be successively adjacent or not, alternately adjacent or not.
  • the teeth of the same frame may have identical shapes or not.
  • the teeth may include recesses as described above.
  • the teeth comprise or not a recess alternately arranged on each side of the median polar plane.
  • the teeth are formed by stacked sheets or from SMC powder.
  • the electromagnetic yoke is formed of sheets which are arranged substantially parallel to an xy plane perpendicular to the z axis, and stacked in the z direction, while the teeth are formed of sheets which are arranged substantially parallel to the yz plane, and stacked either in the polar direction of rotation denoted ⁇ , or in the tangential direction x, or in a variable direction substantially perpendicular to the axis of rotation. z rotation.
  • the stacked sheets 15 are not arranged parallel to the y-z plane but angularly with respect to this plane, that is to say angularly with respect to the z axis; the sheets are then called twisted.
  • the pole sheets are thus arranged in planes that are not parallel to the planes of disposition of the sheets of the cylinder head.
  • the teeth cooperate with the yoke by mutual engagement with a limited radial thickness, preferably with a thickness of less than 10 mm, in particular of the order of 1 mm.
  • the teeth are associated with the breech by interlocking with or without play, and / or bonding and / or by an interface and fastening element. Nesting without play is in force.
  • the number of teeth is at least equal to the number of magnetic poles of the electrical machine to which the armature is intended.
  • the interaction surface between the yoke and the teeth is substantially circular, and is defined by a separation line which is translated in the z-axis direction, the separation line being
  • o is a broken line, in particular rectangular or triangular or trapezoidal, for driving the tooth in the cylinder head, preferably the tooth being pressed into the cylinder head in a direction inclined relative to the tangential surface of the cylinder head and preferably in a dimension of the order of D / 2 with D corresponding to the width of the tooth in the x direction;
  • the winding and / or the yoke and the teeth of the frame are covered with a silicone-based thermo-lacquering insulating resin of the type used for the thermo-lacquering of so-called thermal flat sheets or thermal ovens. or barbecue or gas stove, in particular the resin comprising at least 20% silicone, or even at least 98% silicone, and may further comprise acrylic and / or epoxy.
  • the invention also relates to a method for manufacturing an electromagnetic armature of the invention, characterized in that the winding is configured before association with the cylinder head or is obtained on the cylinder head by winding at least one electrically conductive wire, in particular the winding is made or associated in the frame among the following possibilities: the winding is carried out on an annular mandrel,
  • the winding is carried out on false removable teeth mounted on the cylinder head
  • the winding previously made is associated with the bare bolt, holding it by means of shims that are lost or dismountable after insertion, and then the teeth are arranged,
  • the method of the invention makes it possible in particular to facilitate the winding, to position it in a precise and regular manner, to arrange it optimally. In addition, we gain accordingly in amount of wound wire.
  • the winding wire may be a round wire or with a flat.
  • the invention furthermore relates to a method for isolating electrical conductors at high temperature, for an electric machine, making it possible to use the machine at higher temperatures in particular at 250 ° C.
  • the increase in temperature makes it possible to increase the power delivered by the electric machine.
  • the method of manufacturing the armature of the invention uses the electrical insulation method of the invention.
  • electrical conductor describes at least one electrical wire, generally several, wound around a magnetic flux tube in order to generate a magnetic flux, which magnetic flux is continuous or alternating.
  • the word "electrical wire” describes the electrical son or wires forming the electrical conductor.
  • Said electrical son may have an outer shape of flat, hexagonal, round, square, rectangular, or any other shape, regular or non-regular.
  • Said electrical wires may be solid or hollow.
  • Said electrical son may consist of one or more son, isolated or non-isolated between themselves, and grouped to form a single electrical wire, traversed by the same electric current.
  • the electrical conductor can be formed by the union of several electrical conductors in subgroups.
  • the arrangement of the electrical wires together, within a single electrical conductor or within the same electrical wire can use all known configurations of the state of the art, such as parallel, Roebel, diagonal, twisted or other arrangement.
  • an electric machine receives electrical conductors in its rotor and / or in its stator, which are optionally housed in notches, which are formed in a magnetic circuit, or in a non-magnetic carcass, as appropriate.
  • the isolation process between the electrical conductor and its electrically conductive support which may be a magnetic or non-magnetic circuit.
  • the word "electrical support” describes one or more parts receiving an electrical conductor, which parts are conducting electricity partially or completely. Said set of parts may be limited to one piece, or it may be formed of several pieces identical or different in material and shape.
  • the electrical support can be either ferromagnetic or non-ferromagnetic.
  • the electrical insulation method is applied either on the one hand to the electrical insulation between the electrical conductor and the electrical support, and on the other hand to the electrical insulation between the different electrical conductors forming the same electrical conductor, one and / or the other of said cases may use the isolation method of the invention.
  • the insulation process is in particular used in the method of manufacturing the electromagnetic armature of the invention with regard to the winding of the armature. Insulation applies both to the conductors conducting the winding and the winding with the yoke and the associated teeth.
  • the winding and / or the yoke and the teeth of the frame are covered with a silicone-based thermo-lacquering insulating resin of the type used for the thermo-lacquering of so-called thermal flat sheets or thermal ovens or barbecue or gas stove.
  • insulating resin describes a powder applied either by electrostatic spraying, or by any other method of the state of the art, on the parts to be insulated.
  • the insulating resin is designed for application on hot rooms, such as oven, barbecue, or gas stove walls. They withstand very high temperatures, above 250 ° C, or even the direct contact of a flame.
  • the isolation process comprises the following steps:
  • each of the elements which are the wire or wires forming the winding, as well as possibly the winding support (s), such as the yoke and / or the teeth, by an insulating resin of thermo-lacquering to silicone base, of the type used for the thermo-lacquering of flat thermal sheets or thermal ovens or barbecue or gas stove, the insulating resin is preferably applied by an electrostatic process from a powder which is sprayed,
  • baking the insulating resin in the oven at a normal temperature, indicated by its manufacturer, typically 220 ° C., or else baking the resin at a temperature below the nominal polymerization temperature, for example between 150 ° C. and 180 ° C,
  • a third step assemble the elements cold or hot
  • a fourth step possibly repeat the three preceding steps on the assembled assembly formed by the winding, the yoke and the teeth, if in the second step the firing was done at a temperature below the nominal polymerization temperature, a cooking of the assembled assembly is then necessary.
  • the insulating resin is preferably applied electrostatically from a powder, which is sprayed.
  • the silicone-based insulating resin is a thermosetting resin. It comprises at least 20% silicone, or at least 98% silicone.
  • the insulating resin used is the reference HT550 Interpon brand, which contains 100% silicone, it typically supports 550 ° C maximum operating temperature.
  • the insulating resin may further comprise acrylic and / or epoxy.
  • the insulating resin used is the HT350 reference of the Interpon brand, which contains silicone, epoxy and acrylic, it typically supports 350 ° C maximum operating temperature.
  • the insulating resin used is the HT450 reference of the Interpon brand, which contains silicone and acrylic, it typically supports 450 ° C maximum operating temperature.
  • the application of the innovative high-temperature electrical insulation method concerns at least the surfaces of the electrical conductors and the electrical supports which are opposite each other, and which must be physically separated from one another. distance adapted to the operating voltage of the electrical machine, in order to avoid electric shocks.
  • the resin electrical insulation coating can overflow said surfaces, or even cover the entire machine, to simplify the design.
  • said isolation process is applied to all the electrical conductors, electrical wires and electrical supports, forming the electrical machine, using the same resin on all the preceding parts.
  • the one or more cooking / polymerization operations can be repeated at each assembly of a group of conductors in an electrical support, or said cooking / polymerization operation can be done at once, once the electrical machine is assembled.
  • the invention relates to a rotating electrical machine comprising at least one electromagnetic armature of the invention forming a stator, and an annular magnetized rotor whose magnets are located opposite the gap surface, for constituting a single-phase machine with a single electromagnetic armature or a polyphase machine comprising an assembly in the z-axis direction of several spaced electromagnetic armatures.
  • FIG. 3 shows a partial perspective view of a second embodiment of an electromagnetic armature of the invention.
  • FIG. 4 represents a variant of FIG.
  • FIGS. 5a and 5b are views in section on a polar plane of the yoke of the magnetic armature, respectively of FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 6 is a sectional view in a y-z plane transverse to a polar plane, a tooth of the magnetic armature of Figure 2.
  • FIG. 7 illustrates a schematic sectional view of the organization of electrical conductors in an electrical support coated with an electrical insulation resin.
  • FIG. 8a and 8b illustrate two particular examples of a junction line of a tooth driven into the yoke of the frame.
  • the electromagnetic armature 10 of the invention illustrated in FIGS. 2 to 4 comprises an electromagnetic yoke 1 1, a coil 12, teeth 13 which are associated with the cylindrical surface of axis z of said cylinder head 1 1, protruding relative to this surface facing a magnetic gap surface 17.
  • the cylindrical surface facing the gap 17, which is the one associated with the teeth 13, is said mechanical interaction surface.
  • This mechanical interaction surface is substantially annular.
  • the yoke 1 1 is formed of flat sheets 16 which are arranged substantially parallel to the xy plane and stacked in the z direction.
  • the teeth 13 are at a distance from each other. They are distributed at regular intervals around the mechanical interaction surface of the cylinder head 1 January.
  • the teeth 13 receiving the winding 12 thus form vis-à-vis the gap surface 17 as successive magnetic poles of successively alternating polarities North and South.
  • the number of teeth 13 is at least equal to the number of magnetic poles of the electric machine.
  • the teeth 13 are formed of flat sheets 15 arranged in the same plane as the sheets 16 of the yoke 1 1, and stacked in the direction of the z axis.
  • the teeth 13 are preferably formed of plane sheets arranged substantially parallel to the plane yz, and stacked either in the polar direction of rotation denoted ⁇ , in the tangential direction x, or in a variable direction substantially perpendicular to the axis of rotation z.
  • the sheets 15 are not arranged parallel to the yz plane but angularly with respect to this plane, that is to say angularly with respect to the z axis; the sheets are then called twisted.
  • the plates 15 of the teeth / poles 13 are thus arranged in planes that are not parallel to the layout planes of the plates 16 of the cylinder head 1 1.
  • the magnetic flux generated by the winding 12 flows in the yoke 1 1 in a principal direction of rotation ⁇ , being circumscribed in a plane parallel to the plane of the sheets 15, thus without generating eddy currents, since it follows the direction of the sheets 16.
  • said magnetic flux passes in a substantially radial direction the teeth 13 in a plane yz, so without generating eddy currents, since it follows the direction plates 15 teeth which advantageously are not oriented parallel to the plate 16 of the cylinder head. It appears that a three-dimensional flow of the magnetic flux is then obtained in the magnetic armature, and this by using cut planar magnetic sheets oriented differently between those of the breech and those of the teeth.
  • Each tooth has a face in contact with the yoke 4, an opposite face facing the gap surface 17, two opposite faces called radial faces 5A and 5B (parallel to the yz plane), each radial face being opposite a radial face of an adjacent tooth, and two opposite faces 5C and 5D said polar, parallel to a polar plane.
  • the coil 12 extends in planes parallel to the interaction surface of the cylinder head. It can be arranged all around the periphery of a tooth 13. In a preferred variant (FIGS. 2 to 4), it is in a so-called corrugated form, being associated with each of the teeth 13 while passing from a magnetic pole to another, changing polar face to each magnetic pole. Thus, for one of the teeth 13, the coil 12 is associated with the face 5C, while for the adjacent tooth, it is associated with the opposite face 5D.
  • each tooth 13 has a recess 18 on one of its polar faces 5C or 5D. The recess 18 receives the coil 12.
  • the recess 18 has an open section, in particular U.
  • the recess comprises a longitudinal opening 18A which is opposite a polar plane (plane parallel to the xy plane) and two openings opposite sides 18B and 18C coplanar respectively to the opposite radial faces 5A and 5B.
  • the recess 18 being present only on one of the two polar faces of the tooth is thus alternately disposed on one of the faces of each pole (at the face of a coil head).
  • the armature 10 of the invention is configured:
  • teeth 13 with a solid peripheral surface (that is to say without recesses) combined preferably with a corrugated coil 12 (FIG. 2);
  • the teeth 13 are disposed on the cylinder head 1 1, so that their recess 18 is disposed alternately on each side of the median polar plane passing through the middle of the yoke 11, so that the winding 12 being corrugated rolls alternately on either side of said teeth 13.
  • the teeth 13 are divided into several parts, arranged in parallel along substantially an angular direction ⁇ .
  • the yokes 11 are divided into several parts arranged in parallel in a z-axis direction.
  • the electromagnetic armature 10 (and thus the yoke 11 and each tooth 13) has a length in the z-axis direction denoted d13.
  • the teeth 13 may have a length along the z axis equivalent to the length of the yoke or be smaller or larger.
  • the local electrical angle is defined as the mechanical angle at the local gap estimating point multiplied by the number of magnetic pole pairs.
  • the average air gap defines the smallest radial distance in the y-axis radial direction between the free surface of a tooth and the opposite magnetic armature beyond the gap surface. Said radial distance Heo is imposed by the shape of the junction line 19 between the sheets 15 and the cylinder head 11 (FIGS. 2 to 4), which reproduces the function describing the gap.
  • the junction surface between each of the teeth 13 and the yoke 1 1 is obtained by the linear translation substantially in the axial direction z of the junction line 19.
  • said junction surface between each of the teeth 13 and the yoke 1 is obtained by translating linearly the junction line 19 in a direction inclined relative to the z axis.
  • the teeth 13 are formed from magnetic sheets all substantially identical.
  • the sheets 15 of the teeth 13 have radial heights different from each other.
  • the junction line 19 between each of the teeth 13 and the cylinder head January 1 may have various geometries, a line of any kind or broken in at least two substantially straight sections and forming a triangle or a rectangle.
  • This configuration requires the sheets 15 forming the teeth 13 to have a radial height, in the radial direction of axis y, different from each other, in order to give the air gap a suitable shape, such as a ring of constant thickness in the radial direction of y-axis, or alternatively a variable thickness in the radial direction of y-axis.
  • the sheets 15 can be grouped together in batches of identical height in the y direction, in order to give the air gap 17 a staircase shape.
  • the junction line 19 has a shape that can be described as trapezoidal, that is to say that the yoke 1 1 has cavities 11A to accommodate the teeth 13, whose walls are inclined divergently or convergent relative to the tangential surface of the yoke.
  • each tooth 13 is depressed so that the dimension of the tooth introduced into the yoke in the direction of inclination is of the order of D / 2, with D corresponding to the width / thickness of the tooth according to the direction x.
  • the yoke preferably has a radial dimension along the y axis equivalent to D / 2.
  • the teeth 13 are made of SMC powder instead of stacked sheets.
  • At least one tooth is independent of the yoke January 1 before assembly thereof.
  • the tooth is called removable; it is removable at least before assembly to the cylinder head.
  • Removable teeth may be full or with a recess 18.
  • All the teeth 13 of the frame can be removable and attached to the breech, or only part of them can be removable (teeth that can be immediately adjacent or not).
  • the teeth 13 cooperate with the yoke by mutual engagement with a limited radial thickness.
  • the teeth 13 are associated with the yoke preferably by interlocking. With reference to FIGS. 3 to 5b, the teeth are partially driven into the cylinder head 1 1, the cylinder head having adapted receiving cavities 11A (FIGS. 5a and 5b) whose interaction surface follows the junction lines 19 of the teeth. 13.
  • the length d10 ( Figures 3 and 4) of depression in the radial direction of y-axis of each of the teeth 13 in the yoke 1 1 is preferably between a zero value and 10 mm.
  • said penetration length d10 must be small, typically 1 mm, in order to avoid eddy currents in the interaction zone, because of the local deviation of the magnetic flux.
  • the teeth 13 are inserted into force in the cavities of the cylinder head 11, possibly being bonded thereto.
  • the teeth 13 are depressed with a very small clearance in the cavities of the cylinder head 1 1 and are glued therein.
  • the teeth When the teeth are depressed, the teeth may have shoulders 13A which are applied on the surface of the cylinder head 1 1 ( Figures 8a and 8b). A functional clearance can be provided between the shoulders 13A and the cylinder head January 1, as well as in the bottom of the cavity 1 1 A (leaving a space 1 1 B). A shim 1 1 C ( Figure _8b) can if necessary be arranged in the bottom of the cavity 1 1 A in the space 1 1 B.
  • the cylinder head has radial protuberances on which are positioned the teeth by being glued.
  • the teeth may also include cavities to engage the growths by being nested and / or glued.
  • the teeth 13 are held on the yoke 1 1, either by an additional bonding resin with the whole of the electromagnetic armature, or by a non-magnetic piece, such as plastic, stainless steel or any other material, either by a hoop placed in the gap.
  • d 1 The dimension of the recess 18 along the z axis is denoted by d 1.
  • a dimension d1 1 is less than the distance between two successive armatures 1 1 if the rotating machine is intended to comprise several armatures.
  • d1 1 is equal to half the distance separating two successive armatures.
  • the distance between two successive electromagnetic armatures is between 1 mm and 5 mm.
  • the radial height of the recess 18 in the direction y. Said radial height is preferably less than 5 times the polar length of a tooth 13.
  • the polar length corresponds to the distance along the axis z between the polar faces 5C and 5D of a tooth, that is to say say d 13.
  • the dimension d12 of the recess in the radial direction y of the sheets 15 is preferably between 0 mm and the polar length d13 of a tooth 13, in particular between 1 and 4 mm.
  • the value d12 2mm corresponds to an optimum between the stress of minimizing the iron losses in the junction zone 19 and the loss of vacuum-induced winding volume left between the winding 12 and the cylinder head 11.
  • the dimension d15 is given by d10 + d12.
  • the dimension d 1 of the recess in the radial direction y of the plates 15 is preferably given by the following formula:
  • d11 d11 x (d15 - d11) / d15
  • the method of manufacturing the armature of the invention is as follows.
  • the winding 12 is made outside the electromagnetic armature 10, by winding the wire on an annular mandrel, which assembly is then shaped so as to be able to fit between the teeth 13, to form a winding 12.
  • the winding 12 may be flexible or rigid, before being introduced into the electromagnetic armature 10 in its final place.
  • the coil 12 is inserted on the yoke 11 where only part of the teeth 13 of the same polarity has been put in their final place.
  • all the teeth 13 corresponding to the same polarity either North or South
  • these teeth then being removable, are absent during the insertion of the winding 12 conformed beforehand, to allow its introduction in the axis direction. z.
  • Missing teeth are inserted in their place once the coil 12 is inserted on the teeth 13 of similar polarity already in place.
  • Other combinations of partial insertions of the teeth 13 and the coil 12 are possible, for example chosen from the following non-exhaustive list:
  • the electromagnetic armature of the invention can be isolated with a silicone-based high temperature insulation process, as will be seen later.
  • the description of the invention extends to all the operating modes of the rotary electric machine described, in the four quadrants of operation of the torque-speed plane of the shaft, and consequently in motor, generator and brake, in positive and negative direction of rotation.
  • the invention applies to any electromagnetic armature used to make either a stator or a rotor, rotating electrical machine, said armature can be supplied with direct or alternating current.
  • the description of the rotating electrical machine of the invention extends to a linear electric machine, performing a conformal transformation, which unrolls the dimensions in the polar axis x to linear dimensions.
  • All or part of the ferromagnetic parts constituting the invention may be made of SMC powder.
  • the electromagnetic armature of the invention can be used to realize a homopolar homogeneous machine, synchronous or asynchronous.
  • the resulting electrical machine can be controlled by an open loop voltage control algorithm, possibly associated with a noise reduction method of its encoder.
  • the electromagnetic armature When the electromagnetic armature is designed for a polyphase machine, several single-phase armatures such as that described with reference to Figures 2 to 4 are stacked at a distance from each other along the z axis. In this embodiment, several teeth or all the teeth of each frame or at least the second frame and following are removable. In addition, the single-phase armatures of the polyphase machine are arranged between them so as to ensure an angular offset between the magnetic poles of two consecutive armatures. This angular offset interphases is equal to (360 Npp) / Nphases where Npp is the number of magnetic poles, and Nphases, the number of phases (number of frames).
  • the method of electrically insulating the electrical conductors of the winding and / or the yoke and / or the teeth of the armature of the invention is now described.
  • the insulation process uses a thermosetting, silicone-based, high temperature resistant insulating resin, particularly at a temperature above 250 ° C.
  • FIG. 6 is a general schematic figure of an electrical conductor 40 associated with / mounted on its electrical support 100.
  • the electrical conductor 40 is formed by the union of several electrical wires 20, which are integrated for example in a notch formed in the electrical support 100.
  • the electrical wires are arranged parallel to each other, in superimposed layers 3. superimposed layers form a coil, such as the winding of the armature of the invention described above.
  • the support 100 corresponds for example to the armature 10 of the invention described above. The number of layers superimposed depends on the application, it is greater than or equal to unity.
  • Each electrical wire is insulated independently by the insulating resin applied to the bare electric wire, prior to its insertion into the electrical support 100.
  • Said electric wire 20 is preferably made of copper or aluminum.
  • the electrical wires 20 may all have substantially the same shape, and the same cross section. Alternatively, the electrical wires 20 have different cross sections. In a particular embodiment, the electrical wires 20 are insulated with the same insulating resin as the electrical support 00.
  • the resin is affixed to each of the son, and cooked, then the resin-coated son are joined to form the coil.
  • the isolation process is implemented in several successive steps which are as follows:
  • each of the electrical conductors 20, and the electrical support 100 are coated independently of one another, insulating resin.
  • each of said electrical conductors 20, as well as the electrical support 100 are fired separately at their nominal polymerization temperature.
  • each of said electrical conductors 20 coated with the polymerized resin is inserted into the electrical support 100 also coated with the polymerized resin.
  • said electrical conductors 20 are isolated a second time by deposition of a second layer of insulating resin on all of the conductors and the support, the conductors being formed by their association with the support in successive layers, which Insulating resin is preferably identical to the resin used in the first step. Then all of the electrical conductors 20 and the electrical support 100 coated with the second resin layer are fired at the nominal polymerization temperature of the resin.
  • the polymerization temperature is associated with a heating and cooling cycle, which is specific to each resin, which is clearly indicated by its manufacturer.
  • said polymerization temperature is substantially 220 ° C, which value is lower than the maximum temperature of use of the elements covered by the resin.
  • the isolation process is implemented in several successive steps which are as follows:
  • each of the electrical conductors 20, and the electrical support 100 are coated independently of one another, insulating resin.
  • each of said electrical conductors 20, and / or the electrical support 100 are fired separately at a temperature lower than their nominal polymerization temperature, for example in a range of 150.degree. 180 ° C then cooled.
  • the choice of said cooking temperature lower than the nominal value is preferably set so as, on the one hand, to allow the electrical conductors 20 and the electrical support 100 to be covered with a resin film which is sufficiently flexible to to support folding during the insertion of the conductors into the support, and secondly to allow better adhesion during the final final baking step between the various assembled parts.
  • each of said electrical conductors coated with the cured resin is inserted into the electrical support 100 also coated with the baked resin.
  • said electrical conductors are isolated a second time by depositing a second layer of insulating resin on all the conductors and the support, the conductors being formed by their association with the support in successive layers, which resin insulation is preferably identical to the resin used in the first step. Then all of the electrical conductors 20 and the electrical support 100 coated with the second resin layer are fired at the nominal polymerization temperature of the resin.
  • the repetition of the impregnation with the insulation resin makes it possible to make the electrical wires integral with the electrical support and the pre-cooking at a temperature below the polymerization temperature makes it possible to secure the elements together and thus to reinforce their behavior. mechanical and heat transmission.
  • the invention described is characterized by the use of a silicone-based insulating powder on each of the electrical conductors and on the electrical supports forming an electric machine.

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Abstract

Armature électromagnétique comportant une culasse électromagnétique (11) présentant une surface cylindrique d'axe z destinée à être en regard d'une surface d'entrefer (17), la surface cylindrique étant dite surface d'interaction, une pluralité de dents (13) formant des pôles magnétiques, associées en saillie à la surface d'interaction, en direction de la surface d'entrefer, et disposées de manière espacée et régulière tout autour de la culasse, caractérisée chaque dent (13) comporte un évidement (18) agencé sur l'une des faces de la dent dans un plan dit polaire orthogonal à la direction z, l'évidement étant destiné à recevoir un bobinage (12), et en ce que lesdites dents (13) sont disposées sur la culasse (11) de façon à ce que les évidements (18) soient disposés alternativement de chaque côté du plan médian polaire passant par le milieu de la culasse (11). En variante ou de manière additionnelle, une ou plusieurs dents (13) de l'armature sont indépendantes et rapportées contre la culasse.

Description

ARMATURE ÉLECTROMAGNÉTIQUE POUR MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE ET SON PROCEDE DE FABRICATION
L'invention concerne une armature électromagnétique pour machine électrique tournante, qui conduit notamment à une circulation tridimensionnelle du flux magnétique dans la machine et qui remplace avantageusement les structures à griffes usuelles. L'invention est également relative à son procédé de fabrication. Les machines électriques tournantes à griffes, où le stator et/ou le rotor peuvent utiliser une structure à griffes sont bien connues. La plus connue est la machine dite de Lundell, utilisée dans les alternateurs de voiture. Ces machines à griffes présentent l'avantage de la simplicité de leur bobinage, mais sont pénalisées par la faible induction possible dans l'entrefer et leur fort taux de fuites. Dans la configuration où les griffes sont alimentées en alternatif, la machine obtenue présente des performances intéressantes, mais seulement à faible vitesse de rotation.
L'invention est plus particulièrement décrite pour une machine tournante électrique monophasée, sans y être limitée. Elle s'applique tout aussi bien à une machine polyphasée, comportant au moins une phase, et réalisée en empilant axialement le long d'un même axe de rotation plusieurs machines issues de l'invention, et en les reliant éventuellement par des pièces magnétiques et des bobines, afin de former des machines composées.
Dans la description de l'invention, le mot « bobinage ondulé » décrit l'enroulement des fils électriques alternativement d'un côté et de l'autre de chaque pôle magnétique, formant ainsi une bobine enroulée autour des pôles magnétiques hormis sur au moins l'une des faces du pôle. Dans la description de l'invention, le mot « bobinage imbriqué » décrit l'enroulement des fils électriques tout autour de chaque pôle magnétique. Dans la description de l'invention, le mot « armature électromagnétique » désigne soit un stator, soit un rotor d'une machine électrique tournante, l'armature étant caractérisée en ce qu'elle génère un flux magnétique qui en sort dans une direction sensiblement radiale, au niveau de la surface d'entrefer. Ladite armature électromagnétique est caractérisée par tout ou partie des points suivants :
- elle peut être alimentée en courant alternatif ou continu ou puisé ou encore d'une forme quelconque,
- elle peut être soit monobloc, soit formée de plusieurs armatures électromagnétiques indépendantes, associées parallèlement à l'axe de rotation, pour former une machine polyphasée,
- elle s'inscrit dans un cylindre d'axe z,
- elle est, soit évidée, soit pleine en son centre,
- elle peut recevoir de façon optionnelle, soit un bobinage électrique, soit un ensemble d'aimants, soit être passive (sans aimants, ni bobinage),
- elle génère un flux magnétique dans la surface d'entrefer de direction sensiblement radiale,
- elle comporte un nombre de paires de pôles magnétiques noté « Npp », lequel nombre correspond au nombre de paires d'alternance de flux magnétique rentrant (Sud) et sortant (Nord) dans la direction radiale d'axe z au travers de sa surface d'entrefer,
- elle peut former l'inducteur ou l'induit d'une machine électrique tournante. Dans la description de l'invention, le mot « machine électrique tournante » décrit toute sorte de machine électrique, particulièrement à courant continu, synchrone à aimants, synchrone à rotor bobiné, asynchrone à rotor à cage d'écureuil, asynchrone à rotor bobiné, pas à pas (dite à réluctance variable). Ladite machine électrique tournante comporte au moins une armature électromagnétique interne et au moins une armature électromagnétique externe, lesquelles sont séparées par un entrefer électromagnétique qui correspond à un volume sensiblement annulaire, défini par deux cylindres centrés sur un axe z et de même longueur axiale. Ledit entrefer électromagnétique définit une surface d'interaction médiane entre les flux magnétiques issus des armatures électromagnétiques interne et externe respectivement en vis-à-vis.
Dans la description de l'invention, l'axe noté z correspond à l'axe de rotation de la machine électrique, l'axe noté x correspond à la direction tangentielle à un cylindre centré sur l'axe z et l'axe y correspond à la direction d'un rayon d'un disque coplanaire centré sur l'axe z, le mot plan polaire désigne un plan orthogonal à l'axe z. Dans la description de l'invention, le mot « entrefer moyen » définit la distance radiale la plus petite dans la direction radiale d'axe y entre deux armatures électromagnétiques en vis-à-vis.
Dans la description de l'invention, le mot « surface d'entrefer » désigne un cylindre d'axe z qui correspond à la surface d'interaction magnétique entre les armatures électromagnétiques interne et externe.
Dans la description de l'invention, le mot « bobinage » décrit un ensemble de conducteurs électriques insérés dans l'une des armatures électromagnétiques, afin de générer un flux magnétique qui traverse la surface d'entrefer dans une direction radiale.
Dans la description de l'invention, l'abréviation « poudre SMC » (SMC pour Soft Magnetic Composites en anglais) décrit une poudre à base de fer caractérisée par l'isolation électrique partielle des particules élémentaires qui la forment, comme par exemple la poudre SMC de la marque Hôganàs, laquelle poudre est compressée, selon l'un des procédés de la liste suivante non-exhaustive : poudre de fer pressée à froid ou à chaud, poudre de fer pressée à froid ou à chaud puis cuite à chaud, ferrite, poudre de fer frittée, lequel procédé appliqué à la poudre SMC permet d'obtenir un circuit magnétique dont les pertes par courant de Foucault sont réduites, avec une caractéristique magnétique isotrope. La figure 1 représente une vue partielle en perspective d'une armature électromagnétique de l'état de l'art.
De manière connue, une armature électromagnétique 1 telle qu'illustrée sur la figure 1 , est formée de tôles coplanaires 3 empilées axialement le long de l'axe z, pour former un paquet de tôles 4. Les tôles sont agencées dans un plan coplanaire x-y et sont empilées de façon parallèle dans la direction z. L'armature 1 comporte une alternance de pôles magnétiques 5 définis par une alternance d'encoches 6. Les pôles magnétiques 5 forment ce qui nommé par la suite des dents. Un bobinage 2 est enroulé autour de chaque pôle magnétique 5, afin de créer un flux qui entre et sort alternativement entre les pôles magnétiques successifs 5. Ledit bobinage peut être réalisé de façon ondulée (c'est-à-dire passant d'un pôle magnétique à un autre, en changeant de face à chaque pôle magnétique) ou imbriquée en entourant totalement chacun des pôles magnétiques 5. Le bobinage 2 est schématisé par une seule ligne épaisse en pointillés ; en réalité, le bobinage comporte une multiplicité de spires qui s'étendent sur la surface des plans polaires ainsi qu'en épaisseur selon les axes z et x, et remplit l'espace entre les dents. L'armature électromagnétique 1 ainsi réalisée est placée en vis-à-vis d'une surface d'entrefer électromagnétique 7.
Dans cette configuration connue, les têtes de bobine, c'est-à-dire la partie du bobinage circulant le long d'un plan polaire x-y, prennent une épaisseur axiale dans la direction z importante, laquelle place perdue ne produit aucun couple électromagnétique de façon directe.
Par ailleurs, bobiner du fil électrique autour des dents de l'armature est fastidieux, long et demande de la minutie pour positionner proprement le fil et optimiser la quantité de fil bobiné, en vue notamment d'optimiser les coûts de production (temps pour bobiner, quantité de matière première utilisée, en particulier lorsque c'est du cuivre).
L'invention a donc pour but de fournir une armature électromagnétique configurée pour accueillir un bobinage ne présentant pas les inconvénients d'encombrement, notamment généré par la présence des têtes de bobines de l'art antérieur ou de faible induction, et/ou permettant d'agencer de manière optimale le bobinage par rapport aux dents de l'armature afin de gagner en quantité de bobinage. L'invention vise également à faciliter la fabrication d'une telle armature pour y associer un bobinage.
Selon l'invention, l'armature électromagnétique comporte une culasse électromagnétique présentant une surface cylindrique d'axe z destinée à être en regard d'une surface d'entrefer, la surface cylindrique étant dite surface d'interaction, une pluralité de dents formant des pôles magnétiques, les dents étant associées en saillie à la surface d'interaction, en direction de la surface d'entrefer, et disposées de manière espacée tout autour de la culasse, et est caractérisée en ce que chaque dent comporte un évidement agencé sur l'une des faces de la dent dans un plan dit polaire orthogonal à la direction z, l'évidement étant destiné à recevoir un bobinage, et en ce que lesdites dents sont disposées sur la culasse de façon à ce que les évidements soient disposés alternativement de chaque côté du plan médian polaire passant par le milieu de la culasse, c'est-à-dire que les évidements de deux dents adjacentes sont agencés respectivement sur deux faces opposées coplanaires à deux plan polaires opposés perpendiculaires à l'axe z.
Ainsi, les évidements permettent de loger le bobinage, gagnant en encombrement dans la direction z, et par conséquent en épaisseur de bobinage au niveau des têtes de bobinage, ce qui permet notamment de diminuer la résistance électrique et les pertes par effet Joule. De plus, on gagne en quantité de cuivre lorsque le bobinage est en cuivre, ce qui diminue les coûts de fabrication. Selon une caractéristique, le bobinage est imbriqué, à savoir qu'il entoure la totalité de la périphérie de chacune des dents en se logeant dans chaque évidement.
En variante préférée, le bobinage est ondulé, c'est-à-dire qu'il chemine seulement sur une partie de chaque dent (et non tout autour) en passant d'un pôle magnétique à un autre, en changeant de face polaire à chaque pôle magnétique tout en étant logé dans chaque évidement.
Cette configuration de bobinage ondulé passant alternativement que d'un seul côté d'un pôle, permet de gagner en épaisseur de bobinage selon l'axe z, en supprimant du bobinage en tête de bobine, tout en assurant l'induction requise pour chaque pôle. En outre, les pertes par induction sont diminuées, et le couple magnétique peut être amélioré. Selon une autre caractéristique, une ou plusieurs dents sont indépendantes de la culasse et sont rapportées de manière amovible contre la culasse (contre la surface d'interaction).
L'invention est également relative à une armature électromagnétique comportant une culasse électromagnétique qui présente une surface cylindrique d'axe z destinée à être en regard d'une surface d'entrefer, la surface cylindrique étant dite surface d'interaction, une pluralité de dents formant des pôles magnétiques, les dents étant associées en saillie à la surface d'interaction, en direction de la surface d'entrefer, et disposées de manière espacée tout autour de la culasse, caractérisée en ce qu'au moins une dent est indépendante de la culasse et est rapportée de manière amovible contre la culasse (contre la surface d'interaction).
Ainsi, l'amovibilité d'une ou plusieurs dents procure plusieurs possibilités de bobinage afin d'associer le fil à chaque dent de manière optimale en vue de minimiser la quantité de fil et de minimiser l'épaisseur de fil en tête de bobine. Comme il sera vu plus loin, plusieurs exemples de bobinage et d'association du bobinage à la culasse sont proposés avec des dents amovibles.
L'armature comporte de préférence plusieurs dents amovibles rapportées, lesdites dents rapportées pouvant être successivement adjacentes ou non, alternativement adjacentes ou non. Les dents d'une même armature peuvent présenter des formes identiques ou non.
Les dents peuvent comporter des évidements tels que décrits ci-dessus. Ainsi, les dents comportent ou non un évidement alternativement agencé de chaque côté du plan médian polaire.
Les dents sont formées par des tôles empilées ou à partir de poudre SMC.
Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque les dents sont formées de tôles empilées, la culasse électromagnétique est formée de tôles qui sont agencées de façon sensiblement parallèles à un plan x-y perpendiculaire à l'axe z, et empilées dans la direction z, tandis que les dents sont formées de tôles qui sont agencées de façon sensiblement parallèle au plan y-z, et empilées soit dans la direction polaire de rotation notée Θ, soit dans la direction tangentielle x, soit dans une direction variable sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z. En variante, les tôles 15 empilées ne sont pas agencées parallèlement au plan y-z mais angulairement par rapport à ce plan, c'est-à-dire angulairement par rapport à l'axe z ; les tôles sont alors dites vrillées. Les tôles des pôles sont ainsi agencées dans des plans qui ne sont pas parallèles aux plans de disposition des tôles de la culasse.
De préférence, les dents coopèrent avec la culasse par engagement mutuel selon une épaisseur radiale limitée, de préférence selon une épaisseur inférieure à 10 mm, en particulier de l'ordre de 1 mm. Selon une autre caractéristique, les dents sont associées à la culasse par emboîtement avec ou sans jeu, et/ou collage et/ou par un élément d'interface et de solidarisation. L'emboîtement sans jeu se fait en force. Le nombre de dents est au moins égal au nombre de pôles magnétiques de la machine électrique à laquelle est destinée l'armature.
Selon une autre caractéristique, la surface d'interaction entre la culasse et les dents est sensiblement circulaire, et est définie par une ligne de séparation qui se translate dans la direction d'axe z, la ligne de séparation étant
o soit une portion de cercle ou d'ellipse, soit une droite, soit un triangle,
o soit une ligne brisée, notamment rectangulaire ou triangulaire ou trapézoïdale, permettant d'enfoncer la dent dans la culasse, de préférence la dent étant enfoncée dans la culasse selon une direction inclinée par rapport à la surface tangentielle de la culasse et de préférence selon une dimension de l'ordre de D/2 avec D correspondant à la largeur de la dent dans la direction x ;
o soit une ligne brisée rectangulaire ou triangulaire permettant de poser la dent au-dessus de la culasse ; Avantageusement, le bobinage et/ou la culasse et les dents de l'armature sont recouverts d'une résine isolante de thermo-laquage à base de silicone, du type celle utilisée pour le thermo-laquage de tôles planes dites thermiques ou de fours thermiques ou de barbecue ou de gazinière, en particulier la résine comportant au moins 20% de silicone, voire au moins 98% de silicone, et pouvant comporter en outre de l'acrylique et/ou de l'époxy.
L'invention est également relative à un procédé de fabrication d'une armature électromagnétique de l'invention, caractérisé en ce que le bobinage est configuré avant association à la culasse ou est obtenu sur la culasse en enroulant au moins un fil électriquement conducteur, notamment le bobinage est réalisé ou associé dans l'armature parmi les possibilités suivantes : - le bobinage est réalisé sur un mandrin annulaire,
- le bobinage est réalisé sur des fausses dents amovibles montées sur la culasse,
- le bobinage préalablement réalisé est associé à la culasse nue, en la maintenant à l'aide de cales perdues ou démontables après insertion, puis les dents sont disposées,
- séparer le bobinage en sous-bobines qui sont insérées séparément,
- insérer le bobinage sur la culasse où une partie seulement des dents, celles de même polarité, a été mise en place définitivement,
- utiliser des fausses dents amovibles durant l'étape d'insertion du bobinage, puis les remplacer par les dents définitives, les fausses dents étant avantageusement réalisées en matière plastique ou en acier inoxydable poli.
Le procédé de l'invention permet en particulier de faciliter le bobinage, de le positionner de manière précise et régulière, de l'agencer de manière optimale. En outre, on gagne en conséquence en quantité de fil bobiné. Le fil du bobinage peut être un fil rond ou avec un méplat.
L'invention concerne en outre un procédé d'isolation à haute température de conducteurs électriques, pour machine électrique, permettant d'utiliser la machine à des températures supérieures notamment à 250°C. L'augmentation de la température permet d'augmenter la puissance délivrée par la machine électrique. Plus particulièrement, le procédé de fabrication de l'armature de l'invention utilise le procédé d'isolation électrique de l'invention.
Dans la description qui suit, le mot « conducteur électrique » décrit au moins un fil électrique, en général plusieurs, enroulé autour d'un tube de flux magnétique afin d'y générer un flux magnétique, lequel flux magnétique est continu ou alternatif.
Dans la description de l'invention, le mot « fil électrique » décrit le ou les fils électriques formant le conducteur électrique. Lesdits fils électriques peuvent avoir une forme extérieure de méplat, hexagonale, ronde, carrée, rectangulaire, ou encore toute autre forme, régulière ou non régulière. Lesdits fils électriques peuvent être pleins ou creux. Lesdits fils électriques peuvent être constitués d'un ou plusieurs fils, isolés ou non-isolés entre eux-mêmes, et regroupés afin de former un seul fil électrique, parcouru par un même courant électrique. Le conducteur électrique peut être formé par la réunion de plusieurs conducteurs électriques réunis en sous- groupes.
Dans la description de l'invention, l'agencement des fils électriques entre eux, au sein d'un même conducteur électrique ou au sein d'un même fil électrique, peut utiliser toutes les configurations connues de l'état de l'art, telles qu'agencement parallèle, Roebel, diagonal, torsadé ou autre forme d'agencement. De manière connue, une machine électrique reçoit des conducteurs électriques dans son rotor et/ou dans son stator, qui sont éventuellement logés dans des encoches, lesquelles sont ménagées dans un circuit magnétique, ou dans une carcasse amagnétique, selon les cas. Le procédé d'isolation entre le conducteur électrique et son support conducteur de l'électricité, lequel peut être un circuit magnétique ou amagnétique.
Dans la description, le mot « support électrique » décrit une ou plusieurs pièces recevant un conducteur électrique, lesquelles pièces sont conductrices de l'électricité de façon partielle ou complète. Ledit ensemble de pièces peut être limité à une seule pièce, ou il peut être formé de plusieurs pièces identiques ou différentes en matière et en forme. Le support électrique peut être soit ferromagnétique, soit non- ferromagnétique.
Dans la description de l'invention, le procédé d'isolation électrique s'applique soit d'une part à l'isolation électrique entre le conducteur électrique et le support électrique, et soit d'autre part à l'isolation électrique entre les différents conducteurs électriques formant un même conducteur électrique, l'un et/ou l'autre desdits cas pouvant utiliser le procédé d'isolation de l'invention.
Le procédé d'isolation est en particulier utilisé dans le procédé de fabrication de l'armature électromagnétique de l'invention au regard du bobinage de l'armature. L'isolation s'applique aussi bien aux fils conducteurs réalisant le bobinage qu'au bobinage avec la culasse et les dents associées. Selon l'invention, le bobinage et/ou la culasse et les dents de l'armature sont recouverts d'une résine isolante de thermo-laquage à base de silicone, du type celle utilisée pour le thermo-laquage de tôles planes dites thermiques ou de fours thermiques ou de barbecue ou de gazinière.
Dans la description de l'invention, le mot « résine isolante » décrit une poudre appliquée soit par pulvérisation électrostatique, soit par tout autre procédé de l'état de l'art, sur les pièces à isoler. La résine isolante est conçue pour l'application sur des pièces chaudes, telles que des parois de four, de barbecue, ou de gazinière. Elles supportent des températures très élevées, supérieures à 250°C, voire le contact direct d'une flamme.
Le procédé d'isolation comporte les étapes suivantes :
- dans une première étape, enrober chacun des éléments que sont le ou les fils formant le bobinage, ainsi qu'éventuellement le ou les supports du bobinage, tels que la culasse et/ou les dents, par une résine isolante de thermo-laquage à base de silicone, du type celle utilisée pour le thermo-laquage de tôles planes thermiques ou de fours thermiques ou de barbecue ou de gazinière, la résine isolante étant de préférence appliquée par un procédé électrostatique à partir d'une poudre qui est pulvérisée,
- dans une deuxième étape, cuire la résine isolante au four à une température normale, indiquée par son fabriquant, typiquement 220°C, ou bien cuire la résine à une température inférieure à la température de polymérisation nominale, par exemple entre 150°C et 180°C,
- dans une troisième étape, assembler les éléments à froid ou à chaud, - dans une quatrième étape, répéter éventuellement les trois étapes précédentes sur l'ensemble assemblé formé par le bobinage, la culasse et les dents, si dans la deuxième étape la cuisson a été faite à une température inférieure à la température de polymérisation nominale, une cuisson de l'ensemble assemblé est alors nécessaire.
La résine isolante est de préférence appliquée par procédé électrostatique à partir d'une poudre, qui est pulvérisée.
Selon une caractéristique, la résine isolante à base de silicone est une résine thermodurcissable. Elle comporte au moins 20% de silicone, voire au moins 98% de silicone. A titre d'exemple de réalisation, la résine isolante employée est la référence HT550 de la marque Interpon, qui contient 100% de silicone, elle supporte typiquement 550°C de température maximale de fonctionnement. La résine isolante peut comporter en outre de l'acrylique et/ou de l'epoxy.
Selon un exemple de réalisation, la résine isolante employée est la référence HT350 de la marque Interpon, qui contient du silicone, de l'époxy et de l'acrylique, elle supporte typiquement 350°C de température maximale de fonctionnement.
Selon un autre exemple de réalisation, la résine isolante employée est la référence HT450 de la marque Interpon, qui contient du silicone et de l'acrylique, elle supporte typiquement 450°C de température maximale de fonctionnement. Dans la description de l'invention, l'application du procédé d'isolation électrique haute température innovant concerne au moins les surfaces des conducteurs électriques et des supports électriques qui sont en regard les unes des autres, et qui doivent être séparées physiquement d'une distance adaptée à la tension d'utilisation de la machine électrique, afin d'éviter les décharges électriques. Le revêtement d'isolation électrique en résine peut déborder desdites surfaces, voire recouvrir l'intégralité de la machine, afin d'en simplifier la conception. De façon préférentielle, ledit procédé d'isolation, est appliqué à l'ensemble des conducteurs électriques, fils électriques et supports électriques, formant la machine électrique, utilisant la même résine sur toutes les pièces précédentes.
La ou les opérations de cuisson/polymérisation peuvent être répétées à chaque assemblage d'un groupe de conducteur dans un support électrique, ou bien ladite opération de cuisson/polymérisation peut être faite en une seule fois, une fois la machine électrique assemblée.
Enfin, l'invention est relative à une machine électrique tournante comprenant au moins une armature électromagnétique de l'invention formant un stator, et un rotor aimanté annulaire dont les aimants sont situés en vis-à-vis de la surface d'entrefer, pour constituer une machine monophasée avec une seule armature électromagnétique ou une machine polyphasée comprenant un assemblage dans la direction d'axe z de plusieurs armatures électromagnétiques espacées.
La présente invention est maintenant décrite à l'aide d'exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l'invention, et à partir des illustrations ci-jointes, dans lesquelles : - La figure 2 représente une vue partielle en perspective d'un premier mode de réalisation d'une armature électromagnétique de l'invention.
- La figure 3 représente une vue partielle en perspective d'un second mode de réalisation d'une armature électromagnétique de l'invention.
- La figure 4 représente une variante de la figure 3.
- Les figures 5a et 5b sont des vues en coupe selon un plan polaire, de la culasse de l'armature magnétique, respectivement des figures 3 et 4.
- La figure 6 est une vue en coupe dans un plan de y-z transversal à un plan polaire, d'une dent de l'armature magnétique de la figure 2.
- La figure 7 illustre une vue en coupe schématique de l'organisation des conducteurs électriques dans un support électrique revêtus d'une résine d'isolation électrique.
- Les figures 8a et 8b illustrent deux exemples particuliers d'une ligne de jonction d'une dent enfoncée dans la culasse de l'armature.
L'armature électromagnétique 10 de l'invention illustrées sur les figures 2 à 4 comporte une culasse électromagnétique 1 1 , un bobinage 12, des dents 13 qui sont associées à la surface cylindrique d'axe z de ladite culasse 1 1 , en faisant saillie par rapport à cette surface en regard d'une surface d'entrefer magnétique 17. La surface cylindrique en regard de l'entrefer 17, qui est celle associée aux dents 13, est dite surface d'interaction mécanique. Cette surface d'interaction mécanique est sensiblement annulaire. De préférence, la culasse 1 1 est formée de tôles 16 planes qui sont agencées de façon sensiblement parallèle au plan x-y et empilées dans la direction z. Les dents 13 sont à distance les unes des autres. Elles sont distribuées à intervalle régulier tout autour de la surface d'interaction mécanique de la culasse 1 1.
Les dents 13 recevant le bobinage 12 forment ainsi vis-à-vis de la surface d'entrefer 17 autant de pôles magnétiques successifs de polarités successivement alternées Nord et Sud. Le nombre de dents 13 est au moins égal au nombre de pôles magnétiques de la machine électrique.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, les dents 13 sont formées de tôles 15 planes agencées dans les mêmes plans que les tôles 16 de la culasse 1 1 , et empilées dans la direction de l'axe z.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, les dents 13 sont pleines tandis que dans celui des figures 3 et 4, les dents 13 sont évidées comme il sera vu plus loin.
Dans les exemples des figures 3 et 4, les dents 13 sont formées de préférence de tôles 15 planes agencées de façon sensiblement parallèle au plan y-z, et empilées soit dans la direction polaire de rotation notée Θ, soit dans la direction tangentielle x, soit dans une direction variable sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z. En variante, les tôles 15 ne sont pas agencées parallèlement au plan y-z mais angulairement par rapport à ce plan, c'est-à-dire angulairement par rapport à l'axe z ; les tôles sont alors dites vrillées. Les tôles 15 des dents/pôles 13 sont ainsi agencées dans des plans qui ne sont pas parallèles aux plans de disposition des tôles 16 de la culasse 1 1.
En particulier, le flux magnétique généré par le bobinage 12 circule dans la culasse 1 1 selon une direction principale de rotation Θ, en étant circonscrit dans un plan parallèle au plan des tôles 15, donc sans générer de courants de Foucault, puisqu'il suit le sens des tôles 16. Puis avant de rejoindre la surface d'entrefer 17, ledit flux magnétique traverse dans une direction sensiblement radiale les dents 13 en suivant un plan y-z, donc sans y générer de courants de Foucault, puisqu'il suit le sens des tôles 15 des dents qui avantageusement ne sont pas orientées parallèlement aux tôles 16 de la culasse. Il apparaît qu'une circulation tridimensionnelle du flux magnétique est alors obtenue dans l'armature magnétique, et cela en utilisant des tôles magnétiques planes découpées orientées différemment entre celles de la culasse et celles des dents.
Chaque dent présente une face en contact avec la culasse 4, une face opposée en regard de la surface d'entrefer 17, deux faces opposées dites faces radiales 5A et 5B (parallèles au plan y-z), chaque face radiale étant en regard d'une face radiale d'une dent adjacente, et deux faces opposées 5C et 5D dites polaires, parallèles à un plan polaire.
Le bobinage 12 s'étend dans des plans parallèles à la surface d'interaction de la culasse. Il peut être agencé tout autour de la périphérie d'une dent 13. Dans une variante préférée (figures 2 à 4), il se présente sous une forme dite ondulée, en étant associé à chacune des dents 13 en passant d'un pôle magnétique à un autre, en changeant de face polaire à chaque pôle magnétique. Ainsi, pour l'une des dents 13, la bobine 12 est associée à la face 5C, tandis que pour la dent adjacente, elle est associée à la face opposée 5D. Dans les modes de réalisation des dents des figures 3 et 4, chaque dent 13 comporte un évidement 18 sur l'une de ses faces polaires 5C ou 5D. L'évidement 18 reçoit le bobinage 12. L'évidement 18 présente une section ouverte, en particulier en U. L'évidement comporte une ouverture longitudinale 18A qui est en regard d'un plan polaire (plan parallèle au plan x-y) et deux ouvertures latérales opposées 18B et 18C coplanaires respectivement aux faces radiales opposées 5A et 5B. L'évidement 18 en n'étant présent que sur l'une des deux faces polaires de la dent est ainsi disposé alternativement sur l'une des faces de chaque pôle (au niveau de la face d'une tête de bobine).
Par conséquent, de manière à gagner en encombrement de bobinage, l'armature 10 de l'invention est configurée :
- soit en présentant des dents 13 à surface périphérique pleine (c'est-à-dire dépourvues d'évidement) combinées de préférence à un bobinage 12 ondulé (figure 2) ;
- soit en présentant des dents 13 pourvues chacune d'un évidement 8, combinées à un bobinage 12 imbriqué ou de préférence ondulé
(figures 3 et 4).
Ainsi, le dépassement latéral du bobinage 12, dans le sens de l'axe z, au niveau des têtes de bobines, apparaît diminué, ce qui permet d'augmenter la surface d'interaction électromagnétique active 17.
Dans les exemples des figures 3 et 4, les dents 13 sont disposées sur la culasse 1 1 , de façon à ce que leur évidement 18 soit disposé alternativement de chaque côté du plan médian polaire passant par le milieu de la culasse 11 , afin que le bobinage 12 en étant ondulé s'enroule alternativement de part et d'autre desdites dents 13.
Dans un mode de réalisation particulier, les dents 13 sont divisées en plusieurs parties, agencées en parallèle suivant sensiblement une direction angulaire Θ. Dans un autre mode de réalisation particulier, les culasses 11 sont divisées en plusieurs parties agencées en parallèle selon une direction d'axe z. En regard des figures 2 à 4, l'armature électromagnétique 10 (donc la culasse 11 et chaque dent 13) présente une longueur dans la direction d'axe z notée d13. Les dents 13 peuvent présenter une longueur selon l'axe z équivalente à la longueur de la culasse ou bien être plus petites ou plus grandes.
L'entrefer ou distance notée Heo de direction radiale y entre l'extrémité des tôles 15 au regard de l'entrefer 17 et ladite surface d'entrefer 17, suit une loi particulière, en particulier selon la formule :
entrefer = Heo = (entrefer moyen) / (cosinus(angle électrique local))
L'angle électrique local est défini comme étant l'angle mécanique au point local d'estimation de l'entrefer multiplié par le nombre de paires de pôles magnétiques. L'entrefer moyen définit la distance radiale la plus petite dans la direction radiale d'axe y entre la surface libre d'une dent et l'armature magnétique opposée au-delà de la surface d'entrefer. Ladite distance radiale Heo est imposée par la forme de la ligne 19 de jonction entre les tôles 15 et la culasse 1 1 (figures 2 à 4), qui reproduit la fonction décrivant l'entrefer. De façon préférentielle, la surface de jonction entre chacun des dents 13 et la culasse 1 1 est obtenue par la translation linéaire sensiblement dans la direction axiale z de la ligne de jonction 19. En variante, ladite surface de jonction entre chacun des dents 13 et la culasse 1 est obtenue en translatant linéairement la ligne de jonction 19 dans une direction inclinée par rapport à l'axe z.
Dans un premier mode de réalisation particulier (figure 3), les dents 13 sont formées à partir de tôles magnétiques toutes sensiblement identiques.
Dans un autre mode de réalisation des tôles 15 des dents 13, illustré sur les figures 3 et 4, les tôles 15 ont des hauteurs radiales différentes les unes des autres. La ligne de jonction 19 entre chacune des dents 13 et la culasse 1 1 peut présenter diverses géométries, une ligne quelconque ou bien brisée en au moins deux tronçons sensiblement droits et formant un triangle ou un rectangle. Cette configuration impose aux tôles 15 formant les dents 13 d'avoir une hauteur radiale, dans la direction radiale d'axe y, différente les unes des autres, afin de donner à l'entrefer une forme adaptée, telle qu'un anneau d'épaisseur constante dans la direction radiale d'axe y, ou en variante une épaisseur variable dans la direction radiale d'axe y. Au regard d'une épaisseur variable de l'entrefer, les tôles 15 peuvent être regroupées par lots de hauteur identique dans la direction y, afin de donner à l'entrefer 17 une forme en escalier. Dans deux autres exemples particuliers en regard des figures 8a et 8b, la ligne de jonction 19 présente une forme que l'on peut qualifier de trapézoïdale, c'est-à-dire que la culasse 1 1 comporte des cavités 1 1A pour loger les dents 13, dont les parois sont inclinées de manière divergente ou convergente par rapport à la surface tangentielle de la culasse. De préférence, chaque dent 13 est enfoncée de sorte que la dimension de la dent introduite dans la culasse selon la direction d'inclinaison est de l'ordre de D/2, avec D correspondant à la largeur/l'épaisseur de la dent selon la direction x. En outre, la culasse présente de préférence une dimension radiale selon l'axe y équivalente à D/2.
Dans un mode de réalisation encore des tôles, les dents 13 sont réalisées en poudre SMC, à la place de tôles empilées.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, au moins une dent est indépendante de la culasse 1 1 avant assemblage à celle-ci. La dent est dite amovible ; elle est amovible au moins avant assemblage à la culasse.
Les dents amovibles peuvent être pleines ou avec un évidement 18.
La totalité des dents 13 de l'armature peut être amovible et rapportée sur la culasse, ou bien une partie seulement d'entre elles peut être amovible (dents qui peuvent être immédiatement adjacentes ou non).
Les dents 13 coopèrent avec la culasse par engagement mutuel selon une épaisseur radiale limitée. Les dents 13 sont associées à la culasse de préférence par emboîtement. En regard des figures 3 à 5b, les dents sont partiellement enfoncées dans la culasse 1 1 , la culasse comportant des cavités d'accueil adaptées 1 1A (figures 5a et 5b) dont la surface d'interaction suit les lignes de jonction 19 des dents 13. La longueur d10 (figures 3 et 4) d'enfoncement dans la direction radiale d'axe y de chacune des dents 13 dans la culasse 1 1 est comprise préférentiellement entre une valeur nulle et 10 mm. De façon préférentielle, ladite longueur d'enfoncement d10 doit être faible, typiquement 1 mm, afin d'éviter les courants de Foucault dans la zone d'interaction, à cause de la déviation locale du flux magnétique.
Dans une première variante de réalisation préférentielle, les dents 13 sont insérées en force dans les cavités de la culasse 11 , en y étant éventuellement collées. Dans une seconde variante, les dents 13 sont enfoncées avec un jeu très faible dans les cavités de la culasse 1 1 et y sont collées.
Lorsque les dents sont enfoncées, les dents peuvent présenter des épaulements 13A qui viennent en applique sur la surface de la culasse 1 1 (figures 8a et 8b). Un jeu fonctionnel peut être prévu entre les épaulements 13A et la culasse 1 1 , ainsi que dans le fond de la cavité 1 1 A (ménageant un espace 1 1 B). Une cale 1 1 C (figure _8b) peut si besoin être agencée dans le fond de la cavité 1 1 A au niveau de l'espace 1 1 B. Dans un autre mode d'association non illustré des dents à la culasse, la culasse comporte des excroissances radiales sur lesquelles sont positionnées les dents en y étant collées. Les dents peuvent également comprendre des cavités pour s'engager sur les excroissances en y étant emboîtées et/ou collées. Dans un autre mode encore d'association, les dents 13 sont maintenues sur la culasse 1 1 , soit par un résine de collage additionnelle avec l'ensemble de l'armature électromagnétique, soit par une pièce amagnétique, telle que plastique, acier inoxydable ou toute autre matière, soit par une frette placée dans l'entrefer.
Lorsque les dents présentent l'évidement 18. Ses dimensions sont les suivantes en regard des figures 2, 3 et 6. On note d1 1 , la dimension de l'évidement 18 selon l'axe z. a dimension d1 1 est inférieure à la distance entre deux armatures 1 1 successives si la machine tournante est destinée à comprendre plusieurs armatures. De préférence, d1 1 est égale à la moitié de la distance séparant deux armatures successives.
A titre d'exemple, la distance entré deux armatures électromagnétiques successives est comprise entre 1 mm et 5 mm. On note d16, la hauteur radiale de l'évidement 18 selon la direction y. Ladite hauteur radiale est de façon préférentielle inférieure à 5 fois la longueur polaire d'une dent 13. La longueur polaire correspond à la distance selon l'axe z séparant les faces polaires 5C et 5D d'une dent, c'est-à-dire d 13.
En regard des figures 2, 3, et 6, au niveau de la jonction entre la dent 13 et la culasse 1 1 , la dimension d12 de l'évidement dans la direction radiale y des tôles 15 est de façon préférentielle comprise entre 0 mm et la longueur polaire d13 d'une dent 13, notamment comprise entre 1 et 4 mm. La valeur d12=2mm correspond à un optimum entre la contrainte de minimisation des pertes fer dans la zone de jonction 19 et la perte de volume de bobinage induite par le vide laissé entre le bobinage 12 et la culasse 11. La dimension d15 est donnée par d10+d12.
Au niveau de la jonction entre l'entrefer et la dent 13, la dimension d 1 de l'évidement dans la direction radiale y des tôles 15 est de façon préférentielle donnée par la formule suivante :
d11 = d11 x (d15 - d11 ) / d15
Le procédé de fabrication de l'armature de l'invention est le suivant.
Dans un mode de réalisation préférentiel, le bobinage 12 est réalisé en dehors de l'armature électromagnétique 10, en enroulant le fil sur un mandrin annulaire, lequel assemblage est ensuite conformé, afin de pouvoir prendre place entre les dents 13, pour former un enroulement ondulé 12. Le bobinage 12 peut soit être souple, soit être rigide, avant d'être introduit dans l'armature électromagnétique 10 à sa place finale. De préférence, on insère la bobine 12 sur la culasse 11 où une partie seulement des dents 13 de même polarité a été mise à leur place définitive. Ainsi, toutes les dents 13 correspondant à une même polarité (soit Nord, soit Sud), ces dents étant alors amovibles, sont absentes lors de l'insertion du bobinage 12 conformé au préalable, afin de permettre son introduction dans la direction d'axe z. Les dents manquantes (de pôle opposé à celles déjà en place sur la culasse) sont insérées à leur place une fois que le bobinage 12 est inséré sur les dents 13 de polarité similaire déjà en place. D'autres combinaisons d'insertions partielles des dents 13 et de la bobine 12 sont possibles, par exemple choisies parmi la liste suivante non- exhaustive :
- insérer la bobine 12 sur la culasse 1 1 nue, en la maintenant à l'aide de cales perdues ou démontables après insertion, puis insérer les dents 13,
- séparer la bobine 12 en sous-bobines insérées séparément,
- utiliser des fausses dents amovibles durant l'étape d'insertion du bobinage, puis les remplacer par les dents 13 définitives, les fausses dents étant avantageusement réalisées en matière plastique ou en acier inoxydable poli.
L'armature électromagnétique de l'invention peut être isolée avec un procédé d'isolation haute température à base de silicone, comme il sera vu plus loin.
Toute la description de l'invention a été effectuée pour une machine tournante électrique dont la surface d'entrefer est un cylindre centré autour de son axe de rotation z. La transposition de l'invention à une machine de type discoïdale, où la surface d'entrefer est un disque, annulaire ou plein, centré sur l'axe de rotation, se fait de façon évidente par l'homme de l'art, en utilisant les symétries de conception adéquates, qui transposent par exemple les flux radiaux en flux tangentiels et réciproquement.
De façon évidente la description de l'invention s'étend à tous les modes de fonctionnement de la machine électrique tournante décrite, dans les quatre quadrants de fonctionnement du plan couple-vitesse de l'arbre, et par conséquent en modes moteur, générateur et frein, en sens de rotation positif et négatif. De façon évidente, l'invention s'applique à toute armature électromagnétique utilisée pour réaliser soit un stator, soit un rotor, de machine électrique tournante, ladite armature pouvant être alimentée en courant continu ou alternatif.
De façon évidente, dans la description de l'invention, le passage d'une structure à rotor extérieur, telle qu'illustrée, à une structure à rotor intérieur se fait par effet miroir vis-à-vis de la surface d'entrefer, comme le décrit l'état de l'art, en utilisant une symétrie radiale centrée autour de la surface d'entrefer.
De façon évidente, la description de la machine électrique tournante de l'invention s'étend à une machine électrique linéaire, en effectuant une transformation conforme, qui déroule les dimensions dans l'axe polaire x en des dimensions linéaires.
Toute ou partie des pièces ferromagnétiques constituant l'invention peut être réalisée en poudre SMC.
L'armature électromagnétique de l'invention peut être utilisée pour réaliser une machine homopolaire composée, synchrone ou asynchrone. La machine électrique résultante peut être commandée par un algorithme de commande en boucle ouverte de tension, associé éventuellement à un procédé de réduction du bruit de son codeur.
Lorsque l'armature électromagnétique est conçue pour une machine polyphasée, plusieurs armatures monophasées telles que celle décrite en regard des figures 2 à 4 sont empilées à distance les unes des autres selon l'axe z. Dans cette réalisation, plusieurs dents ou toutes les dents de chaque armature ou d'au moins la deuxième armature et suivantes sont amovibles. En outre, les armatures monophasées de la machine polyphasées sont agencées entre elles de manière à assurer un décalage angulaire entre les pôles magnétiques de deux armatures consécutives. Ce décalage angulaire interphases est égal à (360 Npp)/Nphases où Npp est le nombre des pôles magnétiques, et Nphases, le nombre de phases (nombre d'armatures).
Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être étendus à d'autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles magnétiques électromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées.
Il est à présent décrit le procédé d'isolation électrique des conducteurs électriques du bobinage et/ou de la culasse et/ou des dents de l'armature de l'invention. Le procédé d'isolation utilise une résine isolante thermodurcissable à base de silicone, résistante à haute température, en particulier à une température supérieure à 250 °C.
Pour faciliter la compréhension, le procédé d'isolation est décrit en regard de la figure 6 qui est figure schématique d'ordre général d'un conducteur électrique 40 associé/monté sur son support électrique 100.
Le conducteur électrique 40 est formé par la réunion de plusieurs fils électriques 20, lesquels sont intégrés par exemple dans une encoche formée dans le support électrique 100. Les fils électriques sont agencés parallèlement les uns aux autres, en couches superposées 3. Les couches superposées forment un bobinage, tel que le bobinage de l'armature de l'invention décrite plus haut. Le support 100 correspond par exemple à l'armature 10 de l'invention décrite plus haut. Le nombre de couches superposées dépend de l'application, il est supérieur ou égal à l'unité. Chaque fil électrique est isolé indépendamment par la résine isolante appliquée sur le fil électrique nu, préalablement à son insertion dans le support électrique 100. Ledit fil électrique 20 est constitué de préférence de cuivre ou d'aluminium.
Les fils électriques 20 peuvent avoir tous sensiblement la même forme, et la même section transversale. En variante, les fils électriques 20 ont des sections transversales différentes. Dans un mode de réalisation particulier, les fils électriques 20 sont isolés avec la même résine isolante que le support électrique 00.
A titre d'exemple, la résine est apposée sur chacun des fils, et cuite, puis les fils revêtus de résine sont réunis pour former le bobinage.
Dans un mode de réalisation particulier, le procédé d'isolation est mis en oeuvre en plusieurs étapes successives qui sont les suivantes :
- Dans une première étape, préalablement à l'assemblage des conducteurs électriques 20 dans le support électrique 100, chacun des conducteurs électriques 20, ainsi que le support électrique 100, sont enduits indépendamment l'un de l'autre, de résine isolante.
- Dans une deuxième étape, chacun desdits conducteurs électriques 20, ainsi que le support électrique 100, sont cuits séparément à leur température de polymérisation nominale. Dans une troisième étape chacun desdits conducteurs électriques 20 revêtus de la résine polymérisée est inséré dans le support électrique 100 également revêtu de la résine polymérisée.
Eventuellement, dans une quatrième étape, lesdits conducteurs électriques 20 sont isolés une seconde fois par dépôt d'une deuxième couche de résine isolante sur l'ensemble des conducteurs et du support, les conducteurs étant formés par leur association au support par couches successives, laquelle résine isolante est de préférence identique à la résine utilisée à la première étape. Puis l'ensemble des conducteurs électriques 20 et le support électrique 100 revêtus de la seconde couche de résine sont cuits à la température de polymérisation nominale de la résine.
Dans la description de l'invention, la température de polymérisation est associée à un cycle de chauffe et de refroidissement, qui est spécifique à chaque résine, lequel est indiqué clairement par son fabriquant. Typiquement, ladite température de polymérisation vaut sensiblement 220°C, laquelle valeur est inférieure à la température maximale d'utilisation des éléments recouverts par la résine.
Dans un autre mode de réalisation particulier, le procédé d'isolation est mis en œuvre en plusieurs étapes successives qui sont les suivantes :
- Dans une première étape, préalablement à l'assemblage des conducteurs électriques 20 dans le support électrique 100, chacun des conducteurs électriques 20, ainsi que le support électrique 100, sont enduits indépendamment l'un de l'autre, de résine isolante.
- Dans une deuxième étape, chacun desdits conducteurs électriques 20, et/ou le support électrique 100, sont cuits séparément à une température * inférieure à leur température de polymérisation nominale, par exemple dans une fourchette comprise en 150°C et 180°C puis refroidis. Le choix de ladite température de cuisson inférieure à la valeur nominale, est fixé de façon préférentielle, afin d'une part de permettre aux conducteurs électriques 20 et au support électrique 100 d'être recouverts d'un film de résine qui soit suffisamment souple pour supporter le pliage lors de l'insertion des conducteurs dans le support, et d'autre part de permettre une meilleure adhérence lors de la dernière étape de cuisson finale entre les différentes parties assemblées. Dans cette deuxième étape, il est possible de ne cuire à la température nominale de polymérisation, que les conducteurs électriques 20, ou que le support électrique 100.
- Dans une troisième étape chacun desdits conducteurs électriques 20 revêtues de la résine durcie est inséré dans le support électrique 100 également revêtu de la résine cuite.
- Dans une quatrième étape, lesdits conducteurs électriques 20 sont isolés une seconde fois par dépôt d'une deuxième couche de résine isolante sur l'ensemble des conducteurs et du support, les conducteurs étant formés par leur association au support par couches successives, laquelle résine isolante est de préférence identique à la résine utilisée à la première étape. Puis l'ensemble des conducteurs électriques 20 et le support électrique 100 revêtus de la seconde couche de résine sont cuits à la température de polymérisation nominale de la résine.
La répétition de l'imprégnation par la résine d'isolation permet de rendre les fils électriques solidaires du support électrique et la pré-cuisson à une température inférieure à la température de polymérisation permet de solidariser les éléments entre eux, et donc de renforcer leur tenue mécanique et la transmission de la chaleur. L'invention décrite est caractérisée par l'utilisation d'une poudre isolante à base de silicone sur chacun des conducteurs électriques et sur les supports électriques formant une machine électrique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Armature électromagnétique comportant une culasse électromagnétique (1 1 ) présentant une surface cylindrique d'axe z destinée à être en regard d'une surface d'entrefer (17), la surface cylindrique étant dite surface d'interaction, une pluralité de dents (13) formant des pôles magnétiques, associées en saillie à la surface d'interaction, en direction de la surface d'entrefer, et disposées de manière espacée tout autour de la culasse, caractérisée en ce que chaque dent (13) comporte un évidement (18) agencé sur l'une des faces de la dent dans un plan dit polaire orthogonal à la direction z, l'évidement étant destiné à recevoir un bobinage (12), et en ce que lesdites dents (13) sont disposées sur la culasse (1 1 ) de façon à ce que les évidements (18) soient disposés alternativement de chaque côté du plan médian polaire passant par le milieu de la culasse (1 1 ).
2. Armature électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le bobinage (12) entoure la totalité de la périphérie de chacune des dents en se logeant dans chaque évidement.
3. Armature électromagnétique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le bobinage (12) est ondulé, c'est-à-dire qu'il chemine seulement sur une partie de chaque dent en passant d'un pôle magnétique à un autre, en changeant de face polaire à chaque pôle magnétique tout en étant logé dans chaque évidement.
4. Armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que une ou plusieurs dents (13) sont indépendantes de la culasse et sont rapportées de manière amovible contre la culasse.
5. Armature électromagnétique comportant une culasse électromagnétique (1 1 ) présentant une surface cylindrique d'axe z destinée à être en regard d'une surface d'entrefer (17), la surface cylindrique étant dite surface d'interaction, une pluralité de dents (13) formant des pôles magnétiques, associées en saillie à la surface d'interaction, en direction de la surface d'entrefer, et disposées de manière espacée tout autour de la culasse, caractérisée en ce qu'au moins une dent (13) est indépendante de la culasse et est rapportée de manière amovible contre la culasse (1 1 ).
6. Armature électromagnétique selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs dents (13) amovibles rapportées qui sont successivement adjacentes ou non, alternativement adjacentes ou non, de forme identique ou non, et comportant ou non un évidement (18) alternativement agencé de chaque côté du plan médian polaire.
7. Armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la culasse électromagnétique ( 1 ) est formée de tôles (16) qui sont agencées de façon sensiblement parallèles à un plan x-y perpendiculaire à l'axe z, et empilées dans la direction z, tandis que les dents (13) sont formées de tôles (15) qui sont agencées de façon sensiblement parallèle au plan y-z, et empilées soit dans la direction polaire de rotation notée Θ, soit dans la direction tangentielle x, soit dans une direction variable sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z.
8. Armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les dents (13) sont formées par des tôles (15) empilées ou à partir de poudre SMC.
9. Armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lorsque les dents (13) sont amovibles, elles coopèrent avec la culasse (1 1 ) par engagement mutuel selon une épaisseur radiale limitée, de préférence inférieure à 10 mm, en particulier de l'ordre de 1 mm.
10. Armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lorsque les dents
(13) sont amovibles, elles sont associées à la culasse par emboîtement avec ou sans jeu, et/ou collage et/ou par un élément d'interface et de solidarisation.
1 1. Armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le nombre de dents (13) est au moins égal au nombre de pôles magnétiques de la machine électrique à laquelle est destinée l'armature.
12. Armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le bobinage (12) et/ou la culasse (1 1 ) et les dents (13) de l'armature sont recouverts d'une résine isolante de thermo-laquage à base de silicone, du type celle utilisée pour le thermo-laquage de tôles planes dites thermiques ou de fours thermiques ou de barbecue ou de gazinière, en particulier la résine comportant au moins 20% de silicone, voire au moins 98% de silicone, et pouvant comporter de l'acrylique et/ou de l'époxy.
13. Armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface d'interaction entre la culasse (1 1 ) et les dents (13) est sensiblement circulaire, et est définie par une ligne (19) de séparation qui se translate dans la direction d'axe z, la ligne de séparation étant o soit une portion de cercle ou d'ellipse, soit une droite, soit un triangle, o soit une ligne brisée, notamment rectangulaire ou triangulaire, trapézoïdale, permettant d'enfoncer la dent (13) dans la culasse (1 1 ), de préférence la dent étant enfoncée dans la culasse selon une direction inclinée par rapport à la surface tangentielle de la culasse et de préférence selon une dimension de l'ordre de D/2 avec D correspondant à la largeur de la dent dans la direction x ; o soit une ligne brisée rectangulaire ou triangulaire permettant de poser la dent (13) au-dessus de la culasse (1 1 ).
14. Procédé de fabrication d'une armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bobinage (12) est configuré avant association à la culasse (1 1 ) ou est obtenu sur la culasse en enroulant au moins un fil électriquement conducteur, notamment le bobinage est réalisé ou associé dans l'armature parmi les possibilités suivantes :
- le bobinage (12) est réalisé sur un mandrin annulaire,
- le bobinage (12) est réalisé sur des fausses dents amovibles montées sur la culasse (1 1 ),
- le bobinage (12) préalablement réalisé est associé à la culasse (1 1 ) nue, en la maintenant à l'aide de cales perdues ou démontables après insertion, puis les dents (13) sont disposées,
- séparer le bobinage (12) en sous-bobines qui sont insérées séparément,
- insérer le bobinage (12) sur la culasse (1 1 ) où une partie seulement des dents (13), celles de même polarité, a été mise en place définitivement, - utiliser des fausses dents amovibles durant l'étape d'insertion du bobinage, puis les remplacer par les dents (13) définitives, les fausses dents étant avantageusement réalisées en matière plastique ou en acier inoxydable poli.
15. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il fournit une isolation électrique du bobinage (12) et/ou de la culasse (1 1 ) et/ou des dents (13), l'isolation électrique comportant les étapes suivantes :
- dans une première étape, enrober chacun des éléments que sont le ou les fils formant le bobinage, ainsi qu'éventuellement le ou les supports du bobinage, tels que la culasse et/ou les dents, par une résine isolante de thermo-laquage à base de silicone, du type celle utilisée pour le thermo-laquage de tôles planes thermiques ou de fours thermiques ou de barbecue ou de gazinière, la résine isolante étant de préférence appliquée par un procédé électrostatique à partir d'une poudre qui est pulvérisée,
- dans une deuxième étape, cuire la résine isolante au four à une température normale, indiquée par son fabriquant, typiquement 220°C, ou bien cuire la résine à une température inférieure à la température de polymérisation nominale, par exemple entre 150°C et 180°C,
- dans une troisième étape, assembler les éléments à froid ou à chaud,
- dans une quatrième étape, répéter éventuellement les trois étapes précédentes sur l'ensemble assemblé formé par le bobinage, la culasse et les dents, si dans la deuxième étape la cuisson a été faite à une température inférieure à la température de polymérisation nominale, une cuisson de l'ensemble assemblé est alors nécessaire.
16. Machine électrique tournante comprenant au moins une armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 formant un stator, et un rotor aimanté annulaire dont les aimants sont situés en vis-à-vis de la surface d'entrefer (17), pour constituer une machine monophasée avec une seule armature électromagnétique ou une machine polyphasée comprenant un assemblage dans la direction d'axe z de plusieurs armatures électromagnétiques espacées.
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