EP2181492A2 - Machine electrique tournante, en particulier pour un demarreur de vehicule automobile - Google Patents

Machine electrique tournante, en particulier pour un demarreur de vehicule automobile

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Publication number
EP2181492A2
EP2181492A2 EP08827620A EP08827620A EP2181492A2 EP 2181492 A2 EP2181492 A2 EP 2181492A2 EP 08827620 A EP08827620 A EP 08827620A EP 08827620 A EP08827620 A EP 08827620A EP 2181492 A2 EP2181492 A2 EP 2181492A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnets
stator
magnetization
machine
machine according
Prior art date
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Ceased
Application number
EP08827620A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Benoît DUPEUX
Nicolas Labbe
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.)
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Equipements Electriques Moteur SAS filed Critical Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Publication of EP2181492A2 publication Critical patent/EP2181492A2/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/26—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with rotating armatures and stationary magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/17—Stator cores with permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/38—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with rotating flux distributors, and armatures and magnets both stationary
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/04—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation

Definitions

  • Rotating electric machine particularly for a motor vehicle starter
  • the present invention relates in particular to a rotating electrical machine, in particular for a motor vehicle starter.
  • EP-B1 -985 334 discloses a starter comprising a stator provided with a plurality of magnetic poles disposed on an inner circumferential surface of a cylinder head. Each magnetic pole is formed by a permanent ferrite magnet magnetized so that the north and south poles appear radially. Auxiliary magnets may be provided between the aforementioned magnets. These auxiliary magnets are made of ferrite and magnetized so that the north and south poles appear circumferentially. Space is provided between each auxiliary magnet and the cylinder head. Such an arrangement reduces magnetic leakage.
  • the object of the invention is, according to one of its aspects, a rotating electric machine with direct current, in particular for a starter of a motor vehicle, the machine comprising:
  • stator or inductor, comprising a magnetized structure with permanent magnetization, extending along a circumference of the stator, a rotor, or an inductor,
  • the machine being characterized in that the magnetized structure of the stator comprises at least one sector having a magnetization of direction different from radial and orthoradial directions of the stator.
  • the invention as defined above allows in particular to achieve the magnetized structure with two or more angular transitions between two consecutive magnetic poles of the machine.
  • the direction of magnetization can thus vary in a relatively progressive manner when one moves on the circumference of the magnetized structure.
  • the applicant has unexpectedly found that such a magnetized structure can increase the torque and the mass power of the machine, as well as reduce or even substantially cancel the displacement of the magnetic neutral line when the armature current increases. and thus substantially cancel the effects of the armature magnetic reaction.
  • the magnetic neutral line is defined as the place where the induction vanishes between two consecutive poles of the inductor.
  • the invention it is thus possible not to resort to a compensating winding and / or switching aid, or an angular offset of the brushes.
  • the invention may also make it possible to improve the switching and to limit the wear of the brushes and the vibro-acoustic radiation of the machine.
  • the angular transitions further enhance the mechanical stability of permanent magnets of the magnetized structure.
  • the sector with a magnetization direction different from radial and orthoradial directions extends over an electrical angle greater than 10 °, in particular 20 °, or even 30 ° or 40 °.
  • the electrical angle corresponds to an angle actually measured within the machine, also called the mechanical angle, multiplied by the number of pairs of poles of the machine, which amounts to considering any machine as a juxtaposition within the same set of several elementary machines with a single pair of poles.
  • the direction of magnetization in the magnetization sector of direction different from radial and orthoradial directions, forms with the orthoradial direction of the stator an angle of, for example, between 5 ° and 85 °, in particular between 10 ° and 80 °, or between 20 ° and 70 ° or between 30 ° and 60 °.
  • the magnetization within the magnetized structure has a non-parallel direction to itself when moving on a tower of the stator.
  • the direction of magnetization within the magnetized structure varies without angular jump greater than 90 °, in particular without angular jump greater than or equal to 45 °, when moves on the circumference of the stator.
  • the magnetized structure of the stator can be arranged against a yoke and have a magnetization chosen so that the magnetic field generated by the magnetized structure outside thereof, and measured in the absence of the yoke, is more weak that the generated field inside the magnetized structure, the magnetic energy outside the magnetized structure being in particular less than 30% or 20% of the magnetic energy inside the structure, the magnetic energy outside the structure, measured in the absence of the yoke, being notably substantially zero.
  • the angle between the direction of magnetization of the structure and a radial direction of the stator varies monotonously, that is to say this angle varies increasingly or decreasingly when moving from a magnetic pole to a next pole.
  • the magnetized structure of the stator comprises a plurality of permanent magnets, at least one of the magnets having, in a central region along a circumference of the stator, a directional magnetization of different magnetization of radial and orthoradial directions.
  • the magnetized structure of the stator may comprise a plurality of permanent magnets, at least one of the permanent magnets having at all points a magnetization of magnetization direction different from radial and orthoradial directions.
  • this permanent magnet has a direction of magnetization which is substantially parallel to itself at any point of the magnet.
  • the magnetized structure of the stator comprises at least two permanent magnets defining two consecutive magnetic poles of the magnetized structure and this structure further comprises two permanent magnets interposed between said two magnets defining the poles.
  • the magnetized structure may have, if appropriate, a thickness, measured in a radial direction of the magnetized structure, substantially constant when moving circumferentially from a magnetic pole of the structure to a next pole.
  • the magnetized structure may have a thickness that varies as one travels circumferentially from a magnetic pole of the structure to a next pole.
  • the magnetized structure may for example comprise permanent magnets of different thicknesses.
  • the magnetized structure is devoid of interrupted zone having an opening of electric angle greater than 1 ° in particular 2 ° or 5 °.
  • the interrupted zone corresponds for example to the presence of a tab of a support of the magnetized structure inserted in a radial slot of this structure.
  • This tongue defines an air gap between two permanent magnets of the magnetized structure.
  • the orientation of the magnetization direction within the magnetized structure varies, between two consecutive magnetic poles, substantially discontinuously or, alternatively, continuously.
  • the machine according to the invention can be of the type two or four poles, or preferably six poles or more.
  • the magnetized structure may comprise a number of permanent magnets strictly greater than the number of poles of the machine, in particular greater than or equal to twice the number of poles.
  • the machine can be of the six-pole type and the magnetized structure comprise 24 permanent magnets.
  • the magnetized structure comprises a number of permanent magnets less than or equal to the number of poles of the machine, being in particular equal to half the number of poles.
  • the machine may be six-pole type and the magnetized structure have three permanent magnets each extending at an angle of about 120 °.
  • the magnetized structure comprises at least one permanent magnet made of NdFeB, especially sintered.
  • the magnetized structure comprises at least one magnet made of ferrite.
  • the subject of the invention is also a rotating electric machine with direct current, in particular for a starter of a motor vehicle, the machine comprising: a stator comprising a magnetized structure with permanent magnetization, extending along a circumference of the stator,
  • the sinusoidal shape of the magnetization makes it possible to obtain a lower sensitivity to the armature reaction and to increase, if necessary, the torque developed by the machine.
  • the angular offset of the neutral line is chosen so as to improve the switching during operation of the machine, by actively accelerating the current in the rotor during inversion.
  • the achievement of the angular offset can be better controlled, particularly with respect to the case of a radial direction magnetization, because this angular offset is performed along a substantially linear or locally linear induction law.
  • the angular offset of the neutral line may in particular be greater than 15 ° electrical or 20 ° electrical.
  • the direction of the magnetization vector within the magnetized structure may, if desired, vary substantially sinusoidally throughout the circumference of this structure.
  • the magnetized structure comprises at least one sector having a magnetization vector that varies in a non-sinusoidal manner, for example with a radial direction in the sector, this sector extending in particular at an electrical angle greater than 10 °, in particular 20 °.
  • the machine forms a starter motor vehicle with a strong armature reaction.
  • the electric machine may comprise a gearbox.
  • the invention makes it possible, thanks to a gain in torque, to reduce the rotational speed of the commutator of the machine, for the same operating point of the torque, which ensures a longer time for switching and consequently a reduction in losses and electrical arcing (sparking) of brushes and collector.
  • the support carries a plurality of radial magnetization direction main magnets and a plurality of auxiliary magnets each disposed between two consecutive main magnets, and having an orthoradial magnetization direction.
  • Auxiliary magnets may for example have a thickness measured in a radial direction of the stator which is lower than that of the main magnets.
  • These auxiliary magnets are for example separated from the cylinder head by a space corresponding substantially to the difference in thickness between main magnets and auxiliary magnets.
  • the subject of the invention is also a rotating electric machine with direct current, in particular for a starter of a motor vehicle, the machine comprising:
  • stator comprising a magnetized structure in particular with permanent magnetization, extending along a circumference of the stator
  • the angular offset of the neutral line can be chosen to improve the switching during operation of the machine.
  • the intensity of the magnetization may be substantially constant or be variable, even if its direction varies.
  • the magnetic structure comprises, if desired, at least two magnets, in particular two permanent magnets, and at least one of the magnetic poles of the magnetic structure can be placed substantially on a circumferential end edge of one of the magnets , the direction of the magnetization within the magnet on this circumferential end edge being in particular substantially radial.
  • the magnetized structure comprises a plurality of magnets, and all the magnetic poles of the magnetic structure are each placed in a junction zone between two consecutive magnets.
  • the direction of the magnetization vector within at least one of the magnets of the magnetized structure varies, in particular substantially sinusoidally, when one moves circumferentially from a first circumferential end edge to a second edge. circumferential end of the magnet, the respective magnetization vectors on the circumferential end edges being of the same radial direction but in the opposite direction.
  • the machine comprises a number Nb of poles and the magnetized structure comprises an identical number Nb of magnets, in particular arranged adjacently.
  • a machine with six magnetic poles may comprise a magnetized structure with six permanent magnets.
  • the normal component of the induction generated by the stator in the air gap of the machine is shown in FIG. at least one cusp in the vicinity of one of the magnetic poles, this cusp corresponding in particular substantially to a junction between two consecutive magnets of the magnetized structure.
  • the normal component of the induction generated by the stator in the gap has a substantially sinusoidal shape along a circumference of the stator.
  • the normal component of the induction generated by the stator in the gap has a substantially trapezoidal shape along a circumference of the stator.
  • the subject of the invention is also a rotating electric machine with direct current, in particular a starter of a motor vehicle, the machine comprising:
  • stator comprising a magnetized structure in particular with permanent magnetization, extending along a circumference of the stator
  • the machine being characterized in that the magnetized structure comprises a plurality of main magnets and a plurality of auxiliary magnets each disposed between two main magnets, the auxiliary magnets having in particular an angular extent and / or a smaller radial thickness (s) than that (s) of the main magnets, and in that the magnetization vector in one of the Main and auxiliary magnets vary, for example continuously or stepwise, taking at least locally a different direction of radial and orthoradial directions.
  • the magnetization vector rotates, with respect to the radial direction, continuously or in stages, when one moves on a circumference of this magnet so that the magnetization vector takes different angles with respect to the radial direction along this circumference.
  • the main magnets and the auxiliary magnets advantageously provide magnetic contributions to the machine which are added in order to enhance the stator-rotor electromagnetic coupling, and hence the torque and the electromotive force.
  • the magnetization vector within at least one of the main magnets varies by taking at least locally a different direction of radial and orthoradial directions, and the magnetization vector at at least one of the auxiliary magnets is substantially uniform, in particular of orthoradial direction.
  • the direction of magnetization in this main magnet varies substantially sinusoidally from one edge to the other.
  • the magnetization vector within at least one of the auxiliary magnets varies by taking at least locally a different direction of radial and orthoradial directions, and the magnetization vector within at least one of the magnets. main is substantially uniform, including radial direction.
  • the magnetization vector within at least one of the main magnets and at least one of the auxiliary magnets varies by taking at least locally a different direction of radial and orthoradial directions. If desired, the magnetization direction jumps as one moves from one of the main magnets to the adjacent auxiliary magnet.
  • the direction of magnetization has a substantially constant direction when passing from one of the main magnets to the neighboring auxiliary magnet.
  • the stator comprises at least one clip arranged to hold at least one of the auxiliary magnets between two main magnets.
  • the main magnets are made of a material different from that of the auxiliary magnets.
  • the electric machine according to the invention can be arranged to operate at a maximum power of between 500 W and 2000 W, for example.
  • FIG. 1 shows, schematically and partially, a motor vehicle starter according to an exemplary implementation of the invention
  • FIGS. 4a and 4b are two graphs representing the variation of the vector potential as a function of the angle in the gap, respectively according to the invention and the state of the art,
  • FIG. 5 illustrates, schematically and partially, another example of a magnetized structure according to the invention
  • FIG. 6 illustrates the sinusoidal magnetization within a magnetized structure according to another exemplary implementation of the invention
  • FIG. 7 schematically represents the variation of the induction as a function of the angle, generated by a known magnetic structure
  • FIG. 8 diagrammatically represents the variation of the induction as a function of the angle, generated by the magnetic magnetization structure illustrated in FIG. 6;
  • FIGS. 9 and 10 illustrate two types of angular displacement of the neutral line, for the magnetic magnetization structure illustrated in FIG. 6,
  • FIG. 11 represents, schematically and partially, a magnetized structure according to another example of implementation of the invention.
  • FIG. 12 is a graph showing the variation of the induction generated by the magnetized structure of FIG. 11 in the air gap as a function of the circumferential angle
  • FIG. 13 is a graph showing the variation of the induction generated by a magnetized structure in the air gap as a function of the circumferential angle
  • FIG. 14 is a graph showing the variation of the induction generated by a magnetized structure in the air gap as a function of the circumferential angle, according to another example of implementation of the invention
  • FIG. 15 represents, schematically and partially, a magnetized structure according to a state of the art
  • FIG. 16 represents, schematically and partially, flow lines of the structure of FIG. 15, and
  • FIG. 1 shows very schematically a starter 1 for a motor vehicle combustion engine.
  • This DC starter 1 comprises, on the one hand, a rotor 2, also called an armature, rotatable about an axis X, and on the other hand, a stator 3, also called an inductor, around the rotor 2.
  • stator 3 comprises a yoke 4 carrying a magnetized structure 5 with permanent magnetization.
  • the rotor 2 comprises a rotor body 7 and a winding 8 wound in notches of the rotor body 7.
  • the rotating electrical machine formed by the starter 1 is six-pole type.
  • the winding 8 forms, on either side of the rotor body 7, a front bun 9 and a rear bun 10.
  • the rotor 2 is provided, at the rear, with a collector 12 comprising a plurality of contact pieces electrically connected to the conductive elements, formed in the example in question by wires, of the winding 8.
  • a group of brushes 13 and 14 is provided for the electrical supply of the winding 8, one of the brushes 13 being connected to the ground of the starter 1 and another of the brushes 14 being connected to an electrical terminal 15 of a contactor 17 via a wire 16.
  • the brushes are for example four in number.
  • the brushes 13 and 14 rub on the collector 12 when the rotor 2 is rotating, allowing the power supply of the rotor 2 by switching the electric current in sections of the rotor 2.
  • the starter 1 further comprises a launcher assembly 19 slidably mounted on a drive shaft 18 and drivable in rotation about the X axis by the rotor 2.
  • a gear reduction unit 20 is interposed between the rotor 2 and the drive shaft 18, in a manner known per se.
  • the starter 1 may be of the 'Direct Drive' type, without a gearbox.
  • the launcher assembly 19 comprises a drive element formed by a pulley 21 and intended to engage on a drive member of the combustion engine, not shown.
  • This drive member is for example a belt.
  • the pulley 21 may be replaced by a gear element, in particular a gear wheel, for driving the combustion engine.
  • the launcher assembly 19 further comprises a free wheel 22 and a pulley washer 23 defining between them a groove 24 for receiving the end 25 of a fork 27.
  • This fork 27 is made for example by molding a plastic material.
  • the fork 27 is actuated by the switch 17 to move the launcher assembly 19 relative to the drive shaft 18, along the X axis, between a first position in which the launcher assembly 19 drives the combustion engine by through the pulley 21, and a second position in which the launcher assembly 19 is disengaged from the combustion engine.
  • the switch 17 comprises, in addition to the terminal 15 connected to the brush 14, a terminal 29 connected via an electrical connection element, in particular a wire 30, to a power supply of the vehicle, in particular a battery.
  • FIG. 2 shows an example of a magnetized structure 5 according to a first embodiment of the invention.
  • the magnetized structure 5 comprises a number of permanent magnets, this number being equal to 24, strictly greater than the number of poles of the machine, which is equal to six.
  • Six of the 24 magnets have a radial direction magnetization, parallel to the arrow F1 illustrated in FIG.
  • These magnets 40a define the six poles of the machine, including three North N poles and three South poles S opposite the interior of the stator.
  • the direction of magnetization is substantially uniform within each magnet 40c and forms with the radial direction F1 an angle A1 of about 45 °.
  • the magnets 40c thus each define a sector of the magnetized structure 5 having a direction of magnetization different from radial and orthoradial directions and having an angular aperture A2 of 15 °, which corresponds to an electric angle of 45 °.
  • the magnets 40c have at all points, in particular in a central region along the circumference F3 of the stator 3, a direction of magnetization different from F1 radial and orthoradial directions F2.
  • the permanent magnets 40a-40c may have, as illustrated in FIG. 2, identical dimensions, so that the magnetized structure 5 has a thickness, measured in the radial direction F1, that is substantially constant when moving around the circumference F3 .
  • the magnetization direction of the magnetized structure 5 has four angular breaks, each of 45 °.
  • the magnetization then has a number of angular transitions, between two poles N and S, equal to three.
  • the angle between the direction of magnetization of the structure and the radial direction F1 varies in a monotonous and discontinuous manner, without angular recoil.
  • the magnetic field generated by the magnetized structure outside thereof, and measured in the absence of the yoke 4 is smaller than the field generated inside the magnetized structure 5, the magnetic energy outside the magnetic structure being in particular less than 30% or 20% of the magnetic energy inside the structure, the magnetic energy outside the structure, measured in the absence of the breech, being especially negligible.
  • FIG. 4a shows the variations of the potential-vector (units: Wb / m) as a function of the angle in the gap, for several values of the current I and a number of angular transitions equal to two. These variations were obtained by finite element analysis.
  • the graph of FIG. 4a is in the form of a conventional two-dimensional representation making it easy to show any shift in the magnetic neutral line.
  • the permanent magnets 40a-40c are anisotropic sintered ferrite magnets.
  • the magnetization of the magnets 40a-40c is carried out for example outside the cylinder head 4.
  • the permanent magnets 40a-40c may contain rare earth elements, being for example made of NdFeB.
  • the magnetized structure 5 comprises a number of permanent magnets 40a-40c greater than the number of poles N and S of the machine.
  • the structure 5 may include a number of permanent magnets less than the number of poles of the machine.
  • the structure 5 comprises three permanent magnets 41 each substantially having a cylindrical shape of a cylinder of revolution of angle A3 equal to 120 °.
  • magnets 41 are for example made of NdFeB, with isotropic properties and having a sinusoidally varying directional magnetization when moving on the circumference F2 of the stator 3, along a magnet 41.
  • the number of angular transitions between two consecutive poles of the machine remains equal to three.
  • This number may, depending on the type of machine, be equal to two or greater than or equal to four.
  • Figure 5 there is shown in Figure 5 a magnetized structure 5 having six angular transitions between two consecutive magnetic poles.
  • the number of poles may be different from six, especially being greater than six.
  • the machine may comprise for example 8 poles.
  • the machine may have a number of poles less than six, for example 2 or 4 poles.
  • FIG. 6 shows a magnetized structure 5 according to another exemplary embodiment of the invention, having a magnetization vector
  • the magnetization direction may have a sinusoidal profile only on certain sectors of the structure 5, not on its entire circumference.
  • the magnetization vector M in this magnetized structure 5 may have a module
  • the magnetized structure 5 comprises six magnetic poles N and S.
  • FIG. 8 illustrates the variation, as a function of the angle, of the normal component of the Bn.no-load fields, Bn. .arm.reac (induction related to the armature reaction) and Bn. resuit (resulting induction of Bn.no-load and Bn.arm.reac), for the magnetized structure 5 illustrated in FIG. 6.
  • the induction Bn. resuit is substantially sinusoidal, and the angular offset of the neutral line (where the induction vanishes) is about 5 °, as best seen in Figure 9.
  • FIG. 7 illustrates these same fields for a magnetized structure with an exclusively radial magnetization.
  • the normal component of induction Bn. resuit has a substantially trapezoidal profile, and the The angular offset of the neutral line is about 30 °, that is, much larger than in the invention.
  • the invention can make it possible to introduce an additional angular offset so that the inversion of the current is accelerated, without the usual disadvantages of a radial magnetization.
  • a more localized induction level is used to generate an electromotive force accelerating the inversion of the current, along a linear law associated with the local profile of a sinus, which makes it possible to facilitate a robust definition of the electric machine, without the disadvantage of a significant loss of torque since a smaller angular offset is sufficient to switch centrally around the zero induction region.
  • the magnetized structure 5 according to the invention provides a 'torque reservoir' usable according to the needs of the machine, the invention allowing an increase in torque with the same quality and quantity of magnets.
  • This angular offset can be chosen greater than 10 ° electrical, or 20 ° electric as in the example described (see Figure 10).
  • the invention further reduces iron losses in the armature because in sinusoidal induction the harmonic disadvantages are mitigated.
  • Magnetic noise can be reduced as well.
  • the starter 1 may comprise a magnetized structure 5 comprising six permanent magnets 150, and at least one of the magnetic poles N and S of the magnetized structure 5 is placed substantially on one edge. circumferential end 151 of one of the magnets 150, the direction of magnetization within the magnet 150 on the circumferential end edge being substantially radial.
  • all magnetic poles N and S of the magnetic structure 5 are each placed in a junction area 152 between two magnets 150 consecutive.
  • the direction of the magnetization vector within the magnets 150 of the magnetized structure 5 varies, in a substantially sinusoidal manner, when it is circumferentially displaced by a first circumferential end edge 151 a to a second circumferential end edge 151b of the magnet 150.
  • the magnetized structure 5 comprises as many magnets 150 as N and S poles. These magnets 150 are for example arranged side by side, in close contact, or very close together.
  • the normal Bn.no-load component of the induction generated by the stator 3 in the gap has a cusp J in the vicinity of one of the magnetic poles N and S, this point of reversal J substantially corresponding to a junction between two magnets 150 adjacent to the magnetized structure 5.
  • This normal Bn.no-load component of the induction generated by the stator has a substantially sinusoidal shape depending on the angle.
  • the magnetized structure 5 can be arranged in such a way that the normal Bn.no-load component of the induction generated by the stator in the gap has a shape substantially in trapezes as a function of the angle, as illustrated. in Figure 13.
  • the Bn.no-load profile in trapezoids may present cusp points J (see FIG. 14).
  • FIGS. 13 and 14 show the linearity of the Bn.no-load curve at mid-distance of successive N and S poles, namely in the interpolar zone, the trapezoidal profile being an approximation of a sinusoidal profile at this point. in law.
  • FIGS. 15 and 16 an arrangement according to a state of the art with a magnetized structure 160 comprising a plurality of main magnets 161 and a plurality of auxiliary magnets 162 each disposed between two main magnets 161.
  • the auxiliary magnets 162 have a smaller angular extent and radial thickness than the main magnets 161.
  • the stator 3 comprises staples 165 arranged to hold the auxiliary magnets 162 between two main magnets 161.
  • the main magnets 161 are made of a material different from that of the auxiliary magnets 162.
  • the main and auxiliary magnets may be made of the same material.
  • the materials for the magnets are for example ferrite or NdFeB.
  • the "magnetic flux equivalent" lines of the magnetic structure 160 are shown schematically in FIG.
  • the direction of the magnetization vector within the main magnets 161 varies substantially sinusoidally, taking locally a different direction of radial and orthoradial directions, and the magnetization vector within the auxiliary magnets 162 is substantially uniform, of orthoradial direction.
  • the direction of magnetization shows a jump when one passes from one of the main magnets 161 to the auxiliary magnet 162 next door.
  • the magnetization direction has a substantially constant direction when passing from a main magnet 161 to the adjacent auxiliary magnet 162, as shown in FIG. 18.
  • the direction of the magnetization vector within the auxiliary magnets 162 varies in a substantially sinusoidal manner by taking a different direction of radial and orthoradial directions, and the magnetization vector within the main magnets 161 is substantially uniform, of radial direction.
  • the direction of the magnetization vector within both the main magnets 161 and the auxiliary magnets 162 varies substantially sinusoidally by locally taking a different direction of radial and vertical directions. orthoradial.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Dc Machiner (AREA)

Abstract

L'invention a pour objet une machine électrique tournante à courant continu, notamment pour un démarreur de véhicule automobile, la machine comportant : un stator (3) comportant une structure aimantée (5) à aimantation permanente, s'étendant suivant une circonférence du stator; un rotor (2); un groupe de balais agencés pour permettre l'alimentation électrique du rotor par commutation du courant électrique dans des sections du rotor, la machine étant caractérisée par le fait que la structure aimantée (5) comporte une pluralité d'aimants principaux (161) et une pluralité d'aimants auxiliaires (162) disposés chacun entre deux aimants principaux, les aimants auxiliaires présentant notamment une étendue angulaire et/ou une épaisseur radiale plus faible(s) que celle(s) des aimants principaux, et par le fait que le vecteur d'aimantation dans l'un au moins des aimants principaux et auxiliaires varie, par exemple continûment ou par palier, en prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale.

Description

Machine électrique tournante, en particulier pour un démarreur de véhicule automobile
La présente invention concerne notamment une machine électrique tournante, en particulier pour un démarreur de véhicule automobile.
Le brevet EP-B1 -985 334 décrit un démarreur comportant un stator pourvu d'une pluralité de pôles magnétiques disposés sur une surface circonférentielle interne d'une culasse. Chaque pôle magnétique est formé par un aimant permanent en ferrite aimanté de manière à ce que les pôles Nord et Sud apparaissent radialement. Des aimants auxiliaires peuvent être prévus entre les aimants précités. Ces aimants auxiliaires sont en ferrite et aimantés de manière à ce que les pôles Nord et Sud apparaissent circonférentiellement. Un espace est prévu entre chaque aimant auxiliaire et la culasse. Une telle disposition permet de réduire les fuites magnétiques. II a été constaté qu'une forte réaction magnétique d'induit dans une machine électrique à courant continu à balais, en particulier dans un démarreur présentant une force magnéto-motrice (fmm) de grande intensité en très basse tension et en puissance utile supérieure à 1 kW, peut entraîner une baisse de performance de la machine. Dans certains cas, un décalage angulaire des balais et/ou un enroulement de compensation ou d'aide à la commutation sont utilisés pour pallier les effets liés à la réaction magnétique d'induit. Le décalage angulaire des balais est optimal seulement pour un courant électrique prédéterminé De plus l'enroulement précité est généralement encombrant.
Par ailleurs on connaît par l'article intitulé The application of Halbach cylinders to bruhless AC servo motors', K. Atallah et D. Howe, IEEE Transactions On Magnetics, Vol. 34, No 4, Juillet 1998, une machine de type 'Brushless' dans laquelle la variation de l'induction par rapport à l'angle électrique dans l'entrefer est sinusoïdale. L'article 'New concept of permanent magnet excitation for electrical machines. Analytical and numerical computation', M. Marinescu et N. Marinescu, IEEE Transactions On Magnetics, Vol. 28, No. 2, March 1992, a trait à l'aimantation dans une machine du type 'Slotless', l'excitation magnétique étant soit sur le rotor soit sur le stator de la machine.
L'un des buts de l'invention est de réduire les effets de la réaction magnétique d'induit. L'invention a pour objet, selon l'un de ses aspects, une machine électrique tournante à courant continu, notamment pour un démarreur de véhicule automobile, la machine comportant :
- un stator, ou inducteur, comportant une structure aimantée à aimantation permanente, s'étendant suivant une circonférence du stator, - un rotor, ou induit,
- un groupe de balais agencés pour permettre l'alimentation électrique du rotor par commutation du courant électrique dans des sections du rotor, la machine étant caractérisée par le fait que la structure aimantée du stator comporte au moins un secteur présentant une aimantation de direction différente de directions radiale et orthoradiale du stator.
L'invention telle que définie ci-dessus permet notamment de réaliser la structure aimantée avec deux transitions angulaires ou plus entre deux pôles magnétiques consécutifs de la machine. La direction d'aimantation peut ainsi varier de manière relativement progressive lorsque l'on se déplace sur la circonférence de la structure aimantée.
Le déposant a constaté de manière inattendue qu'une telle structure aimantée peut permettre d'augmenter le couple et la puissance massique de la machine, ainsi que réduire, voire sensiblement annuler, le déplacement de la ligne neutre magnétique lorsque le courant d'induit augmente, et donc annuler sensiblement les effets de la réaction magnétique d'induit. La ligne neutre magnétique est définie comme le lieu où l'induction s'annule entre deux pôles consécutifs de l'inducteur.
Grâce à l'invention, il est ainsi possible de ne pas recourir à un enroulement de compensation et/ou d'aide à la commutation, ou à un décalage angulaire des balais. L'invention peut permettre en outre d'améliorer la commutation et limiter l'usure des balais et le rayonnement vibro-acoustique de la machine.
Les transitions angulaires permettent encore de renforcer la stabilité mécanique d'aimants permanents de la structure aimantée. De préférence, le secteur avec une aimantation de direction différente de directions radiale et orthoradiale s'étend sur un angle électrique supérieur à 10°, notamment 20°, voire 30° ou 40°.
L'angle électrique correspond à un angle effectivement mesuré au sein de la machine, encore appelé angle mécanique, multiplié par le nombre de paires de pôles de la machine, ce qui revient à considérer une machine quelconque comme une juxtaposition au sein d'un même ensemble de plusieurs machines élémentaires à une seule paire de pôles.
Avantageusement la direction d'aimantation, dans le secteur à aimantation de direction différente de directions radiale et orthoradiale, forme avec la direction orthoradiale du stator un angle compris par exemple entre 5° et 85°, notamment entre 10° et 80°, voire entre 20° et 70° ou entre 30° et 60°.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'aimantation au sein de la structure aimantée présente une direction non parallèle à elle-même lorsque l'on se déplace sur un tour du stator. Si on le souhaite, la direction de l'aimantation au sein de la structure aimantée, par rapport à une direction radiale, varie sans saut angulaire supérieur à 90°, notamment sans saut angulaire supérieur ou égal à 45°, lorsque l'on se déplace sur la circonférence du stator.
La structure aimantée du stator peut être disposée contre une culasse et présenter une aimantation choisie de manière à ce que le champ magnétique généré par la structure aimantée à l'extérieur de celle-ci, et mesuré en l'absence de la culasse, soit plus faible que le champ généré à l'intérieur de la structure aimantée, l'énergie magnétique à l'extérieur de la structure aimantée étant notamment inférieure à 30% ou 20% de l'énergie magnétique à l'intérieur de la structure, l'énergie magnétique à l'extérieur de la structure, mesurée en l'absence de la culasse, étant notamment sensiblement nulle. Avantageusement, entre deux pôles magnétiques consécutifs de la structure aimantée, l'angle entre la direction d'aimantation de la structure et une direction radiale du stator varie de manière monotone, c'est-à-dire cet angle varie de manière croissante ou décroissante, lorsque l'on se déplace d'un pôle magnétique vers un pôle suivant.
Ceci permet notamment de concentrer l'énergie magnétique vers l'entrefer de la machine.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la structure aimantée du stator comporte une pluralité d'aimants permanents, l'un au moins des aimants présentant, dans une région centrale suivant une circonférence du stator, une aimantation de direction d'aimantation différente de directions radiale et orthoradiale.
Par exemple, la structure aimantée du stator peut comporter une pluralité d'aimants permanents, l'un au moins des aimants permanents présentant en tout point une aimantation de direction d'aimantation différente de directions radiale et orthoradiale.
Si on le souhaite, cet aimant permanent présente une direction d'aimantation qui est sensiblement parallèle à elle-même en tout point de l'aimant.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la structure aimantée du stator comporte au moins deux aimants permanents définissant deux pôles magnétiques consécutifs de la structure aimantée et cette structure comprend en outre deux aimants permanents interposés entre lesdits deux aimants définissant les pôles.
La structure aimantée peut présenter, le cas échéant, une épaisseur, mesurée suivant une direction radiale de la structure aimantée, sensiblement constante lorsque l'on se déplace circonférentiellement d'un pôle magnétique de la structure vers un pôle suivant.
En variante, la structure aimantée peut présenter une épaisseur qui varie lorsque l'on se déplace circonférentiellement d'un pôle magnétique de la structure vers un pôle suivant. La structure aimantée peut par exemple comporter des aimants permanents d'épaisseurs différentes.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la structure aimantée est dépourvue de zone interrompue ayant une ouverture d'angle électrique supérieure à 1 ° notamment 2° ou 5°. La zone interrompue correspond par exemple à la présence d'une languette d'un support de la structure aimantée insérée dans une fente radiale de cette structure. Cette languette définit un entrefer entre deux aimants permanents de la structure aimantée.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'orientation de la direction d'aimantation au sein de la structure aimantée varie, entre deux pôles magnétiques consécutifs, de manière sensiblement discontinue ou, en variante, de manière continue.
La machine selon l'invention peut être du type deux ou quatre pôles, ou de préférence six pôles ou plus. La structure aimantée peut comporter un nombre d'aimants permanents strictement supérieur au nombre de pôles de la machine, notamment supérieur ou égal à deux fois le nombre de pôles
Par exemple, la machine peut être du type six pôles et la structure aimantée comporter 24 aimants permanents. En variante, la structure aimantée comporte un nombre d'aimants permanents inférieur ou égal au nombre de pôles de la machine, étant notamment égal à la moitié du nombre de pôles.
Par exemple, la machine peut être de type six pôles et la structure aimantée comporter trois aimants permanents s'étendant chacun sur un angle d'environ 120°.
Le cas échéant, la structure aimantée comporte au moins un aimant permanent réalisé à base de NdFeB, notamment fritte. En variante, la structure aimantée comporte au moins un aimant réalisé en ferrite.
L'invention a également pour objet une machine électrique tournante à courant continu, notamment pour un démarreur de véhicule automobile, la machine comportant : - un stator comportant une structure aimantée à aimantation permanente, s'étendant suivant une circonférence du stator,
- un rotor,
- un groupe de balais agencés pour permettre l'alimentation électrique du rotor par commutation du courant électrique dans des sections du rotor, la machine étant caractérisée par le fait que la structure aimantée du stator comporte au moins un secteur, entre deux pôles magnétiques consécutifs de cette structure, présentant un vecteur d'aimantation variant de manière sensiblement sinusoïdale lorsque l'on se déplace sur la circonférence du stator. La forme sinusoïdale de l'aimantation permet d'obtenir une moindre sensibilité à la réaction d'induit, et d'augmenter, le cas échéant, le couple développé par la machine.
Avantageusement, le décalage angulaire de la ligne neutre est choisi de manière à améliorer la commutation lors du fonctionnement de la machine, par accélération active du courant dans le rotor en cours d'inversion.
La réalisation du décalage angulaire, optionnellement relativement fort, peut être mieux maîtrisée, notamment par rapport au cas d'une aimantation de direction radiale, car ce décalage angulaire est effectué le long d'une loi sensiblement linéaire ou localement linéaire de l'induction Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le décalage angulaire de la ligne neutre peut notamment être supérieur à 15° électriques, voire à 20° électriques.
La direction du vecteur d'aimantation au sein de la structure aimantée peut, si on le souhaite, varier de manière sensiblement sinusoïdale sur toute la circonférence de cette structure.
En variante, la structure aimantée comprend au moins un secteur présentant un vecteur d'aimantation variant de manière non- sinusoïdale, par exemple avec une direction radiale dans le secteur, ce secteur s'étendant notamment sur un angle électrique supérieur à 10°, notamment 20°. Le cas échéant, la machine forme un démarreur de véhicule automobile, présentant une forte réaction d'induit. La machine électrique peut comporter un réducteur de vitesses.
L'invention permet, grâce à un gain de couple, de réduire la vitesse de rotation du collecteur de la machine, pour un même point de fonctionnement du couple, ce qui assure un temps plus long pour commuter et par conséquent une réduction des pertes et de l'usure par arcs électriques (étincelles) des balais et du collecteur.
En outre, toujours grâce à l'invention, du fait de la réduction de l'amplitude des arcs électriques, par l'amélioration de la commutation, il est possible de limiter les perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées, ce qui est particulièrement avantageux concernant la compatibilité électromagnétique (CEM) d'équipements électriques et électroniques (à bord d'un véhicule ou non) avec la machine électrique.
Si on le souhaite, le support porte une pluralité d'aimants principaux de direction d'aimantation radiale et une pluralité d'aimants auxiliaires disposés chacun entre deux aimants principaux consécutifs, et présentant une direction d'aimantation orthoradiale. Les aimants auxiliaires peuvent par exemple présenter une épaisseur mesurée suivant une direction radiale du stator qui est plus faible que celle des aimants principaux. Ces aimants auxiliaires sont par exemple séparés de la culasse par un espace correspondant sensiblement à la différence d'épaisseur entre aimants principaux et aimants auxiliaires.
L'invention a également pour objet une machine électrique tournante à courant continu, notamment pour un démarreur de véhicule automobile, la machine comportant :
- un stator comportant une structure aimantée notamment à aimantation permanente, s'étendant suivant une circonférence du stator,
- un rotor,
- un groupe de balais agencés pour permettre l'alimentation électrique du rotor par commutation du courant électrique dans des sections du rotor, la machine étant caractérisée par le fait que la structure aimantée du stator comporte au moins un secteur, entre deux pôles magnétiques consécutifs de cette structure, présentant un vecteur d'aimantation de direction variant, notamment de manière sensiblement sinusoïdale, lorsque l'on se déplace sur la circonférence du stator.
Le décalage angulaire de la ligne neutre peut être choisi de manière à améliorer la commutation lors du fonctionnement de la machine. Dans le secteur considéré de la structure aimantée, l'intensité de l'aimantation peut être sensiblement constante ou être variable, même si sa direction varie.
La structure aimantée comporte, si on le souhaite, au moins deux aimants, notamment deux aimants permanents, et l'un au moins des pôles magnétiques de la structure aimantée peut être placé sensiblement sur un bord d'extrémité circonférentielle de l'un des aimants, la direction de l'aimantation au sein de l'aimant sur ce bord d'extrémité circonférentielle étant notamment sensiblement radiale.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la structure aimantée comporte une pluralité d'aimants, et tous les pôles magnétiques de la structure aimantée sont placés chacun dans une zone de jonction entre deux aimants consécutifs.
Avantageusement la direction du vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants de la structure aimantée varie, notamment de manière sensiblement sinusoïdale, lorsque l'on se déplace circonférentiellement d'un premier bord d'extrémité circonférentielle vers un deuxième bord d'extrémité circonférentielle de l'aimant, les vecteurs d'aimantation respectifs sur les bords d'extrémité circonférentielle étant de même direction radiale mais de sens opposé. De préférence la machine comporte un nombre Nb de pôles et la structure aimantée comporte un nombre identique Nb d'aimants, notamment disposés de manière adjacente.
Par exemple, une machine à six pôles magnétiques peut comporter une structure aimantée à six aimants permanents. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la composante normale de l'induction générée par le stator dans l'entrefer de la machine présente au moins un point de rebroussement au voisinage de l'un des pôles magnétiques, ce point de rebroussement correspondant notamment sensiblement à une jonction entre deux aimants consécutifs de la structure aimantée. Si on le souhaite, la composante normale de l'induction générée par le stator dans l'entrefer présente une forme sensiblement sinusoïdale suivant une circonférence du stator.
En variante, la composante normale de l'induction générée par le stator dans l'entrefer présente une forme sensiblement en trapèzes suivant une circonférence du stator.
L'invention a encore pour objet une machine électrique tournante à courant continu, notamment un démarreur de véhicule automobile, la machine comportant :
- un stator comportant une structure aimantée notamment à aimantation permanente, s'étendant suivant une circonférence du stator,
- un rotor,
- un groupe de balais agencés pour permettre l'alimentation électrique du rotor par commutation du courant électrique dans des sections du rotor, la machine étant caractérisée par le fait que la structure aimantée comporte une pluralité d'aimants principaux et une pluralité d'aimants auxiliaires disposés chacun entre deux aimants principaux, les aimants auxiliaires présentant notamment une étendue angulaire et/ou une épaisseur radiale plus faible(s) que celle(s) des aimants principaux, et par le fait que le vecteur d'aimantation dans l'un des aimants principaux et auxiliaires varie, par exemple continûment ou par palier, en prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale.
Notamment le vecteur d'aimantation tourne, par rapport à la direction radiale, continûment ou par palier, lorsque l'on se déplace sur une circonférence de cet aimant de manière à ce que le vecteur d'aimantation prenne des angles différents par rapport à la direction radiale le long de cette circonférence. Les aimants principaux et les aimants auxiliaires fournissent avantageusement des contributions magnétiques à la machine qui s'ajoutent de manière à renforcer le couplage électromagnétique stator-rotor, et par conséquent le couple et la force électromotrice. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants principaux varie en prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale, et le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants auxiliaires est sensiblement uniforme, notamment de direction orthoradiale. Par exemple, la direction de l'aimantation dans cet aimant principal varie de manière sensiblement sinusoïdale d'un bord à l'autre.
En variante, le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants auxiliaires varie en prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale, et le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants principaux est sensiblement uniforme, notamment de direction radiale.
En variante encore, le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants principaux et de l'un au moins des aimants auxiliaires varie en prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale. Si on le souhaite, la direction d'aimantation présente un saut lorsque l'on passe de l'un des aimants principaux à l'aimant auxiliaire voisin.
En variante, la direction d'aimantation présente une direction sensiblement constante lorsque l'on passe de l'un des aimants principaux à l'aimant auxiliaire voisin. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le stator comporte au moins une agrafe agencée pour maintenir l'un au moins des aimants auxiliaires entre deux aimants principaux.
Avantageusement les aimants principaux sont réalisés dans un matériau différent de celui des aimants auxiliaires. La machine électrique selon l'invention peut être agencée pour opérer à une puissance maximale comprise entre 500 W et 2000 W par exemple. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 représente, schématiquement et partiellement, un démarreur de véhicule automobile conforme à un exemple de mise en œuvre de l'invention,
- les figures 2 et 3 représentent, schématiquement et partiellement, deux structures aimantées selon deux exemples de mise en œuvre de l'invention,
- les figures 4a et 4b sont deux graphes représentant la variation du potentiel-vecteur en fonction de l'angle dans l'entrefer, respectivement selon l'invention et l'état de la technique,
- la figure 5 illustre, schématiquement et partiellement, un autre exemple de structure aimantée selon l'invention,
- la figure 6 illustre l'aimantation sinusoïdale au sein d'une structure aimantée selon un autre exemple de mise en œuvre de l'invention, - la figure 7 représente schématiquement la variation de l'induction en fonction de l'angle, générée par une structure aimantée connue,
- la figure 8 représente schématiquement la variation de l'induction en fonction de l'angle, générée par la structure aimantée d'aimantation illustrée sur la figure 6, - les figures 9 et 10 illustrent deux types de décalage angulaire de la ligne neutre, pour la structure aimantée d'aimantation illustrée sur la figure 6,
- la figure 1 1 représente, schématiquement et partiellement, une structure aimantée selon un autre exemple de mise en œuvre de l'invention,
- la figure 12 est un graphe représentant la variation de l'induction générée par la structure aimantée de la figure 1 1 dans l'entrefer en fonction de l'angle circonférentiel,
- la figure 13 est un graphe représentant la variation de l'induction générée par une structure aimantée dans l'entrefer en fonction de l'angle circonférentiel, selon un autre exemple de mise en œuvre de l'invention, - la figure 14 est un graphe représentant la variation de l'induction générée par une structure aimantée dans l'entrefer en fonction de l'angle circonférentiel, selon un autre exemple encore de mise en œuvre de l'invention,
- la figure 15 représente, schématiquement et partiellement, une structure aimantée selon un état de la technique,
- la figure 16 représente, schématiquement et partiellement, des lignes de flux de la structure de la figure 15, et
- les figures 17 à 20 illustrent, schématiquement et partiellement, différentes structures aimantées selon d'autres exemples de mise en oeuvre de l'invention. On a représenté très schématiquement sur la figure 1 un démarreur 1 pour moteur à combustion de véhicule automobile.
Ce démarreur 1 à courant continu comprend, d'une part, un rotor 2, encore appelé induit, pouvant tourner autour d'un axe X, et d'autre part, un stator 3, encore appelé inducteur, autour du rotor 2. Ce stator 3 comporte une culasse 4 portant une structure aimantée 5 à aimantation permanente.
Le rotor 2 comporte un corps de rotor 7 et un bobinage 8 enroulé dans des encoches du corps de rotor 7.
Dans l'exemple illustré, la machine électrique tournante formée par le démarreur 1 est de type six pôles.
Le bobinage 8 forme, de part et d'autre du corps de rotor 7, un chignon avant 9 et un chignon arrière 10.
Le rotor 2 est pourvu, à l'arrière, d'un collecteur 12 comprenant une pluralité de pièces de contact connectées électriquement aux éléments conducteurs, formés dans l'exemple considéré par des fils, du bobinage 8.
Un groupe de balais 13 et 14 est prévu pour l'alimentation électrique du bobinage 8, l'un des balais 13 étant relié à la masse du démarreur 1 et un autre des balais 14 étant relié à une borne électrique 15 d'un contacteur 17 via un fil 16. Les balais sont par exemple au nombre de quatre. Les balais 13 et 14 viennent frotter sur le collecteur 12 lorsque le rotor 2 est en rotation, permettant l'alimentation électrique du rotor 2 par commutation du courant électrique dans des sections du rotor 2.
Le démarreur 1 comporte en outre un ensemble lanceur 19 monté de manière coulissante sur un arbre d'entraînement 18 et pouvant être entraîné en rotation autour de l'axe X par le rotor 2.
Un ensemble réducteur de vitesses 20 est interposé entre le rotor 2 et l'arbre d'entraînement 18, de manière connue en soi.
En variante, le démarreur 1 peut être du type 'Direct Drive', dépourvu de réducteur de vitesses.
L'ensemble lanceur 19 comporte un élément d'entraînement formé par une poulie 21 et destiné à s'engager sur un organe d'entraînement du moteur à combustion, non représenté. Cet organe d'entraînement est par exemple une courroie. La poulie 21 peut être remplacée par un élément d'engrenage, notamment une roue dentée, pour entraîner le moteur à combustion.
L'ensemble lanceur 19 comprend en outre une roue libre 22 et une rondelle poulie 23 définissant entre elles une gorge 24 pour recevoir l'extrémité 25 d'une fourchette 27. Cette fourchette 27 est réalisée par exemple par moulage d'une matière plastique.
La fourchette 27 est actionnée par le contacteur 17 pour déplacer l'ensemble lanceur 19 par rapport à l'arbre d'entraînement 18, suivant l'axe X, entre une première position dans laquelle l'ensemble lanceur 19 entraîne le moteur à combustion par l'intermédiaire de la poulie 21 , et une deuxième position dans laquelle l'ensemble lanceur 19 est désengagé du moteur à combustion.
Le contacteur 17 comprend, outre la borne 15 reliée au balai 14, une borne 29 reliée via un élément de liaison électrique, notamment un fil 30, à une alimentation électrique du véhicule, notamment une batterie. On a représenté sur la figure 2 un exemple de structure aimantée 5 conforme à un premier exemple de mise en œuvre de l'invention. Dans cet exemple, la structure aimantée 5 comporte un nombre d'aimants permanents, ce nombre étant égal à 24, strictement supérieur au nombre de pôles de la machine, qui est égal à six.
Six des 24 aimants présentent une aimantation de direction radiale, parallèle à la flèche F1 illustrée sur la figure 1.
Ces aimants 40a définissent les six pôles de la machine, dont trois pôles Nord N et trois pôles Sud S en regard de l'intérieur du stator.
Entre deux aimants 40a consécutifs, sont disposés trois aimants permanents dont : - un aimant 40b ayant une direction d'aimantation sensiblement orthoradiale F2, perpendiculaire à la direction F1 , et de par et d'autre de cet aimant 40b, deux aimants 40c ayant une direction d'aimantation différente de directions radiale et orthoradiale. Dans l'exemple considéré, la direction d'aimantation est sensiblement uniforme au sein de chaque de aimant 40c et forme avec la direction radiale F1 un angle A1 d'environ 45°.
Les aimants 40c définissent ainsi chacun un secteur de la structure aimantée 5 ayant une direction d'aimantation différente de directions radiale et orthoradiale et présentant une ouverture angulaire A2 de 15°, qui correspond à un angle électrique de 45°.
Comme on peut le constater, les aimants 40c présentent en tout point, en particulier dans une région centrale suivant la circonférence F3 du stator 3, une direction d'aimantation différente de directions radiale F1 et orthoradiale F2. Les aimants permanents 40a-40c peuvent présenter, comme illustré sur la figure 2, des dimensions identiques, de sorte que la structure aimantée 5 ait une épaisseur, mesurée suivant la direction radiale F1 , sensiblement constante lorsque l'on se déplace sur la circonférence F3.
Entre deux pôles magnétiques N et S, la direction d'aimantation de la structure aimantée 5 présente quatre sauts angulaires, chacun de 45°. L'aimantation présente alors un nombre de transitions angulaires, entre deux pôles N et S, égal à trois.
Entre deux pôles magnétiques consécutifs N et S de la structure aimantée 5, l'angle entre la direction d'aimantation de la structure et la direction radiale F1 varie de manière monotone et discontinue, sans rebroussement angulaire.
Ceci peut permettre de concentrer l'énergie magnétique vers l'entrefer, entre le rotor 2 et le stator 3, correspondant à une réduction significative de l'induction à l'extérieur de la structure aimantée 5 et une augmentation significative de l'induction à l'intérieur. Autrement dit, le champ magnétique généré par la structure aimantée à l'extérieur de celle-ci, et mesuré en l'absence de la culasse 4, est plus faible que le champ généré à l'intérieur de la structure aimantée 5, l'énergie magnétique à l'extérieur de la structure aimantée étant notamment inférieure à 30% ou 20% de l'énergie magnétique à l'intérieur de la structure, l'énergie magnétique à l'extérieur de la structure, mesurée en l'absence de la culasse, étant notamment négligeable.
Il a été constaté qu'un nombre de transitions angulaires suffisant, par exemple égal à trois, permet d'assurer une bonne stabilité mécanique des aimants 40a-40c. La figure 4a montre les variations du potentiel-vecteur (unités : Wb/m) en fonction de l'angle dans l'entrefer, pour plusieurs valeurs du courant I et un nombre de transitions angulaires égal à deux. Ces variations ont été obtenues par une analyse par éléments finis.
On peut signaler que le graphe de la figure 4a est sous la forme d'une représentation classique en deux dimensions permettant de faire apparaître facilement un décalage éventuel de la ligne neutre magnétique.
On remarque sur la figure 4a une quasi-absence de déplacement de la ligne neutre magnétique, qui correspond au lieu où l'induction s'annule entre deux pôles consécutifs, lorsque le courant I varie. Autrement dit, grâce à un nombre de transitions angulaires égal ou supérieur à deux entre des pôles magnétiques consécutifs, il est possible d'annuler sensiblement la réaction d'induit, ce qui est avantageux en ce qui concerne la commutation et le couplage électromagnétique.
Au contraire, dans un cas illustré à la figure 4b où la structure aimantée serait dépourvue de transition angulaire, il apparaît un déplacement c/de la ligne neutre magnétique.
Il a été constaté que l'invention permet d'augmenter le couple et la puissance massiques.
Dans l'exemple considéré, les aimants permanents 40a-40c sont des aimants en ferrite fritte anisotropes. L'aimantation des aimants 40a-40c est réalisée par exemple en dehors de la culasse 4.
En variante, les aimants permanents 40a-40c peuvent contenir des éléments terre rare, étant par exemple réalisés en NdFeB.
Dans l'exemple qui vient d'être décrit, la structure aimantée 5 comporte un nombre d'aimants permanents 40a-40c supérieur au nombre de pôles N et S de la machine.
En variante, comme illustré sur la figure 3, la structure 5 peut comporter un nombre d'aimants permanents inférieur au nombre de pôles de la machine.
Selon l'exemple de mise en œuvre illustré sur la figure 3, la structure 5 comporte trois aimants permanents 41 présentant chacun sensiblement une forme en portion de cylindre de révolution d'angle A3 égal à 120°.
Ces aimants 41 sont par exemple réalisés en NdFeB, avec des propriétés isotropes et présentant une aimantation de direction variant de manière sinusoïdale lorsque l'on se déplace sur la circonférence F2 du stator 3, le long d'un aimant 41.
Si on le souhaite, il possible de procéder à l'aimantation des aimants 41 à l'intérieur de la culasse 4.
Dans l'exemple de la figure 3, le nombre de transitions angulaires entre deux pôles consécutifs de la machine reste égal à trois. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de la présente invention lorsque le nombre de transitions angulaires est différent de trois. Ce nombre peut, selon le type de machine, être égal à deux ou supérieur ou égal à quatre. Par exemple, on a représenté sur la figure 5 une structure aimantée 5 présentant six transitions angulaires entre deux pôles magnétiques consécutifs. Le nombre de pôles peut être différent de six, étant notamment supérieur à six. La machine peut comporter par exemple 8 pôles.
En variante, la machine peut comporter un nombre de pôles inférieur à six, par exemple 2 ou 4 pôles.
On a représenté sur la figure 6 une structure aimantée 5 selon un autre exemple de mise en œuvre de l'invention, présentant un vecteur d'aimantation
M au sein de la structure aimantée 5 dont la direction varie de manière sensiblement sinusoïdale sur toute la circonférence de cette structure 5.
En variante, la direction d'aimantation peut présenter un profil sinusoïdal seulement sur certains secteurs de la structure 5, et non sur toute sa circonférence.
Le vecteur d'aimantation M dans cette structure aimantée 5 peut présenter un module |M| sensiblement constant le long de la circonférence de la structure.
Dans l'exemple considéré, la structure aimantée 5 comprend six pôles magnétiques N et S. La figure 8 illustre la variation, en fonction de l'angle, de la composante normale des champs Bn.no-load (induction à vide), Bn.arm.reac (induction liée à la réaction d'induit) et Bn. resuit (induction résultante de Bn.no-load et Bn.arm.reac), pour la structure aimantée 5 illustrée à la figure 6. L'induction Bn. resuit est sensiblement sinusoïdale, et le décalage angulaire de la ligne neutre (où l'induction s'annule) est d'environ 5°, comme mieux visible sur la figure 9.
En comparaison, la figure 7 illustre ces mêmes champs pour une structure aimantée avec une aimantation exclusivement radiale. La composante normale de l'induction Bn. resuit présente sensiblement un profil en trapèzes, et le décalage angulaire de la ligne neutre est d'environ 30°, c'est-à-dire bien plus important que dans l'invention.
Contrairement au cas de l'aimantation exclusivement radiale où, en charge, une force électromotrice est produite dans le sens d'une dégradation des conditions de commutation (effet retardant sur l'inversion du courant dans le rotor, et donc un accroissement de pertes par arcs électriques), il est possible, grâce à l'invention, de compenser de manière satisfaisante la faible dégradation de ces conditions de commutation du fait d'un faible décalage angulaire.
L'invention peut permettre d'introduire un décalage angulaire supplémentaire de manière à ce que l'inversion du courant soit accélérée, sans les inconvénients habituels d'une aimantation radiale.
Grâce à l'invention, un niveau d'induction plus localisé est mis à profit pour générer une force électromotrice accélérant l'inversion du courant, le long d'une loi linéaire associée au profil local d'un sinus, ce qui permet de faciliter une définition robuste de la machine électrique, sans l'inconvénient d'une importante perte de couple puisqu'un décalage angulaire plus faible est suffisant pour commuter de façon centrée autour de la région à induction nulle.
Par ailleurs, il est possible d'imposer un décalage angulaire important pour améliorer encore la commutation car la structure aimantée 5 selon l'invention permet de disposer d'un 'réservoir de couple' utilisable en fonction des besoins de la machine, l'invention permettant une augmentation du couple à mêmes qualité et quantité d'aimants.
Ce décalage angulaire peut être choisi supérieur à 10° électriques, ou 20° électriques comme dans l'exemple décrit (voir figure 10). L'invention permet encore une réduction des pertes fer dans l'induit du fait qu'en induction sinusoïdale, les inconvénients liés aux harmoniques sont atténués.
Le bruit magnétique peut être réduit également.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de mise en œuvre qui viennent d'être décrits. Par exemple, comme illustré sur la figure 1 1 , le démarreur 1 peut comporter une structure aimantée 5 comportant six aimants permanents 150, et l'un au moins des pôles magnétiques N et S de la structure aimantée 5 est placé sensiblement sur un bord d'extrémité circonférentielle 151 de l'un des aimants 150, la direction de l'aimantation au sein de l'aimant 150 sur ce bord d'extrémité circonférentielle étant sensiblement radiale.
Dans l'exemple de mise en œuvre décrit, tous les pôles magnétiques N et S de la structure aimantée 5 sont placés chacun dans une zone de jonction 152 entre deux aimants 150 consécutifs. Comme illustré sur la figure 1 1 , la direction du vecteur d'aimantation au sein des aimants 150 de la structure aimantée 5 varie, de manière sensiblement sinusoïdale, lorsque l'on se déplace circonférentiellement d'un premier bord d'extrémité circonférentielle 151 a vers un deuxième bord d'extrémité circonférentielle 151 b de l'aimant 150. Les vecteurs d'aimantation sur les deux bords d'extrémité circonférentielle
151 d'un même aimant 150 sont de direction radiale mais de sens opposé. La structure aimantée 5 comporte autant d'aimants 150 que de pôles N et S. Ces aimants 150 sont par exemple disposés côte à côte, en contact deux à deux, ou très proche. Comme illustré sur la figure 12, la composante normale Bn.no-load de l'induction générée par le stator 3 dans l'entrefer présente un point de rebroussement J au voisinage de l'un des pôles magnétiques N et S, ce point de rebroussement J correspondant sensiblement à une jonction entre deux aimants 150 voisins de la structure aimantée 5. Cette composante normale Bn.no-load de l'induction générée par le stator présente une forme sensiblement sinusoïdale en fonction de l'angle.
En variante, la structure aimantée 5 peut être agencée de manière à ce que la composante normale Bn.no-load de l'induction générée par le stator dans l'entrefer présente une forme sensiblement en trapèzes en fonction de l'angle, comme illustré sur la figure 13. A l'instar de l'induction illustrée sur la figure 12, le profil de Bn.no-load en trapèzes peut présenter des points de rebroussement J (voir figure 14).
On constate sur les figures 13 et 14 la linéarité de la courbe Bn.no-load à mi- distance de pôles N et S successifs, à savoir dans la zone interpolaire, le profil en trapèzes étant une approximation d'un profil sinusoïdal à cet endroit.
On va maintenant décrire d'autres exemples de mise en œuvre de l'invention.
Avant cela, il est rappelé aux figures 15 et 16 un agencement selon un état de la technique avec une structure aimantée 160 comportant une pluralité d'aimants principaux 161 et une pluralité d'aimants auxiliaires 162 disposés chacun entre deux aimants principaux 161.
Les aimants auxiliaires 162 présentent une étendue angulaire et une épaisseur radiale plus faibles que celles des aimants principaux 161.
Le stator 3 comporte des agrafes 165 agencées pour maintenir les aimants auxiliaires 162 entre deux aimants principaux 161. Dans l'exemple décrit, les aimants principaux 161 sont réalisés dans un matériau différent de celui des aimants auxiliaires 162.
En variante, les aimants principaux et auxiliaires peuvent être réalisés dans le même matériau.
Les matériaux pour les aimants sont par exemple en ferrite ou en NdFeB. Les lignes « équi- flux magnétique » de la structure aimantée 160 sont représentées schématiquement sur la figure 16.
Comme on peut le voir, l'action des aimants auxiliaires 161 tend à dé-saturer la culasse 4.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, illustré à la figure 17, la direction du vecteur d'aimantation au sein des aimants principaux 161 varie de manière sensiblement sinusoïdale, en prenant localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale, et le vecteur d'aimantation au sein des aimants auxiliaires 162 est sensiblement uniforme, de direction orthoradiale. La direction d'aimantation présente un saut lorsque l'on passe de l'un des aimants principaux 161 à l'aimant auxiliaire 162 voisin. En variante, la direction d'aimantation présente une direction sensiblement constante lorsque l'on passe d'un aimant principal 161 à l'aimant auxiliaire 162 voisin, comme illustré sur la figure 18.
Dans l'exemple de mise en oeuvre de l'invention, illustré sur la figure 19, la direction du vecteur d'aimantation au sein des aimants auxiliaire 162 varie de manière sensiblement sinusoïdale en prenant une direction différente de directions radiale et orthoradiale, et le vecteur d'aimantation au sein des aimants principaux 161 est sensiblement uniforme, de direction radiale.
En variante encore, comme on peut le voir sur la figure 20, la direction du vecteur d'aimantation au sein à la fois des aimants principaux 161 et des aimants auxiliaires 162 varie de manière sensiblement sinusoïdale en prenant localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale.

Claims

Revendications
1. Machine électrique tournante à courant continu, notamment pour un démarreur (1 ) de véhicule automobile, la machine comportant :
- un stator (3) comportant une structure aimantée notamment à aimantation permanente, s'étendant suivant une circonférence du stator,
- un rotor (2),
- un groupe de balais (13, 14) agencés pour permettre l'alimentation électrique du rotor par commutation du courant électrique dans des sections du rotor, la machine étant caractérisée par le fait que la structure aimantée (5) du stator comporte au moins un secteur, entre deux pôles magnétiques (N ; S) consécutifs de cette structure, présentant un vecteur d'aimantation de direction variant de manière sensiblement sinusoïdale lorsque l'on se déplace sur la circonférence du stator (3), et par le fait que le décalage angulaire de la ligne neutre est choisi de manière à améliorer la commutation lors du fonctionnement de la machine.
2. Machine selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que la structure aimantée (5) comporte au moins deux aimants (150), notamment deux aimants permanents, et par le fait que l'un au moins des pôles magnétiques (N ; S) de la structure aimantée (5) est placé sensiblement sur un bord d'extrémité circonférentielle (151 ) de l'un des aimants, la direction de l'aimantation au sein de l'aimant sur ce bord d'extrémité circonférentielle étant notamment sensiblement radiale.
3. Machine selon l'une des revendications précédentes, la structure aimantée (5) comportant une pluralité d'aimants (150), caractérisée par le fait que tous les pôles magnétiques (N ; S) de la structure aimantée sont placés chacun dans une zone de jonction (152) entre deux aimants voisins.
4. Machine selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisée par le fait que la direction du vecteur d'aimantation au sein de l'un des aimants de la structure aimantée varie, notamment de manière sensiblement sinusoïdale, lorsque l'on se déplace d'un premier bord d'extrémité circonférentielle (151 a) vers un deuxième bord d'extrémité circonférentielle (151 b) de l'aimant, les vecteurs d'aimantation sur les bords d'extrémité circonférentielle respectifs étant de direction radiale et de sens opposé.
5. Machine selon l'une quelconque des trois revendications précédentes, caractérisée par le fait que la machine comporte un nombre Nb de pôles et par le fait que la structure aimantée (5) comporte un nombre Nb d'aimants, notamment disposés de manière adjacente.
6. Machine selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée par le fait que la composante normale de l'induction (Bn.no-load) générée par le stator dans l'entrefer présente au moins un point de rebroussement (J) au voisinage de l'un des pôles magnétiques (N ; S), ce point de rebroussement (J) correspondant notamment sensiblement à une jonction entre deux aimants voisins de la structure aimantée (5).
7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la composante normale de l'induction (Bn.no-load) générée par le stator dans l'entrefer présente une forme sensiblement sinusoïdale suivant une circonférence du stator.
8. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que la composante normale de l'induction (Bn.no-load) générée par le stator dans l'entrefer présente une forme sensiblement en trapèzes suivant une circonférence du stator.
9. Machine électrique tournante à courant continu, notamment un démarreur (1 ) de véhicule automobile, la machine comportant :
- un stator (3) comportant une structure aimantée à aimantation permanente, s'étendant suivant une circonférence du stator, - un rotor (2),
- un groupe de balais (13, 14) agencés pour permettre l'alimentation électrique du rotor par commutation du courant électrique dans des sections du rotor, la machine étant caractérisée par le fait que la structure aimantée (5) comporte une pluralité d'aimants principaux (161 ) et une pluralité d'aimants auxiliaires
(162) disposés chacun entre deux aimants principaux, les aimants auxiliaires présentant notamment une étendue angulaire et/ou une épaisseur radiale plus faible(s) que celle(s) des aimants principaux, et par le fait que le vecteur d'aimantation dans l'un au moins des aimants principaux et auxiliaires varie, par exemple continûment ou par palier, en prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale, notamment le vecteur d'aimantation tourne, par rapport à la direction radiale, continûment ou par palier, lorsque l'on se déplace sur une circonférence de cet aimant de manière à ce que le vecteur d'aimantation prenne des angles différents par rapport à la direction radiale le long de cette circonférence.
10. Machine selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants principaux varie en prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale, et par le fait que le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants auxiliaires est sensiblement uniforme, notamment de direction orthoradiale.
1 1. Machine selon la revendication 9, caractérisée par le fait que le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants auxiliaires (162) varie en prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale, et par le fait que le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants principaux est sensiblement uniforme, notamment de direction radiale.
12. Machine selon la revendication 9, caractérisée par le fait que le vecteur d'aimantation au sein de l'un au moins des aimants principaux (161 ) et de l'un au moins des aimants auxiliaires (162) varie en prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale.
13. Machine selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée par le fait la direction d'aimantation présente un saut lorsque l'on passe de l'un des aimants principaux (161 ) à l'aimant auxiliaire (162) voisin.
14. Machine selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée par le fait la direction d'aimantation présente une direction sensiblement constante lorsque l'on passe de l'un des aimants principaux (161 ) à l'aimant auxiliaire (162) voisin.
15. Machine selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisée par le fait que le stator comporte au moins une agrafe (165) agencée pour maintenir l'un au moins des aimants auxiliaires entre deux aimants principaux.
16. Machine selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisée par le fait que les aimants principaux (161 ) sont réalisés dans un matériau différent de celui des aimants auxiliaires.
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