EP2286504A2 - Machine electrique tournante, notamment demarreur de vehicule automobile - Google Patents

Machine electrique tournante, notamment demarreur de vehicule automobile

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Publication number
EP2286504A2
EP2286504A2 EP09761926A EP09761926A EP2286504A2 EP 2286504 A2 EP2286504 A2 EP 2286504A2 EP 09761926 A EP09761926 A EP 09761926A EP 09761926 A EP09761926 A EP 09761926A EP 2286504 A2 EP2286504 A2 EP 2286504A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sector
type
magnetized structure
magnetic
machine according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09761926A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Labbe
Jean-Paul Yonnet
Jean-Paul Vilain
Stéphane VIVIER
Aurélien VAUQUELIN
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 EP2286504A2 publication Critical patent/EP2286504A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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

Definitions

  • Rotating electrical machine in particular motor vehicle starter
  • the present invention relates to a rotary electrical machine, in particular a starter motor vehicle.
  • 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 can reduce magnetic leakage.
  • a strong magnetic reaction of armature in a DC brushed electric machine in particular in a starter having a magneto-motor force (fmm) of great intensity at very low voltage and in power greater than 1 kW, can cause a decrease in performance of the machine.
  • an angular offset of the brushes and / or a compensating winding or switching aid are used to overcome the adverse effects related to the armature magnetic reaction.
  • the angular offset of the brushes is optimal only for an electric current of predetermined intensity.
  • the aforementioned compensation winding is generally bulky.
  • the invention aims in particular to provide an improved rotating electrical machine, particularly more efficient.
  • the subject of the invention is thus a rotating electric machine with direct current, in particular for a starter of a motor vehicle, the machine comprising:
  • stator comprising a magnetized structure with permanent magnetization, this magnetized structure extending along a circumference of the stator and being arranged to generate a magnetic induction field
  • a rotor which, during the operation of the machine, produces, in an air gap, also called an 'air-gap' in English, between the magnetized structure and the rotor, a magnetic armature reaction,
  • the magnetized structure comprises at least one sector of a first type having a magnetization vector making with a radial direction an angle which varies when one moves on a circumference of the magnetized structure, the magnetization in this sector taking at least locally a different direction of radial and orthoradial directions of the stator, the magnetic induction field in the gap associated with this sector of the magnetized structure and the rotor rotor magnetic reaction having normal components of opposite signs, the magnetic induction field generated by this sector of the magnetized structure being chosen to at least attenuate or cancel, locally, an adverse effect of the armature magnetic reaction, and
  • the magnetized structure comprises at least one sector of a second type having a magnetization vector making with the radial direction of the stator a substantially constant angle when moving on a circumference of the magnetic structure, the magnetic induction field in the gap associated with this sector of the magnetized structure and the magnetic armature reaction having normal components of the same sign.
  • the stator in particular the magnetized structure, is advantageously devoid of a piece of soft magnetic material permeable to a magnetic field, and used for the derivation of a magnetic flux and the flux concentration (also called shunt piece).
  • the magnetic structure according to the invention preferably comprises magnets of hard magnetic material non-permeable to a magnetic field. Thanks to the invention, the magnetic induction field generated by the magnetized structure of the stator, unladen without taking into account other existing fields in the air gap such as the magnetic armature reaction, has a profile providing a contribution of induction (by magnetic flux concentration) at the places where the effects of the armature magnetic reaction are opposed to those of the magnetic structure (the respective normal components with opposite signs).
  • the resulting magnetic field profile optimizes the magnetic torque of the machine, and therefore its performance.
  • the angle between the magnetization vector in the first type sector of the magnetized structure and the radial direction of the stator varies stepwise when moving over a circumference of the magnetic structure.
  • this sector of the first type comprises a succession of permanent magnets each having a direction of uniform magnetization.
  • the angle between the magnetization vector in the first-type sector of the magnetized structure and the radial direction of the stator varies substantially continuously as one moves about a circumference of the magnetized structure.
  • the magnetization vector in the first type sector of the magnetized structure varies from an orthoradial to a radial direction when moving on a circumference of the magnetized structure between two ends of this sector.
  • the transition of the magnetization direction can correspond to 90 °.
  • the magnetized structure may comprise two sectors of the first type, alternating with two sectors of the second type, the angular extent of one of the sectors of the first type being in particular greater than that of the one of the second type of sectors.
  • a machine with two pairs of poles may have four sectors of each type.
  • the number of sectors of each type thus depends on the number of poles of the machine.
  • the first type sector of the magnetized structure may extend over an angle greater than 60 ° or 90 °, being in particular substantially equal to 120 °.
  • the magnetization vector has a substantially radial direction.
  • the magnetized structure comprises two sectors of the second type, each of these sectors extending over a lower angle 90 °, being notably substantially equal. at 60 °.
  • the magnetized structure comprising sectors of the first and second types extends over the entire circumference of the stator, in particular in a continuous manner.
  • the magnetized or magnetic structure comprises at least one angular break in the magnetization angle, between the first type sector and the second type sector, this angular break corresponding in particular to a change in the angle of magnetization between 45 ° and 135 °, being in particular substantially equal to 90 °.
  • the angular break in the direction of magnetization passing from the first sector to the second corresponds for example to a tilting of the magnetization direction from radial to orthoradial.
  • the magnetized structure and in particular its magnetization vector, has an asymmetry between a first set comprising a first sector of the first type and a first sector of the second type, and a second set comprising a second sector of the first type and a second sector. second sector of the second type.
  • the magnetic field resulting from the magnetic induction field generated by the magnetized structure and the armature magnetic rotor reaction comprises a normal component having, along a major part of the first type sector, a non-zero slope of sign constant.
  • the maximum amplitude of the normal component of the magnetic induction field associated with the first type sector is greater than this maximum amplitude associated with the second type sector of the magnetized structure.
  • the angular offset between an armature axis and an inductor axis is chosen in order to reduce the effects of the displacement of the magnetic neutral line under load.
  • This neutral line can be defined as the place where the resulting induction vanishes between two consecutive poles of the inductor.
  • said angular offset (mechanical angle) is for example between 10 ° and 20 °, being in particular between 13.5 ° and 19.5 °.
  • the angular offset is for example 16.5 °.
  • the neutral line may optionally be offset relative to the poles depending on the intensity of the load of the machine, for example to facilitate the switching aid by shifting brushes.
  • At least one of the magnetization sectors of the magnetized structure comprises a plurality of permanent magnets placed side by side, in particular against a cylinder head of the machine.
  • 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
  • FIG. 2 represents, schematically and partially, a magnetized structure equipping the starter of FIG. 1, and
  • FIGS. 3 and 4 show schematically the variation of the normal component of different magnetic fields in the air gap of the machine of FIG. 1,
  • FIG. 5 represents, schematically and partially, a magnetized structure according to a state of the art
  • FIGS. 6 and 7 diagrammatically show the variation of the normal component of different magnetic fields associated with the magnetized structure of FIG.
  • FIG. 1 shows very schematically a starter 1 for a motor vehicle combustion engine.
  • This DC starter 1 comprises, firstly, a rotor 2, also called armature, rotatable about an axis X, and secondly, a stator 3, also called inductor.
  • This 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 of the type of a pair of poles.
  • 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 power 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 switch 17 via a wire 16.
  • the brushes are for example four in number.
  • the brushes 13 and 14 rub against the collector 12 when the rotor 2 is rotating, allowing the rotor 2 to be powered 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 pinion 21 and intended to engage on a drive member of the combustion engine, not shown.
  • This drive member is for example a ring gear.
  • the launcher assembly 19 further comprises a freewheel 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 intermediate pinion 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 a magnetized structure 5 according to an exemplary implementation of the invention, intended to equip the starter 1.
  • the magnetized structure 5 comprises a number of permanent magnets 40 equal to 24. These permanent magnets 40 are arranged continuously over the entire circumference of the stator 3.
  • the magnetized structure 5 of the stator comprises:
  • Each of sectors 41 and 42 includes eight permanent magnets, and each of sectors 43 and 44 includes four permanent magnets. Alternatively, sectors 41 to 44 may each be formed by a single permanent magnet.
  • the direction of magnetization varies, when one moves circumferentially on one of the magnetization sectors 41 and 42 from one circumferential end to the other, from a radial direction to an orthoradial direction.
  • the 90 ° transition of the magnetization direction along the sector 41 takes place between a direction of orthoradial magnetization and a direction of radial magnetization directed towards the inner circumference of the stator, while that that along the sector 42 is carried out between a direction of orthoradial magnetization and a direction of radial magnetization directed towards the outer circumference of the stator.
  • the variation of the direction of magnetization in the sectors 41 and 42 occurs in stages due to the use of several permanent magnets 40 of uniform magnetization within them.
  • the variation of the direction of the magnetization in each sector 41 and 42 is substantially continuous.
  • Magnet sectors 41 to 44 are alternated, namely sector 41, respectively 42, is disposed between sectors 43 and 44, creating a break in the direction of magnetization when passing from sector 44 to sector 41 or sector 43 to sector 42, counter-clockwise.
  • the angular break corresponds, in the example described, to a tilting of the magnetization direction from radial F1 to orthoradial F2. This break is thus thus
  • the magnetized structure formed by a first set comprising the sectors 41 and 43 and a second set comprising the sectors 42 and 44, and in particular the magnetization vector of this structure has an asymmetry.
  • each sector 41 or 42 extends over an angle greater than or equal to 90 °.
  • each sector 41; 42 extends over 120 °
  • each sector 43; 44 extends over 60 °.
  • the magnetic structure 5 may have a higher number of pairs of poles, for example four or eight.
  • the angular offset between an armature axis A2 and an inductor axis A1 is chosen in order to reduce the effects of the displacement of the neutral line.
  • This angular offset is for example between 0 and 60 ° for a machine with a pair of poles.
  • the graphs of FIGS. 3 and 4 illustrate the variation, as a function of the angle, of the normal component of the fields, namely Bn.no-load (vacuum induction generated by the magnetized structure), 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 of FIG. 2.
  • the magnetic field resulting from the magnetic induction field generated by the magnetized structure and the magnetic armature reaction of the rotor comprises a normal component Bn. resuit having, along a major part of the sector 41 or 42 of the first type, a non-zero slope of constant sign, as can be seen in the graph of FIG. 4.
  • the maximum amplitude of the normal component Bn.No-load of the magnetic induction field associated with the sector 41 or 42 of the first type is greater than this maximum amplitude associated with the sector 43 or 44 of the second type of the magnetic structure.
  • the magnetic induction field Bn.No-load generated by the sectors 41 and 42 of the magnetized structure compensates locally for an adverse effect of the armature magnetic reaction Bn.arm .reac.
  • the magnetic induction field Bn.no-Load generated by the magnetized structure of the stator, unladen without taking into account other existing fields in the air gap such as the magnetic armature reaction has a profile providing a induction contribution (by concentration of magnetic flux) at the places where the effects of the armature magnetic reaction Bn.Arm.reac are opposed to those of the magnetic structure (the respective normal components Bn.no-Load and Bn. Arm.reac with opposite signs), especially around the 0 ° and 180 ° angles.
  • the first sectors 41 and 42 where the magnetized structure has a magnetization vector allowing a magnetic energy concentration so as to increase the level thereof provide for the case to empty a previous excess or, in other words, an induction supply, in anticipation of the load case, where the harmful effect of the magnetic reaction of armature consists in particular in reducing the level of useful induction which comes from the inductor permanent magnet.
  • the magnetized structure according to the invention makes it possible to counter-balance the demagnetizing effect of the armature reaction, at the places where it penalizes the performance of the rotating electrical machine, ie under the halves of inductive poles. corresponding, without doing any action under the halves of poles where the armature reaction is magnetising in the same direction as the contribution of the inductor. Thanks to the invention, which consists in particular in adding vacuum induction before a retrenchment during operation in charge of the machine, one obtains an operation with a satisfactory resultant induction profile.
  • FIG. 5 shows a magnetized structure 50 according to a state of the art.
  • This structure 50 comprises two sectors 51 and 52 forming two poles and each having a uniform direction magnetization, namely of radial direction.
  • the graphs of FIGS. 6 and 7 show that at the places where the effects of the magnetic reaction of armature Bn.Arm.reac oppose those of the magnetic structure Bn.no-Load, there is a lack of contribution of significant induction on the part of the magnetized structure 50.
  • the Bn field. resuit has an induction deficit.

Landscapes

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

Abstract

L'invention a pour objet une machine électrique tournante à courant continu, notamment démarreur (1 ) de véhicule automobile, la machine comportant : - une structure aimantée comportant au moins un secteur (41; 42) d'un premier type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec une direction radiale un angle qui varie lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, l'aimantation dans ce secteur prenant au moins localement une direction différente de directions radiale (F1 ) et orthoradiale (F2) du stator, le champ d'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comportant des composantes normales de signes opposés, le champ d'induction magnétique généré par ce secteur de la structure aimantée étant choisi pour présenter un profil apportant une contribution d'induction par concentration de flux magnétique aux endroits où les effets de la réaction magnétique d'induit s'opposent à ceux de la structure aimantée pour au moins atténuer localement un effet défavorable de la réaction magnétique d'induit, et la structure aimantée comporte au moins un secteur (43; 44) d'un deuxième type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec la direction radiale du stator un angle sensiblement constant lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, le champ d'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit présentant des composantes normales de même signe.

Description

Machine électrique tournante, notamment démarreur de véhicule automobile
La présente invention concerne une machine électrique tournante, notamment 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 peut permettre 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 bobinage de compensation ou d'aide à la commutation sont utilisés pour pallier les effets défavorables liés à la réaction magnétique d'induit. Le décalage angulaire des balais est optimal seulement pour un courant électrique d'intensité prédéterminée. De plus le bobinage de compensation 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'invention vise notamment à proposer une machine électrique tournante améliorée, en particulier plus performante. L'invention a ainsi 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, cette structure aimantée s'étendant suivant une circonférence du stator et étant agencée pour générer un champ d'induction magnétique,
- un rotor qui, lors du fonctionnement de la machine, produit, dans un entrefer, encore appelé 'air-gap' en anglais, entre la structure aimantée et le rotor, une réaction magnétique d'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 comporte au moins un secteur d'un premier type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec une direction radiale un angle qui varie lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, l'aimantation dans ce secteur prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale du stator, le champ d'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comportant des composantes normales de signes opposés, le champ d'induction magnétique généré par ce secteur de la structure aimantée étant choisi pour au moins atténuer, voire annuler, localement un effet défavorable de la réaction magnétique d'induit, et
- la structure aimantée comporte au moins un secteur d'un deuxième type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec la direction radiale du stator un angle sensiblement constant lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, le champ d'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit présentant des composantes normales de même signe. Le stator, en particulier la structure aimantée, est avantageusement dépourvu de pièce en matériau magnétique doux perméable à un champ magnétique, et servant à la dérivation d'un flux magnétique et à la concentration de flux (pièce encore appelée 'shunt en anglais).
La structure aimantée selon l'invention comporte de préférence des aimants en matériau magnétique dur non- perméable à un champ magnétique. Grâce à l'invention, le champ d'induction magnétique généré par la structure aimantée du stator, à vide sans tenir compte d'autres champs existants dans l'entrefer tels que la réaction magnétique d'induit, présente un profil apportant une contribution d'induction (par concentration de flux magnétique) aux endroits où les effets de la réaction magnétique d'induit s'opposent à ceux de la structure aimantée (les composantes normales respectives présentant des signes opposés).
Ailleurs, notamment aux endroits où les effets de la structure aimantée et ceux de la réaction magnétique d'induit s'additionnent, la contribution d'induction diminue localement, voire est absente.
Le profil du champ magnétique résultant permet d'optimiser le couple magnétique de la machine, et par conséquent ses performances.
Ceci peut être expliqué par exemple à l'aide du tenseur de Maxwell, qui permet d'exprimer la contrainte tangentielle produite comme étant l'intégrale J
Bn(θ).Ht(θ).dθ (dans la situation en charge, c'est-à-dire avec réaction d'induit).
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'angle entre le vecteur d'aimantation dans le secteur de premier type de la structure aimantée et la direction radiale du stator varie par palier lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée. Par exemple ce secteur de premier type comporte une succession d'aimants permanents chacun ayant une direction d'aimantation uniforme. En variante, l'angle entre le vecteur d'aimantation dans le secteur de premier type de la structure aimantée et la direction radiale du stator varie sensiblement continûment lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée. Si on le souhaite, le vecteur d'aimantation dans le secteur de premier type de la structure aimantée varie d'une direction orthoradiale à une direction radiale lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée entre deux extrémités de ce secteur.
Autrement dit, le long du premier secteur, la transition de la direction d'aimantation peut correspondre à 90°.
Pour une machine à une seule paire de pôles, la structure aimantée peut comporter deux secteurs de premier type, alternés avec deux secteurs de deuxième type, l'étendue angulaire de l'un des secteurs de premier type étant notamment supérieure à celle de l'un des secteurs de deuxième type. Une machine à deux paires de pôles peut comporter quatre secteurs de chaque type.
Le nombre de secteurs de chaque type dépend ainsi du nombre de pôles de la machine.
Pour une machine à une seule paire de pôles, le secteur de premier type de la structure aimantée peut s'étendre sur un angle supérieur à 60° ou 90°, étant notamment sensiblement égal à 120°.
Avantageusement, dans le secteur de deuxième type de la structure aimantée, le vecteur d'aimantation présente une direction sensiblement radiale.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, pour une machine à une seule paire de pôles, la structure aimantée comporte deux secteurs de deuxième type, chacun de ces secteurs s'étendant sur un angle inférieur 90°, étant notamment sensiblement égal à 60°.
De préférence, la structure aimantée comportant des secteurs de premier et deuxième types s'étend sur toute la circonférence du stator, notamment de manière continue. De préférence la structure aimantée, ou magnétique, comporte au moins une rupture angulaire dans l'angle d'aimantation, entre le secteur de premier type et le secteur de deuxième type, cette rupture angulaire correspondant notamment à un changement dans l'angle d'aimantation compris entre 45° et 135°, étant notamment sensiblement égal à 90°.
La rupture angulaire dans la direction d'aimantation en passant du premier secteur vers le deuxième correspond par exemple à un basculement de la direction d'aimantation de radiale à orthoradiale.
De préférence, la structure aimantée, et notamment son vecteur d'aimantation, présente une asymétrie entre un premier ensemble comprenant un premier secteur de premier type et un premier secteur de deuxième type, et un deuxième ensemble comprenant un deuxième secteur de premier type et un deuxième secteur de deuxième type.
Avantageusement le champ magnétique résultant du champ d'induction magnétique généré par la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comprend une composante normale ayant, le long d'une majeure partie du secteur de premier type, une pente non nulle de signe constant.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'amplitude maximale de la composante normale du champ d'induction magnétique associé au secteur de premier type est supérieure à cette amplitude maximale associé au secteur de deuxième type de la structure aimantée.
Le cas échéant, le décalage angulaire entre un axe d'induit et un axe d'inducteur est choisi afin de réduire les effets du déplacement de la ligne neutre magnétique en charge. Cette ligne neutre peut être définie comme le lieu où l'induction résultante s'annule entre deux pôles consécutifs de l'inducteur.
Pour une machine à six pôles, ledit décalage angulaire (angle mécanique) est compris par exemple entre 10° et 20°, étant notamment compris entre 13.5° et 19.5°. Le décalage angulaire est par exemple de 16.5°. La ligne neutre peut éventuellement être décalée par rapport aux pôles en fonction de l'intensité de la charge de la machine, en vue par exemple de faciliter l'aide à la commutation en décalant des balais.
Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'un au moins des secteurs d'aimantation de la structure aimantée comporte une pluralité d'aimants permanents mis côte à côte, notamment contre une culasse de la machine.
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'un exemple de mise en œuvre non limitatif 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,
- la figure 2 représente, schématiquement et partiellement, une structure aimantée équipant le démarreur de la figure 1 , et
- les figures 3 et 4 représentent schématiquement la variation de la composante normale de différents champs magnétiques dans l'entrefer de la machine de la figure 1 ,
- la figure 5 représente, schématiquement et partiellement, une structure aimantée selon un état de la technique, et
- les figures 6 et 7 représentent schématiquement la variation de la composante normale de différents champs magnétiques associés à la structure aimantée de la figure 5.
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.
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 une paire de 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 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 un pignon 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 couronne dentée.
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 du pignon 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 une structure aimantée 5 conforme à un exemple de mise en œuvre de l'invention, destinée à équiper le démarreur 1.
Dans cet exemple, la structure aimantée 5 comporte un nombre d'aimants permanents 40 égal à 24. Ces aimants permanents 40 sont disposés de manière continue sur toute la circonférence du stator 3.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce nombre d'aimants.
Par exemple, le nombre d'aimants peut être réduit à quatre avec, dans certains aimants, une variation sensiblement continue de la direction d'aimantation. La structure aimantée 5 du stator comporte :
- deux secteurs 41 et 42 d'un premier type présentant une aimantation de direction qui varie par rapport à une direction radiale F1 lorsque l'on se déplace sur une circonférence de chacun de ces secteurs 41 et 42, l'aimantation dans ces secteurs prenant au moins localement une direction différente de directions radiale F1 et orthoradiale F2 du stator,
- deux secteurs 43 et 44 d'un deuxième type présentant une aimantation de direction uniquement radiale F1 , l'un de ces secteurs définissant un pôle Nord et l'autre un pôle Sud.
Chacun des secteurs 41 et 42 comprend huit aimants permanents, et chacun des secteurs 43 et 44 comprend quatre aimants permanents. En variante, les secteurs 41 à 44 peuvent chacun être formés par un seul aimant permanent.
La direction d'aimantation varie, lorsque l'on se déplace circonférentiellement sur l'un des secteurs d'aimantation 41 et 42 d'une extrémité circonférentielle à l'autre, d'une direction radiale à une direction orthoradiale.
Autrement dit, le long de chaque secteur 41 et 42, la transition de la direction d'aimantation correspond à 90°.
Comme visible à la figure 2, la direction d'aimantation le long du secteur 43 est uniquement radiale dirigée vers la circonférence intérieure du stator, alors que celle le long du secteur 44 est uniquement radiale dirigée vers la circonférence extérieure du stator.
Comme visible également à la figure 2, la transition de 90° de la direction d'aimantation le long du secteur 41 s'effectue entre une direction d'aimantation orthoradiale et une direction d'aimantation radiale dirigée vers la circonférence intérieure du stator, alors que celle le long du secteur 42 s'effectue entre une direction d'aimantation orthoradiale et une direction d'aimantation radiale dirigée vers la circonférence extérieure du stator.
Dans l'exemple considéré, la variation de la direction d'aimantation dans les secteurs 41 et 42 se produit par palier du fait de l'utilisation de plusieurs aimants permanents 40 d'aimantation uniforme en leur sein.
Dans un autre exemple de mise en œuvre non illustré, la variation de la direction de l'aimantation dans chaque secteur 41 et 42 est sensiblement continue.
Les secteurs d'aimantation 41 à 44 sont alternés, à savoir le secteur 41 , respectivement 42, est disposé entre les secteurs 43 et 44, en créant une rupture dans la direction d'aimantation lorsque l'on passe du secteur 44 au secteur 41 ou du secteur 43 au secteur 42, dans le sens anti-horaire.
La rupture angulaire correspond, dans l'exemple décrit, à un basculement de la direction d'aimantation de radiale F1 à orthoradiale F2. Cette rupture est ainsi de Ainsi, la structure aimantée formée par un premier ensemble comportant les secteurs 41 et 43 et un deuxième ensemble comportant les secteurs 42 et 44, et notamment le vecteur d'aimantation de cette structure, présente une asymétrie.
Lorsque la machine comporte une seule paire de pôles, comme décrit dans le présent exemple, chaque secteur 41 ou 42 s'étend sur un angle supérieur ou égal à 90°.
Dans l'exemple considéré, chaque secteur 41 ; 42 s'étend sur 120°, et chaque secteur 43 ; 44 s'étend sur 60°.
Bien entendu, la structure aimantée 5 peut comporter un nombre de paires de pôles plus élevé, par exemple quatre ou huit.
Comme illustré sur la figure 2, le décalage angulaire entre un axe d'induit A2 et un axe d'inducteur A1 est choisi afin de réduire les effets du déplacement de la ligne neutre.
Ceci permet de réduire l'influence de la réaction magnétique d'induit. Ce décalage angulaire est par exemple compris entre 0 et 60 ° pour une machine à une paire de pôles.
Les graphes des figures 3 et 4 illustrent la variation, en fonction de l'angle, de la composante normale des champs, à savoir Bn.no-load (induction à vide générée par la structure aimantée), 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 de la figure 2.
Le champ magnétique résultant du champ d'induction magnétique généré par la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comprend une composante normale Bn. resuit ayant, le long d'une majeure partie du secteur 41 ou 42 de premier type, une pente non nulle de signe constant, comme on peut le voir sur le graphe de la figure 4.
L'amplitude maximale de la composante normale Bn.No-load du champ d'induction magnétique associé au secteur 41 ou 42 de premier type est supérieure à cette amplitude maximale associé au secteur 43 ou 44 de deuxième type de la structure aimantée. Comme illustré sur les graphes des figures 3 et 4, le champ d'induction magnétique Bn.No-load généré par les secteurs 41 et 42 de la structure aimantée permet de compenser localement un effet défavorable de la réaction magnétique d'induit Bn.arm.reac. Autrement dit, le champ d'induction magnétique Bn.no-Load généré par la structure aimantée du stator, à vide sans tenir compte d'autres champs existants dans l'entrefer tels que la réaction magnétique d'induit, présente un profil apportant une contribution d'induction (par concentration de flux magnétique) aux endroits où les effets de la réaction magnétique d'induit Bn.Arm.reac s'opposent à ceux de la structure aimantée (les composantes normales respectives Bn.no-Load et Bn.Arm.reac présentant des signes opposés), notamment autour des angles 0° et 180°.
Aux endroits où les effets de la structure aimantée et celles de la réaction magnétique d'induit s'additionnent, la contribution d'induction est moins importante ou disparaît.
En effet, comme visible aux figures 3 et 4, les premiers secteurs 41 et 42 où la structure aimantée présente un vecteur d'aimantation permettant une concentration d'énergie magnétique de manière à augmenter le niveau de celle-ci, procurent pour le cas à vide un excès préalable ou, autrement dit, une provision d'induction, en prévision du cas en charge, où l'effet néfaste de la réaction magnétique d'induit consiste notamment à diminuer le niveau d'induction utile qui provient de l'inducteur à aimant permanent.
Autrement dit, la structure aimantée selon l'invention permet de contre-balancer l'effet démagnétisant de la réaction d'induit, aux endroits où il pénalise les performances de la machine électrique tournante, c'est à dire sous les moitiés de pôles inducteurs correspondantes, et cela sans effectuer d'action sous les moitiés de pôles où la réaction d'induit est magnétisante dans le même sens que la contribution de l'inducteur. Grâce à l'invention qui consiste notamment à ajouter à vide de l'induction avant un retranchement lors du fonctionnement en charge de la machine, on obtient en charge un fonctionnement avec un profil résultant d'induction satisfaisant.
On représenté sur la figure 5 une structure aimantée 50 selon un état de la technique.
Cette structure 50 comprend deux secteurs 51 et 52 formant deux pôles et présentant chacun une aimantation de direction uniforme, à savoir de direction radiale.
Les graphes des figures 6 et 7 montrent qu'aux endroits où les effets de la réaction magnétique d'induit Bn.Arm.reac s'opposent à ceux de la structure aimantée Bn.no-Load, il y a une absence de contribution d'induction significative de la part de la structure aimantée 50.
En particulier autour de l'angle 180°, le champ Bn. resuit présente un déficit d'induction.

Claims

Revendications
1. Machine électrique tournante à courant continu, notamment 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, la structure aimantée étant agencée pour générer un champ d'induction magnétique, - un rotor (2) qui, lors du fonctionnement de la machine, produit, dans un entrefer entre la structure aimantée et le rotor, une réaction magnétique d'induit,
- 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 comporte au moins un secteur (41 ; 42) d'un premier type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec une direction radiale un angle qui varie lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, l'aimantation dans ce secteur prenant au moins localement une direction différente de directions radiale (F1 ) et orthoradiale (F2) du stator, le champ d'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comportant des composantes normales de signes opposés, le champ d'induction magnétique généré par ce secteur de la structure aimantée étant choisi pour présenter un profil apportant une contribution d'induction par concentration de flux magnétique aux endroits où les effets de la réaction magnétique d'induit s'opposent à ceux de la structure aimantée pour au moins atténuer localement un effet défavorable de la réaction magnétique d'induit, et - la structure aimantée comporte au moins un secteur (43 ; 44) d'un deuxième type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec la direction radiale du stator un angle sensiblement constant lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, le champ d'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit présentant des composantes normales de même signe.
2. Machine selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que la structure aimantée s'étend sur toute la circonférence du stator (3), notamment de manière continue.
3. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le vecteur d'aimantation de la structure aimantée présente une asymétrie entre un premier ensemble comprenant un premier secteur de premier type (41 ) et un premier secteur de deuxième type (43), et un deuxième ensemble comprenant un deuxième secteur de premier type (42) et un deuxième secteur de deuxième type (44).
4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'angle entre le vecteur d'aimantation dans le secteur (41 ; 42) de premier type de la structure aimantée et la direction radiale du stator varie par palier lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée.
5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le vecteur d'aimantation dans le secteur de premier type de la structure aimantée varie d'une direction orthoradiale (F2) à une direction radiale (F1 ) lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée entre deux extrémités de ce secteur.
6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, à une seule paire de pôles, caractérisée par le fait que la structure aimantée comporte deux secteurs de premier type, alternés avec deux secteurs de deuxième type, l'étendue angulaire de l'un des secteurs de premier type étant supérieure à celle de l'un des secteurs de deuxième type.
7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, à une seule paire de pôles, caractérisée par le fait que le secteur (41 ; 42) de premier type de la structure aimantée s'étend sur un angle supérieur à 60° ou 90°, étant notamment sensiblement égal à 120°.
8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que, dans le secteur de deuxième type de la structure aimantée, le vecteur d'aimantation présente une direction sensiblement radiale.
9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, à une seule paire de pôles, caractérisée par le fait que la structure aimantée comporte deux secteurs de deuxième type, chacun de ces secteurs s'étendant sur un angle inférieur 90°, étant notamment sensiblement égal à 60°.
10. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la structure aimantée comporte au moins une rupture angulaire dans l'angle d'aimantation, entre le secteur de premier type et le secteur de deuxième type, cette rupture angulaire correspondant notamment à un changement dans l'angle d'aimantation compris entre 45° et 135°, étant notamment sensiblement égal à 90°.
11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le champ magnétique résultant du champ d'induction magnétique généré par la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comprend une composante normale ayant, le long d'une majeure partie du secteur de premier type, une pente non nulle de signe constant.
12. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'amplitude maximale de la composante normale du champ d'induction magnétique associé au secteur de premier type est supérieure à cette amplitude maximale associé au secteur de deuxième type de la structure aimantée.
13. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le décalage angulaire entre un axe d'induit et un axe d'inducteur est choisi afin de réduire le déplacement de la ligne neutre.
14. Machine selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que, pour une machine à six pôles, ledit décalage angulaire est compris entre 10° et 20°, étant notamment compris entre 13.5° et 19.5°.
15. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'un au moins des secteurs d'aimantation de la structure aimantée comporte une pluralité d'aimants permanents (40) mis côte à côte, notamment contre une culasse (4) de la machine.
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