EP2817868A1 - Rotor de machine tournante a concentration de flux - Google Patents

Rotor de machine tournante a concentration de flux

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Publication number
EP2817868A1
EP2817868A1 EP13713998.6A EP13713998A EP2817868A1 EP 2817868 A1 EP2817868 A1 EP 2817868A1 EP 13713998 A EP13713998 A EP 13713998A EP 2817868 A1 EP2817868 A1 EP 2817868A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
consecutive
permanent magnets
magnets
elementary
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13713998.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michael Leo Mcclelland
Xavier JANNOT
Michel Labonne
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.)
Moteurs Leroy Somer SAS
Original Assignee
Moteurs Leroy Somer SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Moteurs Leroy Somer SAS filed Critical Moteurs Leroy Somer SAS
Publication of EP2817868A1 publication Critical patent/EP2817868A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2786—Outer rotors
    • H02K1/2787—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/2789—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2791—Surface mounted magnets; Inset magnets
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2746—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets arranged with the same polarity, e.g. consequent pole type
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    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/03—Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator

Definitions

  • the present invention relates to rotating electrical machines, including synchronous machines, including motors, and more particularly the rotors of such machines.
  • the invention is concerned with permanent magnet and flux concentration rotors.
  • the flux concentration rotors comprise a rotor mass in which permanent magnets are housed, the latter being engaged in housings oriented most often radially.
  • the induction obtained in the gap is greater than the induction in the magnets.
  • the induction obtained in the gap can depend strongly on the circumferential position.
  • a machine with high polarity requires high frequencies, which results in significant losses in the motor in the form of losses iron and in the inverter in the form of switching losses.
  • Such machines with high polarity and with low energy density magnets are therefore used at limited speeds.
  • rotors of rotating flow-rate electrical machines do not make it possible to supply machines with relatively low polarity, for example less than six, with efficient use of magnets, in particular ferrite magnets and / or low-density magnets. 'energy.
  • the invention aims to meet all or part of this need and it succeeds, according to one of its aspects, with a rotating electric machine rotor flux concentration, comprising:
  • a rotor mass comprising housings
  • each V defining an elementary polar part, at least two consecutive polar elementary parts having an identical polarity.
  • the rotor mass defines elementary pole portions each disposed between magnets which are symmetrically polarized relative to each other and which make it possible to effectively concentrate the flux of the magnets. Thanks to the elementary polar parts, the invention makes it possible to improve the induction obtained in the air gap whatever the circumferential position.
  • consecutive polar elementary parts define by juxtaposition a main pole of the rotor.
  • the number of elementary polar parts in a main pole is greater than or equal to two, being for example two, three, four or five.
  • the magnets defining the same pole are arranged in the form of W.
  • At least three consecutive polar elementary parts may have an identical polarity, or even at least four consecutive polar elementary parts, or even five consecutive polar elementary parts.
  • the magnets in the rotor mass Thanks to the arrangement of the magnets in the rotor mass, sufficient induction levels in the air gap are obtained even with a relatively low rotor polarity, for example less than 6, while not necessarily using magnets with high volumetric energy, such as magnets made of rare earths, but on the contrary low energy density, for example made of ferrite.
  • the cost of the rotor can thus be reduced.
  • the polarity of the rotor can be reduced if the application requires it.
  • the rotor according to the invention makes it possible to increase the level of induction in the gap without increasing the polarity and by using magnets with a low energy density.
  • V-oriented gap means that the V is open towards the air gap.
  • a V can be formed by two consecutive permanent magnets when moving circumferentially.
  • a V may be formed by more than two permanent magnets when moving circumferentially, in particular by four permanent magnets, two magnets for example forming each branch of V. Such a segmentation of magnets can improve circulation flow into the rotor mass and / or introduce bridges to stiffen it.
  • a branch of a V may be formed of several magnets, for example two. Two magnets of a branch of the V can be aligned. In a variant, the magnets forming a branch of a V may each extend along an axis, the two axes forming an angle ⁇ between them. This angle may be between 0 ° and 45 °.
  • the permanent magnets may be rectangular in cross section. Alternatively, the width of a magnet taken in cross section perpendicular to the axis of rotation may taper when moving towards the air gap.
  • the permanent magnets may be generally trapezoidal in cross section. In another variant, the magnets may be in curvilinear cross section, for example of ring-shaped shape.
  • Two consecutive magnets of two consecutive polar elementary parts of identical polarities can form a V oriented towards the axis of rotation.
  • the disposition of the consecutive magnets may be identical when moving from one V to another V of the same pole to a V of a pole of opposite polarity.
  • two consecutive magnets of two consecutive polar elementary portions of opposite polarities can also form a V oriented towards the axis of rotation.
  • the disposition of the consecutive magnets may be different than one goes to a V of the same pole or that one goes to a V of a pole of opposite polarity. it can optimize the circulation of the flow in the rotor mass.
  • two consecutive magnets of two consecutive polar elementary portions of opposite polarities may extend substantially parallel to each other. Such an arrangement of the magnets makes it possible to optimize the circulation of the flux in the rotor mass.
  • the thickness of the rotor mass between two consecutive magnets of two consecutive polar elementary parts of opposite polarities may be less than 5 mm, or even 3 mm, better still less than 1.5 mm.
  • the same magnet can participate in two consecutive V at a time, in particular two V of two poles of opposite polarities.
  • the magnet can in this case be for example twice as large in cross section as a magnet participating only one V.
  • a housing may extend radially over a length greater than the radial length of the corresponding magnet in cross section.
  • the shape of the cross-sectional housing can be chosen to optimize the waveform of induction in the gap.
  • at least one end of the housing in cross section perpendicular to the axis of rotation may be of triangular shape, or both ends may be of triangular or curved shape, or in the form of an arc.
  • the part (s) of the housing without magnet at one of its ends or ends may be in the form of a right triangle or rounded.
  • the hypotenuses of the two right triangles or the curved located closer to the gap can be arranged opposite to each other.
  • Such a shape makes it possible to better guide the magnetic flux towards the gap.
  • the hypotenuses of the two right triangles or the roundings located closest to the axis of rotation can be arranged face to face.
  • Permanent magnets can form a number of V between 8 and
  • V may be determined for a given rotor an optimum number of V to maximize the production of the flux in the air gap depending on the polarity of the rotor and the geometric dimensions of the last.
  • the optimum number of V for a given polarity may, for example, be greater than the optimum number of V for a polarity greater than the given polarity.
  • the number of rotor poles may be less than or equal to 8, or less than or equal to 6, being for example equal to 4. Thanks to the invention, it is possible to provide a low rotor. polarity, for example at only two poles, while achieving an effective flux concentration. There is not necessarily a frequency limit of use, and the rotor according to the invention can be used while being powered by an electronic power inverter, while limiting the losses iron to the motor and the losses by switching in the inverter.
  • the permanent magnets of the rotor can be made at least partially of ferrite. They may for example not contain rare earths, or at least contain less than 50% rare earth en masse.
  • the rotor may comprise a shaft extending along an axis of rotation.
  • the shaft may be made of a magnetic material, which advantageously makes it possible to reduce the risk of saturation in the rotor mass and to improve the electromagnetic performances of the rotor.
  • the shaft may comprise a magnetic sleeve in contact with the rotor mass, the sleeve being mounted on an axis, magnetic or not.
  • the rotor mass extends along the axis of rotation and is arranged around the shaft.
  • the shaft may comprise torque transmission means for driving in rotation of the rotor mass.
  • the rotor mass may be formed entirely by an assembly of rotor plates each monobloc or by a winding of a sector band.
  • the rotor may be devoid of reported pole pieces, and the construction of the rotor is simplified.
  • the stack of magnetic sheet layers may comprise a stack of magnetic sheets, each in one piece, each sheet forming a layer of the stack.
  • the stack of magnetic sheet layers may comprise one or more magnetic sheet (s) wound on it (s) itself, each sheet being able to form several layers of the stack, according to the number of turns on which it is rolled up on itself.
  • a sheet may comprise a succession of sectors connected by material bridges.
  • Material bridges can form the bottom of a housing of a permanent magnet, on the side of the gap.
  • Each sector can correspond to an elementary polar part.
  • a sheet may comprise a number of sectors equal to the number of elementary polar parts, or alternatively to the number of poles of the rotor.
  • a sheet may have a number of sectors greater than the number of elementary polar parts of the rotor, for example a multiple of the number of elementary polar parts of the rotor, two sectors of the same sheet that can be superimposed on one another when the sheet is wound to form the mass rotor.
  • each rotor plate is cut from a sheet of magnetic steel, for example steel 0.1 to 1.5 mm thick.
  • the sheets can be coated with an electrical insulating varnish on their opposite faces before assembly within the stack. The insulation can still be obtained by a heat treatment of the sheets.
  • the rotor mass may comprise polar parts independent of each other.
  • Each pole piece may be formed of a stack of magnetic sheets.
  • At least one of the housings may be of oblong shape, preferably elongated in a rectilinear direction.
  • all the housings are oblong, elongate in a rectilinear direction.
  • the housing can be elongate in a curved direction, for example in a circular arc.
  • the distribution of the housings is advantageously regular and symmetrical, facilitating the cutting of the rotor sheet and the mechanical stability after cutting when the rotor mass consists of a superposition of rotor plates.
  • the number of housings and magnets depends on the polarity of the rotor.
  • the rotor mass may comprise any number of dwellings, for example between 4 and 96 dwellings, better still between 8 and 40 dwellings, or even between 16 and 32 dwellings.
  • Magnets can be buried in the rotor mass. In other words, the magnets are covered by the layers of magnetic sheets at the gap. The surface of the rotor at the air gap can be entirely defined by the edge of the magnetic sheet layers and not by the magnets. The housing does not open then radially outward.
  • the rotor mass may comprise one or more holes to lighten the rotor, to allow its balancing or for the assembly of the rotor plates constituting it. Holes may allow the passage of tie rods now integral with the sheets.
  • the sheet layers can be snapped onto each other.
  • the housings can be filled at least partially with a non-magnetic synthetic material. This material can lock in place the magnets in the housing and / or increase the cohesion of the sheet package.
  • the rotor mass may comprise, where appropriate, one or more reliefs contributing to the proper positioning of the magnets, especially in the radial direction.
  • the rotor mass may have an outer contour which is circular or multilobed, a multi-lobed shape may be useful for example to reduce torque ripples or harmonics of current or voltage.
  • the rotor can receive an outer ring, which surrounds the package of sheets. This can reduce the width of the material bridge connecting two consecutive sectors.
  • the rotor can be cantilevered or not.
  • the rotor can be made of several rotor pieces aligned in the axial direction, for example three pieces. Each piece can be angularly shifted relative to other adjacent pieces ("step skew" in English).
  • the invention further relates to a rotating electrical machine, such as a synchronous motor or a synchronous generator, comprising a rotor as defined above.
  • a rotating electrical machine such as a synchronous motor or a synchronous generator, comprising a rotor as defined above.
  • the rotor can be inside or outside.
  • an outer rotor can prevent possible saturation between consecutive magnets of the same polarity, which could occur with an inner rotor. It can thus have a magnetic induction in the larger gap.
  • an outer rotor configuration there is more room to arrange the magnets, which makes it easier to increase the flux concentration factor in the gap.
  • This machine may comprise a stator with concentrated or distributed winding.
  • the rotor can have as many main poles as the stator.
  • FIG. 1 is a schematic and partial cross-sectional view of a machine comprising a rotor produced in accordance with the invention
  • FIG. 2 represents a detail of embodiment of FIG. 1, and - Figures 3 to 11 and 5a are views similar to Figure 2, illustrating alternative embodiments.
  • FIG. 1 illustrates a rotary electrical machine 10 comprising a rotor 1 and a stator 2.
  • the stator 2 comprises for example a concentrated or distributed winding. This stator makes it possible to generate a rotating magnetic field driving the rotor in rotation, in the context of a synchronous motor, and in the case of an alternator, the rotation of the rotor induces an electromotive force in the stator windings.
  • the rotor 1 shown in FIGS. 1 and 2 comprises a rotor magnetic mass 3 extending axially along the axis of rotation X of the rotor, this rotor mass being for example formed by a stack of magnetic sheets 4 stacked along the X axis, the sheets being for example identical and superimposed exactly. They can be held together by clipping, rivets, tie rods, welds or any other technique.
  • the rotor mass may comprise at least one magnetic sheet wound on itself.
  • the magnetic sheets are preferably magnetic steel. All grades of magnetic steel can be used.
  • the rotor mass 3 comprises a central opening 5 for mounting on a shaft 6.
  • the shaft 6 may, in the example considered, be made of a non-magnetic material, for example non-magnetic stainless steel or aluminum.
  • the rotor 1 comprises a plurality of permanent magnets 7 arranged in corresponding housings 8 of the rotor magnetic mass 3.
  • the permanent magnets 7 are arranged in V oriented towards the gap.
  • Each V defines an elementary polar part 9, two consecutive polar elementary parts 9 having an identical polarity.
  • These two polar elementary parts 9 define in the example in question a magnetic pole of the rotor.
  • Two consecutive magnets 7 of the same magnetic pole and the same elementary polar part have the same polarities on their facing faces.
  • the two branches of the V form in the example described an angle ⁇ between 10 ° and 90 °.
  • the V may extend over a radial height L of between 5 and 25 cm.
  • the height L can be 30% to 80% of the radius of the rotor, measured between the axis of rotation and the gap.
  • three consecutive polar elementary parts may have an identical polarity, as illustrated in FIG. 4, or even four consecutive polar elementary parts, as illustrated in FIG. 5, or even five consecutive polar elementary parts, as illustrated in FIG.
  • FIG. 4 there is illustrated a main magnetic pole of a rotor according to the invention.
  • FIG. 4 also illustrates the drawing of the magnetic field lines of a pole of the rotor, and in FIG. 5 an example of the choice of the orientation of the magnetization of the magnets for a main magnetic pole. of the rotor.
  • the permanent magnets 7 are generally rectangular in cross section, but it is not beyond the scope of the present invention if they are of a different shape, for example trapezoidal, as illustrated in FIG. In this figure, it is seen that the width / of a magnet taken in cross section perpendicular to the axis of rotation tapers when one is heading towards the air gap.
  • the magnets may be made of ferrite or alternatively of rare earths, for example of neodymium or other type.
  • the magnets are made of ferrite.
  • two consecutive magnets of two consecutive polar elementary parts of identical polarities also form a V oriented towards the axis of rotation.
  • two consecutive magnets of two consecutive polar elementary portions of opposite polarities also form a V oriented towards the axis of rotation.
  • two consecutive magnets of two consecutive polar elementary portions of opposite polarities extend substantially parallel to each other.
  • Such an arrangement of the magnets makes it possible to optimize the circulation of the flux in the rotor mass.
  • the thickness e of the rotor mass between two consecutive magnets of two consecutive V of opposite polarities is between 1.5 and 5 mm, in the example described.
  • the same magnet participates in two Vs of two poles of opposite polarities at a time.
  • the magnet is twice as wide in cross-section as a magnet participating in only one V.
  • the end 8a of the housing 8 closest to the axis of rotation is triangular in cross section perpendicular to the axis of rotation.
  • the housings defining each of the branches of the same V communicate by their end 8a closest to the axis of rotation.
  • each housing 8 is of triangular shape, as illustrated in FIG.
  • the end 8b of the housing 8 may alternatively further comprise a curved edge, for example in an arc-in-circle, as shown in Figure 5a.
  • a V is formed by two consecutive permanent magnets when moving circumferentially.
  • Each branch of a V may for example be provided by several permanent magnets, including two or even three or four.
  • a V may be formed in particular by four permanent magnets, two magnets forming for example each leg of the V, as illustrated by way of example in FIG. 7.
  • the magnets forming a branch of a V may be extend each along an axis, the two axes making an angle a between them. This angle may be between 0 ° and 90 °.
  • a branch of a V may be formed with a single magnet having two rectilinear portions inclined relative to each other by an angle a, as shown in FIG. 9.
  • the magnets may be curvilinear, as illustrated in FIG.
  • a synthetic material can be injected into the housings 8, so as to block the magnets in the housing 8 and / or ensure the cohesion of the sheet package.
  • the material used is for example an epoxy resin or a thermoplastic material.
  • the locking of the magnets 7 can also be effected by clamping under the action of the centrifugal force.
  • FIG. 11 illustrates a machine 10 comprising an inner stator 2 and an outer rotor 1.
  • the sheets can be made with holes to allow the passage of connecting rods of the laminations of the rotor mass.

Landscapes

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

Abstract

La présente invention concerne un rotor (1) de machine électrique tournante à concentration de flux, comportant: -une masse rotorique (3) comprenant des logements (8), et -des aimants permanents (7) disposés dans les logements (8) de la masse rotorique (3), les aimants permanents étant disposés en V orientés vers l'entrefer, chaque V définissant une partie polaire élémentaire, au moins deux parties polaires élémentaires consécutives ayant une polarité identique.

Description

ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A
CONCENTRATION DE FLUX
La présente invention concerne les machines électriques tournantes, notamment les machines synchrones, dont les moteurs, et plus particulièrement les rotors de telles machines. L'invention s'intéresse aux rotors à aimants permanents et à concentration de flux. Les rotors à concentration de flux comportent une masse rotorique dans laquelle sont logés des aimants permanents, ces derniers étant engagés dans des logements orientés le plus souvent radialement.
On connaît des machines électriques comportant des aimants permanents non radiaux, disposés par exemple en V ou en U, comme dans les brevets EP 1 414 130, US 6 984 909, US 6 836 045, US 6 794 784, US 6 909 216, US 5 955 807, et la demande de brevet US 2008/231135.
Grâce à la concentration du flux dans les pôles, l'induction obtenue dans l'entrefer est supérieure à l'induction dans les aimants. L'induction obtenue dans l'entrefer peut dépendre fortement de la position circonférentielle.
Dans la demande US 2007/014850 et dans la demande internationale WO 2010/039786, les aimants permanents sont disposés en deux couches concentriques.
Dans les rotors connus, afin d'obtenir des niveaux d'induction suffisants dans l'entrefer et avoir des machines compactes, il peut être nécessaire d'utiliser des aimants à forte densité d'énergie, donc coûteux. En effet, de tels aimants sont fabriqués avec des terres rares.
Dans d'autres machines, on utilise des aimants à faible énergie volumique, réalisés en ferrite, mais de telles machine présentent l'inconvénient de nécessiter une polarité élevée ou des rotors de très grand diamètre pour obtenir des niveaux d'induction dans l'entrefer comparables à ce que l'on peut obtenir avec des aimants à forte énergie volumique.
Une machine à polarité élevée nécessite des hautes fréquences, d'où des pertes importantes dans le moteur sous la forme de pertes fer et dans l'onduleur sous la forme de pertes par commutation. De telles machines à polarité élevée et avec des aimants à faible densité d'énergie sont donc utilisées à des vitesses limitées. Ainsi, les rotors de machines électriques tournantes à concentration de flux ne permettent pas de fournir des machines à polarité relativement basse, par exemple inférieure à six, avec une utilisation efficace des aimants, notamment d'aimants en ferrite et/ou à basse densité d'énergie.
II existe donc un besoin pour bénéficier d'un rotor de machine électrique tournante permettant une utilisation plus efficace des aimants notamment d'aimants en ferrite et/ou à basse densité d'énergie, et éventuellement avec une polarité qui n'est pas nécessairement élevée.
L'invention vise à répondre à tout ou partie de ce besoin et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, grâce à un rotor de machine électrique tournante à concentration de flux, comportant :
- une masse rotorique comprenant des logements, et
- des aimants permanents disposés dans les logements de la masse rotorique, les aimants permanents étant disposés en V orientés vers l'entrefer, chaque V définissant une partie polaire élémentaire, au moins deux parties polaires élémentaires consécutives ayant une polarité identique.
La masse rotorique définit des parties polaires élémentaires disposées chacune entre des aimants polarisés symétriquement les uns par rapport aux autres, qui permettent de concentrer efficacement le flux des aimants. Grâce aux parties polaires élémentaires, l'invention permet d'améliorer l'induction obtenue dans l'entrefer quelle que soit la position circonférentielle.
Plusieurs parties polaires élémentaires consécutives définissent par juxtaposition un pôle principal du rotor. Le nombre de parties polaires élémentaires dans un pôle principal est supérieur ou égal à deux, étant par exemple de deux, trois, quatre ou cinq. Lorsque le nombre de parties polaires élémentaires est égal à deux, les aimants définissant un même pôle sont disposés en forme de W. Au moins trois parties polaires élémentaires consécutives peuvent avoir une polarité identique, voire au moins quatre parties polaires élémentaires consécutives, voire même cinq parties polaires élémentaires consécutives.
Grâce à la disposition des aimants dans la masse rotorique, on obtient des niveaux d'induction dans l'entrefer suffisants même avec une polarité du rotor relativement faible, par exemple inférieure à 6, tout en n'utilisant pas nécessairement des aimants à forte énergie volumique, tels que des aimants réalisés en terres rares, mais au contraire à faible énergie volumique, par exemple réalisés en ferrite. Le coût du rotor peut ainsi en être réduit. En outre, la polarité du rotor peut être réduite si l'application le nécessite. En effet, le rotor selon l'invention permet d'augmenter le niveau d'induction dans l'entrefer sans augmenter la polarité et en utilisant des aimants à faible densité d'énergie.
Par « V orienté vers l'entrefer », on entend que le V est ouvert en direction de l'entrefer. Un V peut être formé par deux aimants permanents consécutifs lorsque l'on se déplace circonférentiellement. En variante, un V peut être formé par plus de deux aimants permanents lorsque l'on se déplace circonférentiellement, notamment par quatre aimants permanents, deux aimants formant par exemple chaque branche du V. Une telle segmentation des aimants peut permettre d'améliorer la circulation du flux dans la masse rotorique et/ou d'introduire des ponts afin de rigidifîer celle-ci.
Une branche d'un V peut être formée de plusieurs aimants, par exemple deux. Deux aimants d'une branche du V peuvent être alignés. En variante le ou les aimants formant une branche d'un V peuvent s'étendre chacun selon un axe, les deux axes faisant un angle a entre eux. Cet angle a peut être compris entre 0° et 45°.
Les aimants permanents peuvent être de forme rectangulaire en section transversale. En variante, la largeur d'un aimant prise en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation peut aller en s'amincissant lorsque l'on se dirige en direction de l'entrefer. Les aimants permanents peuvent être de forme générale trapézoïdale en section transversale. En variante encore, les aimants peuvent être en section transversale curviligne, par exemple de forme en secteur d'anneau.
Deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités identiques peuvent former un V orienté vers l'axe de rotation. Lorsque l'on se déplace circonférentiellement, la disposition des aimants consécutifs peut être identique lors du passage d'un V à un autre V d'un même pôle qu'à un V d'un pôle de polarité opposée. Ainsi, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées peuvent former également un V orienté vers l'axe de rotation.
En variante, la disposition des aimants consécutifs peut être différente que l'on passe à un V d'un même pôle ou que l'on passe à un V d'un pôle de polarité opposée. Cela peut permettre d'optimiser la circulation du flux dans la masse rotorique. A titre d'exemple, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées peuvent s'étendre sensiblement parallèlement l'un à l'autre. Une telle disposition des aimants permet d'optimiser la circulation du flux dans la masse rotorique.
L'épaisseur de la masse rotorique entre deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées peut être inférieure à 5 mm, voire à 3 mm, mieux inférieure à 1 ,5 mm.
En variante encore, un même aimant peut participer à deux V consécutifs à la fois, notamment à deux V de deux pôles de polarités opposées. L'aimant peut dans ce cas être par exemple deux fois plus large en section transversale qu'un aimant ne participant qu'à un seul V.
Un logement peut s'étendre radialement sur une longueur supérieure à la longueur radiale de l'aimant correspondant en section transversale. La forme du logement en section transversale peut être choisie pour optimiser la forme d'onde de l'induction dans l'entrefer. A titre d'exemple, au moins une extrémité du logement en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation peut être de forme triangulaire, voire les deux extrémités peuvent être de forme triangulaire ou incurvée, voire en forme d'arc de cercle. Lorsque l'aimant est inséré dans le logement correspondant, la ou les partie(s) du logement sans aimant à l'une de ses ou à ses extrémités peu(ven)t être en forme de triangle rectangle ou l'arrondi. Pour deux logements consécutifs, les hypoténuses des deux triangles rectangles ou l'incurvée situés au plus près de l'entrefer peuvent être disposées à l'opposé l'une de l'autre. Une telle forme permet de mieux guider le flux magnétique vers l'entrefer. Pour deux logements consécutifs, les hypoténuses des deux triangles rectangles ou les arrondis situés au plus près de l'axe de rotation peuvent être disposées face à face.
Les aimants permanents peuvent former un nombre de V compris entre 8 et
24, voire entre 12 et 20, par exemple de 16. Il peut être possible de déterminer pour un rotor donné un nombre optimal de V permettant de maximiser la production du flux dans l'entrefer en fonction de la polarité du rotor et des dimensions géométriques de ce dernier. Le nombre optimum de V pour une polarité donnée peut par exemple être supérieur au nombre optimum de V pour une polarité supérieure à la polarité donnée.
Le nombre de pôles du rotor peut être inférieur ou égal à 8, voir inférieur ou égal à 6, étant par exemple égal à 4. Grâce à l'invention, on peut fournir un rotor à faible polarité, par exemple à deux pôles seulement, tout en réalisant une concentration de flux efficace. Il n'y a pas nécessairement de fréquence limite d'utilisation, et le rotor selon l'invention peut être utilisé en étant alimenté par un onduleur électronique de puissance, tout en limitant les pertes fer au moteur et les pertes par commutation dans l'onduleur.
Les aimants permanents du rotor peuvent être réalisés au moins partiellement en ferrite. Ils peuvent par exemple ne pas contenir de terres rares, ou à tout le moins contenir moins de 50% de terres rares en masse.
Le rotor peut comporter un arbre s 'étendant selon un axe de rotation. L'arbre peut être réalisé dans un matériau magnétique, ce qui permet avantageusement de diminuer le risque de saturation dans la masse rotorique et d'améliorer les performances électromagnétiques du rotor. L'arbre peut comporter un manchon magnétique en contact avec la masse rotorique, le manchon étant monté sur un axe, magnétique ou non.
La masse rotorique s'étend selon l'axe de rotation et est disposée autour de l'arbre. L'arbre peut comporter des moyens de transmission de couple pour l'entraînement en rotation de la masse rotorique.
La masse rotorique peut être formée entièrement par un assemblage de tôles rotoriques chacune monobloc ou par un enroulement d'une bande de secteurs. Ainsi, le rotor peut être dépourvu de pièces polaires rapportées, et la construction du rotor s'en trouve simplifiée.
L'empilement de couches de tôle magnétique peut comporter un empilement de tôles magnétiques, chacune d'un seul tenant, chaque tôle formant une couche de l'empilement.
En variante l'empilement de couches de tôle magnétique peut comporter une ou plusieurs tôle(s) magnétique(s) enroulée(s) sur elle(s)-même(s), chaque tôle pouvant former plusieurs couches de l'empilement, selon le nombre de tours sur lesquels elle est enroulée sur elle-même.
Une tôle peut comporter une succession de secteurs reliés par des ponts de matière. Les ponts de matière peuvent former le fond d'un logement d'un aimant permanent, du côté de l'entrefer.
Chaque secteur peut correspondre à une partie polaire élémentaire. Une tôle peut comporter un nombre de secteurs égal au nombre de parties polaires élémentaires, ou en variante au nombre de pôles du rotor. Une tôle peut comporter un nombre de secteurs supérieur au nombre de parties polaires élémentaires du rotor, par exemple un multiple du nombre de parties polaires élémentaires du rotor, deux secteurs d'une même tôle pouvant venir se superposer l'un sur l'autre lorsque la tôle est enroulée pour former la masse rotorique.
Chaque tôle rotorique est par exemple découpée dans une feuille d'acier magnétique, par exemple de l'acier de 0,1 à 1 ,5 mm d'épaisseur. Les tôles peuvent être revêtues d'un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein de l'empilement. L'isolation peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles.
En variante, la masse rotorique peut comporter des pièces polaires indépendantes les unes des autres. Chaque pièce polaire peut être formée d'un empilement de tôles magnétiques.
Au moins l'un des logements peut être de forme oblongue, allongé de préférence selon une direction rectiligne. De préférence, tous les logements sont de forme oblongue, allongés selon une direction rectiligne. En variante, les logements peuvent être allongés selon une direction courbe, par exemple en arc de cercle.
La répartition des logements est avantageusement régulière et symétrique, facilitant la découpe de la tôle rotorique et la stabilité mécanique après découpe quand la masse rotorique est constituée d'une superposition de tôles rotoriques.
Le nombre de logements et d'aimants dépend de la polarité du rotor. La masse rotorique peut comporter un nombre quelconque de logements, par exemple entre 4 et 96 logements, mieux entre 8 et 40 logements, voire entre 16 et 32 logements.
Les aimants peuvent être enterrés dans la masse rotorique. Autrement dit, les aimants sont recouverts par les couches de tôles magnétiques au niveau de l'entrefer. La surface du rotor au niveau de l'entrefer peut être entièrement définie par le bord des couches de tôles magnétiques et non par les aimants. Les logements ne débouchent alors pas radialement vers l'extérieur.
La masse rotorique peut comporter un ou plusieurs trous pour alléger le rotor, permettre son équilibrage ou pour l'assemblage des tôles rotoriques la constituant. Des trous peuvent permettre le passage de tirants maintenant solidaires entre elles les tôles.
Les couches de tôles peuvent être encliquetées les unes sur les autres. Les logements peuvent être remplis au moins partiellement, par une matière synthétique non magnétique. Cette matière peut bloquer en place les aimants dans les logements et/ou augmenter la cohésion du paquet de tôles.
La masse rotorique peut comporter, le cas échéant, un ou plusieurs reliefs contribuant au bon positionnement des aimants, notamment dans la direction radiale.
La masse rotorique peut présenter un contour extérieur qui est circulaire ou multilobé, une forme multilobée pouvant être utile par exemple pour réduire les ondulations de couple ou les harmoniques de courant ou de tension.
Le rotor peut recevoir une frette extérieure, qui entoure le paquet de tôles. Cela peut permettre de réduire la largeur du pont de matière reliant deux secteurs consécutifs.
Le rotor peut être monté en porte à faux ou non.
Le rotor peut être réalisé en plusieurs morceaux de rotor alignés suivant la direction axiale, par exemple trois morceaux. Chacun des morceaux peut être décalé angulairement par rapport aux autres morceaux adjacents (« step skew » en anglais).
L'invention a encore pour objet une machine électrique tournante, tel qu'un moteur synchrone ou une génératrice synchrone, comportant un rotor tel que défini précédemment. Le rotor peut être intérieur ou extérieur.
L'utilisation d'un rotor extérieur peut permettre d'éviter une éventuelle saturation entre des aimants consécutifs de même polarité, qui pourrait se produire avec un rotor intérieur. On peut ainsi avoir une induction magnétique dans l'entrefer plus importante. D'autre part, dans une configuration de rotor extérieur, on a plus de place pour disposer les aimants, ce qui permet d'augmenter plus facilement le facteur de concentration de flux dans l'entrefer.
Cette machine peut comporter un stator à bobinage concentré ou réparti.
Le rotor peut posséder autant de pôles principaux que le stator.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 représente en coupe transversale, de manière schématique et partielle, une machine comportant un rotor réalisé conformément à l'invention,
- la figure 2 représente un détail de réalisation de la figure 1 , et - les figures 3 à 11 et 5a sont des vues analogues à la figure 2, illustrant des variantes de réalisation.
On a illustré à la figure 1 une machine électrique tournante 10 comportant un rotor 1 et un stator 2.
Le stator 2 comporte par exemple un bobinage concentré ou réparti. Ce stator permet de générer un champ magnétique tournant d'entraînement du rotor en rotation, dans le cadre d'un moteur synchrone, et dans le cas d'un alternateur, la rotation du rotor induit une force électromotrice dans les bobinages du stator.
Le rotor 1 représenté aux figures 1 et 2 comporte une masse magnétique rotorique 3 s'étendant axialement selon l'axe de rotation X du rotor, cette masse rotorique étant par exemple formée par un paquet de tôles magnétiques 4 empilées selon l'axe X, les tôles étant par exemple identiques et superposées exactement. Elles peuvent être maintenues entre elles par clipsage, par des rivets, par des tirants, des soudures ou toute autre technique. En variante, la masse rotorique peut comporter au moins une tôle magnétique enroulée sur elle-même. Les tôles magnétiques sont de préférence en acier magnétique. Toutes les nuances d'acier magnétique peuvent être utilisées.
La masse rotorique 3 comporte une ouverture centrale 5 pour le montage sur un arbre 6. L'arbre 6 peut, dans l'exemple considéré, être réalisé dans un matériau amagnétique, par exemple en inox amagnétique ou en aluminium.
Le rotor 1 comporte une pluralité d'aimants permanents 7 disposés dans des logements correspondants 8 de la masse magnétique rotorique 3. Les aimants permanents 7 sont disposés en V orientés vers l'entrefer. Chaque V définit une partie polaire élémentaire 9, deux parties polaires élémentaires 9 consécutives ayant une polarité identique. Ces deux parties polaires élémentaires 9 définissent dans l'exemple considéré un pôle magnétique du rotor. Deux aimants consécutifs 7 d'un même pôle magnétique et d'une même partie polaire élémentaire présentent des mêmes polarités sur leurs faces en regard.
Les deux branches du V forment dans l'exemple décrit un angle γ compris entre 10° et 90°. En outre, le V peut s'étendre sur une hauteur radiale L comprise entre 5 et 25 cm. La hauteur L peut être de 30 % à 80 % du rayon du rotor, mesuré entre l'axe de rotation et l'entrefer. En variante, trois parties polaires élémentaires consécutives peuvent avoir une polarité identique, comme illustré à la figure 4, voire quatre parties polaires élémentaires consécutives, comme illustré à la figure 5, voire même cinq parties polaires élémentaires consécutives, comme illustré à la figure 6. Sur chacune de ces figures, on a illustré un pôle magnétique principal d'un rotor conforme à l'invention.
On a également illustré à titre d'exemple à la figure 4 le tracé des lignes de champ magnétique d'un pôle du rotor, et à la figure 5 un exemple de choix de l'orientation de la magnétisation des aimants pour un pôle magnétique principal du rotor.
Dans l'exemple illustré, les aimants permanents 7 sont de forme générale rectangulaire en section transversale, mais on ne sort pas du cadre de la présente invention s'ils sont d'une forme autre, par exemple trapézoïdale, comme illustré à la figure 8. Sur cette figure, on voit que la largeur / d'un aimant prise en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation va en s'amincissant lorsque l'on se dirige en direction de l'entrefer.
Les aimants peuvent être réalisés en ferrite ou en variante en terres rares, par exemple de type néodyme ou autre. De préférence, les aimants sont réalisés en ferrite.
Dans les exemples illustrés, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités identiques forment également un V orienté vers l'axe de rotation.
En outre, dans les exemples de réalisation illustrés aux figures 4 à 6, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées forment également un V orienté vers l'axe de rotation.
Il peut bien entendu en être autrement, et dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées s'étendent sensiblement parallèlement l'un à l'autre. Une telle disposition des aimants permet d'optimiser la circulation du flux dans la masse rotorique.
L'épaisseur e de la masse rotorique entre deux aimants consécutifs de deux V consécutifs de polarités opposées est comprise entre 1,5 et 5 mm, dans l'exemple décrit.
Dans une variante de réalisation illustrée à la figure 3, un même aimant participe à deux V de deux pôles de polarités opposés à la fois. L'aimant est dans l'exemple décrit deux fois plus large en section transversale qu'un aimant ne participant qu'à un seul V. Dans les exemples illustrés aux figures 4 à 6, l'extrémité 8a du logement 8 la plus proche de l'axe de rotation est de forme triangulaire en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation.
Dans l'exemple illustré aux figures let 2, les logements définissant chacune des branches d'un même V communiquent par leur extrémité 8a la plus proche de l'axe de rotation.
En variante encore ou additionnellement, les deux extrémités 8 a et 8b de chaque logement 8 sont de forme triangulaire, comme illustré à la figure 5.
L'extrémité 8b du logement 8 peut en variante encore comporter un bord incurvé, par exemple en arc-en-cercle, comme illustré à la figure 5a.
Dans les exemples qui viennent d'être décrits, un V est formé par deux aimants permanents consécutifs lorsque l'on se déplace circonférentiellement. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de la présente invention s'il en est autrement, et si par exemple un V est formé par plus de deux aimants permanents lorsque l'on se déplace circonférentiellement. Chaque branche d'un V peut par exemple être fournie par plusieurs aimants permanents, notamment deux, voire trois ou quatre. Dans un exemple de réalisation, un V peut être formé notamment par quatre aimants permanents, deux aimants formant par exemple chaque branche du V, comme illustré à titre d'exemple à la figure 7. Les aimants formant une branche d'un V peuvent s'étendre chacun selon un axe, les deux axes faisant un angle a entre eux. Cet angle a peut être compris entre 0° et 90°.
En variante, une branche d'un V peut être formée avec un seul aimant comportant deux portions rectilignes inclinées l'une par rapport à l'autre d'un angle a, comme illustré à la figure 9.
En variante encore, les aimants peuvent être curvilignes, comme illustré à la figure 10.
Une matière synthétique peut être injectée dans les logements 8, de façon à bloquer les aimants dans les logements 8 et/ou assurer la cohésion du paquet de tôle. La matière utilisée est par exemple une résine époxy ou une matière thermoplastique. Le blocage des aimants 7 peut également s'effectuer par serrage sous l'action de la force centrifuge.
Dans tous les exemples qui viennent d'être décrit, le rotor est intérieur, mais on ne sort pas du cadre de la présente invention si le rotor est extérieur. A titre d'exemple, on a illustré à la figure 11 une machine 10 comportant un stator 2 intérieur et un rotor 1 extérieur.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits.
On peut par exemple réaliser les tôles avec des trous pour permettre le passage de tirants d'assemblage des tôles de la masse rotorique.
L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un ».

Claims

REVENDICATIONS
1. Rotor (1) de machine électrique tournante à concentration de flux, comportant :
- une masse rotorique (3) comprenant des logements (8), et
- des aimants permanents (7) disposés dans les logements (8) de la masse rotorique (3), les aimants permanents étant disposés en V orientés vers l'entrefer, chaque
V étant formé par plus de deux aimants permanents (7) et définissant une partie polaire élémentaire (9), au moins deux parties polaires élémentaires (9) consécutives ayant une polarité identique.
2. Rotor (1) de machine électrique tournante à concentration de flux, comportant :
- une masse rotorique (3) comprenant des logements (8), et
- des aimants permanents (7) disposés dans les logements (8) de la masse rotorique (3), les aimants permanents étant disposés en V orientés vers l'entrefer, chaque
V définissant une partie polaire élémentaire (9), au moins deux parties polaires élémentaires (9) consécutives ayant une polarité identique, la largeur (e) d'un aimant prise en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation s'amincissant lorsque l'on se dirige en direction de l'entrefer.
3. Rotor (1) de machine électrique tournante à concentration de flux, comportant :
- une masse rotorique (3) comprenant des logements (8), et
- des aimants permanents (7) disposés dans les logements (8) de la masse rotorique (3), les aimants permanents étant disposés en V orientés vers l'entrefer, chaque V définissant une partie polaire élémentaire (9), au moins deux parties polaires élémentaires (9) consécutives ayant une polarité identique, les aimants permanents étant, en section transversale, curvilignes.
4. Rotor (1) de machine électrique tournante à concentration de flux, comportant :
- une masse rotorique (3) comprenant des logements (8), et
- des aimants permanents (7) disposés dans les logements (8) de la masse rotorique (3), les aimants permanents étant disposés en V orientés vers l'entrefer, chaque V définissant une partie polaire élémentaire (9), au moins deux parties polaires élémentaires (9) consécutives ayant une polarité identique,
le rotor étant extérieur à la machine.
5. Rotor selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel un V est formé par deux aimants permanents (7) consécutifs lorsque l'on se déplace circonférentiellement.
6. Rotor selon l'une des quelconques revendications précédentes, dans lequel un V est formé par quatre aimants permanents, deux aimants formant chaque branche du V.
7. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, au moins trois parties polaires élémentaires (9) consécutives ayant une polarité identique, voire au moins quatre parties polaires élémentaires consécutives, voire même cinq parties polaires élémentaires consécutives.
8. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants permanents (7) sont de forme rectangulaire en section transversale.
9. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à l'exception de la revendication 2, dans lequel la largeur (e) d'un aimant prise en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation va en s'amincissant lorsque l'on se dirige en direction de l'entrefer.
10. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à l'exception de la revendication 3, dans lequel les aimants permanents sont en section transversale curvilignes.
1 1. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants (7) consécutifs de deux parties polaires élémentaires (9) consécutives de polarités identiques forment un V orienté vers l'axe de rotation.
12. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants (7) consécutifs de deux parties polaires élémentaires (9) consécutives de polarités opposées forment un V orienté vers l'axe de rotation.
13. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants (7) consécutifs de deux parties polaires élémentaires (9) consécutives de polarités opposées s'étendent sensiblement parallèlement l'un à l'autre.
14. Rotor selon la revendication précédente, dans lequel l'épaisseur (e) de la masse rotorique (3) entre les aimants (7) consécutifs de deux V consécutifs de polarités opposées est inférieure à 5 mm, mieux inférieure à 1 ,5 mm.
15. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un logement (8) s'étend radialement sur une longueur supérieure à la longueur radiale de l'aimant correspondant, en section transversale.
16. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une extrémité (8a, 8b) du logement (8) en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation est de forme triangulaire ou incurvée, mieux les deux extrémités (8a, 8b) sont de forme triangulaire ou incurvée.
17. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants permanents forment un nombre de V compris entre 8 et 24, mieux entre 12 et 20, notamment de 16.
18. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un nombre de pôles inférieur ou égal à 8, voir inférieur ou égal à 6.
19. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants permanents sont réalisés au moins partiellement en ferrite.
20. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant plusieurs morceaux de rotor alignés suivant la direction axiale et décalés angulairement les uns par rapport aux autres.
21. Machine électrique tournante comportant un rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes.
22. Machine électrique tournante comportant un rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes à l'exception de la revendication 4, le rotor étant extérieur.
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