FR2578116A1 - Synchronous machine with a rotor with permanent magnets producing an orthoradial magnetic induction - Google Patents

Synchronous machine with a rotor with permanent magnets producing an orthoradial magnetic induction Download PDF

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Abstract

The synchronous machine includes a rotor 10 with permanent magnets 12 whose inductions have orthoradial directions, and which magnets are arranged around an axis 111 in such a way that two neighbouring magnets have oppositely directed inductions. Pole pieces 17 divert this induction so that it is radial at the periphery. Each of the pole pieces is formed of half-poles 18, 19 separated by a split pin 26 applying each of them against the neighbouring magnet.

Description

MACHINE SYNCHRONE A ROTOR A AIMANTS PERMANENTS
PRODUISANT UNE INDUCTION MAGNETIQUE ORTHORAflIALE
L'invention est relative à une machine synchrone, de préfé renoue un moteur, dont le rotor est formé d'aimants permanents dont l'aimantation est tangentielle ou orthoradiale et de pièces polaires déviant cette induction des aimants pour qu'elle soit radiale à la périphérie.SYNCHRONOUS ROTOR MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS
PRODUCING AN ORTHORAflIAL MAGNETIC INDUCTION
The invention relates to a synchronous machine, preferably rewinding a motor, the rotor of which is formed of permanent magnets whose magnetization is tangential or orthoradial and of pole pieces deflecting this induction of the magnets so that it is radial to the periphery.

Un moteur synchrone comporte un stator polyphasé et un rotor à aimants permanents. Le stator est alimenté par un courant alternatif polyphasé qui engendre un champ tournant provoquant la rotation du rotor. A synchronous motor has a polyphase stator and a permanent magnet rotor. The stator is supplied by a polyphase alternating current which generates a rotating field causing the rotation of the rotor.

Pour la fabrication des rotors, on utilise de plus en plus des aimants aux terres rares notamment au samariumcobalt, par exemple Smog, qui présente un faible taux de désaimantation ainsi qu'une forte énergie d'aimantation par unité de volume, ce qui permet d'obtenir des moteurs à couple massique élevé, cgest-à dire à fort couple pour une faible masse Toutefois, l'inconvénient de tels aimants est qu'ils présentent une induction rémanente relativement faible. C'est pourquoi ces aimants sont habituellement disposés de façon que leur aimantation soit orthoradiale et sont associés à des pièces polaires de concentration de flux qui permettent de conférer à l'induction la direction radiale dans l'entrefer.Ainsi, on met à profit les deux pôles de chaque aimant. For the manufacture of rotors, rare earth magnets are used more and more, in particular samariumcobalt, for example Smog, which has a low demagnetization rate as well as a high magnetization energy per unit of volume, which makes it possible to 'obtain motors with high mass torque, ie with high torque for a low mass However, the disadvantage of such magnets is that they have a relatively low residual induction. This is why these magnets are usually arranged so that their magnetization is orthoradial and are associated with polar pieces of flux concentration which make it possible to give the induction the radial direction in the air gap. two poles of each magnet.

Cette constitution héterogène du rotor pose des problèmes de cohésion mécanique d'autant plus difficiles à résoudre que la vitesse de rotation est élevée. Pour améliorer cette cohésion, il est fréquent que chaque pièce polaire entre deux aimants adjacents soit en deux parties, la ligne de séparation étant de direction radiale, un moyen de précontrainte étant disposé entre les deux demi-pièces polaires pour appliquer chacune de celles-ci contre l'aimant correspondant.  This heterogeneous constitution of the rotor poses problems of mechanical cohesion which are all the more difficult to solve the higher the speed of rotation. To improve this cohesion, it is common for each pole piece between two adjacent magnets to be in two parts, the separation line being in radial direction, a prestressing means being arranged between the two pole half-pieces to apply each of these. against the corresponding magnet.

Mais les moyens de précontrainte utilisés jusqu'à présent sont complexes et onéreux. However, the prestressing means used so far are complex and expensive.

L'invention remédie à cet inconvénient. The invention overcomes this drawback.

Elle est caractérisée en ce que le moyen disposé entre deux demi-pièces polaires pour appliquer chacune de celles-ci contre une face de l'aimant adjacent est constitué par une goupille fendue. Ce moyen est particulièrement simple et bon marché. En outre, une goupille fendue agissant comme un ressort, les jeux sont automatiquement compensés, ce qui augmente les tolérances pour la fabrication des divers composants du rotor et réduit encore le coût. It is characterized in that the means disposed between two polar half-pieces for applying each of these against one face of the adjacent magnet is constituted by a split pin. This means is particularly simple and inexpensive. In addition, a split pin acting as a spring, the clearances are automatically compensated, which increases the tolerances for the manufacture of the various components of the rotor and further reduces the cost.

Pour diminuer les risques de balourds, il est préférable que les fentes des goupilles soient toutes orientées de la même manière autour de l'axe, par exemple vers l'extérieur. To reduce the risk of unbalance, it is preferable that the slots of the pins are all oriented in the same way around the axis, for example towards the outside.

Si le rotor doit tourner à grande vitesse ou doit etre soumis à des vibrations importantes, le montage se termine de la façon suivante: on fait tourner ce rotor à une vitesse supérieure à la
Yitesse maximale à laquelle il sera soumis au cours de son fonctionnement, puis ce rotor est imprégné d'un vernis polymérisable qui complète la cohésion des divers éléments du rotor.If the rotor must rotate at high speed or must be subjected to significant vibrations, the assembly ends as follows: this rotor is rotated at a speed higher than the
Maximum speed to which it will be subjected during its operation, then this rotor is impregnated with a polymerizable varnish which completes the cohesion of the various elements of the rotor.

L'invention n'est, bien entendu, pas limitée à la réalisation d'un moteur, elle peut être également utilisée pour la fabrication 9un alternateur. Elle n'est pas limitée non plus à un matériau particulier constituant les aimants. En variante les aimants sont en ferrite. The invention is, of course, not limited to the production of an engine, it can also be used for the manufacture of an alternator. It is also not limited to a particular material constituting the magnets. As a variant, the magnets are made of ferrite.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparai- tront avec la description de l'un de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels:
- la figure 1 est une coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe d'un rotor selon l'invention;
- la figure 2 est une coupe selon la ligne 2,2 de la figure 1.Other characteristics and advantages of the invention will appear with the description of one of its embodiments, this being carried out with reference to the attached drawings in which:
- Figure 1 is a section along a plane perpendicular to the axis of a rotor according to the invention;
- Figure 2 is a section along line 2.2 of Figure 1.

Dans l'exemple, le moteur est du type autosynchrone, quelquefois appelé aussi moteur à courant continu sans balai, avec un stator polyphasé (non représenté) dont chaque enroulement est en série avec un interrupteur à semi-conducteur commandé par un circuit électronique pour que le couple soit constant.  In the example, the motor is of the autosynchronous type, sometimes also called brushless DC motor, with a polyphase stator (not shown) each winding of which is in series with a semiconductor switch controlled by an electronic circuit so that the couple is constant.

Le rotor 10 comporte, régulièrement répartis autour delarbre 11, qui est de préférence en matériau amagnétique, huit aimants 121, 122,
128 au samarium-cobalt ayant chacun la forme d'un parallélépipède rectangle allongé parallèlement à l'axe et qui, en coupe, présente des petits côtés 13 et 13' de direction tangentielle.De plus, l'aimantation de chacun de ces aimants 12 est orthoradiale, c'est å dire également de direction tangentielle, parallèle au petit côté 13 et donc perpendiculaire à un rayon correspondant 14. Ainsi, l'aimant 121 présente une face 15, perpendiculaire à la face tangentielle 13, constituant le pôle nord (N) et une face 16, qui lui est parallèle, constituant le pale sud (S).The rotor 10 comprises, regularly distributed around the shaft 11, which is preferably made of non-magnetic material, eight magnets 121, 122,
128 with samarium-cobalt each having the shape of a rectangular parallelepiped elongated parallel to the axis and which, in section, has short sides 13 and 13 'of tangential direction. In addition, the magnetization of each of these magnets 12 is orthoradial, that is also to say in a tangential direction, parallel to the short side 13 and therefore perpendicular to a corresponding radius 14. Thus, the magnet 121 has a face 15, perpendicular to the tangential face 13, constituting the north pole ( N) and a face 16 which is parallel thereto, constituting the south blade (S).

Les aimants sont disposés de façon telle que les faces les plus voisines de deux aimants voisins soient de même polarité. Ainsi, chaque piece polaire 17 disposée entre deux aimants voisins présente une polarité unique. Par exemple, la pièce polaire 171 entre les aimants 121 et 122 constitue un pale sud. The magnets are arranged in such a way that the most neighboring faces of two neighboring magnets are of the same polarity. Thus, each pole piece 17 disposed between two neighboring magnets has a unique polarity. For example, the pole piece 171 between the magnets 121 and 122 constitutes a south blade.

Chaque pièce polaire 17 est formée de deux parties 18 et 19, en acier doux dans l'exemple, de même longueur axiale que les aimants 12. La face de séparation entre les deux demi-pôles 18, 19 est selon on plan radial Chaque demi-pôle, 18 ou 19, a, en section par un p:an perpendiculaire à l'axe 111, sensiblement la forme d'un triangle rectangle. Ainsi, le demi-pôle 181 présente une face appliquée contre la face 16 de l'aimant 121, une face 211 en regard) de la face correspondante 221 du demi-pôle 191 et une face externe 231 en forme de zone d'un cylindre constituant la surface externe du rotor. Each pole piece 17 is formed of two parts 18 and 19, made of mild steel in the example, of the same axial length as the magnets 12. The separation face between the two half-poles 18, 19 is along a radial plane Each half -pole, 18 or 19, has, in section by a p: an perpendicular to the axis 111, substantially the shape of a right triangle. Thus, the half-pole 181 has a face applied against the face 16 of the magnet 121, a face 211 opposite) of the corresponding face 221 of the half-pole 191 and an external face 231 in the form of a zone of a cylinder. constituting the external surface of the rotor.

Les faces 211 et 221 présentent chacune une rainure en forme de demi-cylindre J'axe parallèle à l'axe 111 et de me me rayon; les axes de ces demi-cylindres sont pratiquement confondus quand le rotor est monté. Ces rainures forment un logement cylindrique 251 dans lequel est disposée une goupille fendue 261 qui a la forme d'un tube fendu selon une génératrice. Les dimensions du logement et de la goupille fendue sont telles que celle-ci est montée à contrainte de façon à appliquer le demi-pôle 181 contre l'aimant 121 et le demi pale 191 contre l'aimant 122; lors du montage final, les faces 211 et 221 des deux demi-pôles 181 et 191 sont séparées par une distance d'environ lmm.  The faces 211 and 221 each have a groove in the form of a half-cylinder I axis parallel to the axis 111 and my radius; the axes of these half-cylinders are practically identical when the rotor is mounted. These grooves form a cylindrical housing 251 in which is disposed a split pin 261 which has the shape of a split tube according to a generatrix. The dimensions of the housing and of the split pin are such that the latter is constrained so as to apply the half-pole 181 against the magnet 121 and the half-blade 191 against the magnet 122; during the final assembly, the faces 211 and 221 of the two half-poles 181 and 191 are separated by a distance of approximately 1 mm.

La fente 27 de chaque goupille 26 est, dans l'exemple, tournée vers l'extérieur. The slot 27 of each pin 26 is, in the example, facing outward.

I1 est préférable que chaque goupille soit en matériau amagnétique pour diminuer les fuites magnétiques transversales provoquées par la réaction d'induit. It is preferable that each pin is made of non-magnetic material to reduce the transverse magnetic leaks caused by the armature reaction.

Chaque demi-pôle 18, 19 dépasse en direction radiale de la face externe 13' de chaque aimant 12. Dans la partie dépassante de la face 20, est ménagée une rainure dè direction radiale pour une plaque amagnétique de clavetage 30 appliquée contre la face 13' de l'aimant 12. Ainsi, les bords longitudinaux, parallèles à l'axe 111, de la plaque 30 sont logés dans les rainures des demi-pôles de chaque côté de l'aimant 12 correspondant. Each half-pole 18, 19 protrudes in the radial direction of the external face 13 ′ of each magnet 12. In the protruding part of the face 20, a groove of radial direction is formed for a non-magnetic keying plate 30 applied against the face 13 'of the magnet 12. Thus, the longitudinal edges, parallel to the axis 111, of the plate 30 are housed in the grooves of the half-poles on each side of the corresponding magnet 12.

En direction axiale, les aimants et les pièces polaires sont maintenus ensemble par des flasques d'extrémité 31 et 32 (figure 2) présentant dans l'exemple des trous 51, 52 pour laisser le passage aux goupilles afin, d'une part, de faciliter leur montage et, d'autre part, de permettre le repérage angulaire du rotor. In the axial direction, the magnets and the pole pieces are held together by end plates 31 and 32 (FIG. 2) having, in the example, holes 51, 52 to allow passage for the pins in order, on the one hand, to facilitate their mounting and, on the other hand, allow the angular location of the rotor.

Le flasque 31 est prolongé, à l'opposé de l'ensemble à aimants 12 et pièces polaires 17, par un nez 33 s'appuyant contre un épaulé- ment 34 de l'arbre 11. Le flasque 32 est également prolongé par un nez 35, à l'opposé de l'ensemble à aimants et pièces polaires, contre lequel est en appui une rondelle élastique 36 grâce à une autre rondelle 361 et un écrou 37 coopérant avec une partie filetée de l'arbre. Les rondelles 36 et 361 permettent de limiter l'effort axial sur les divers éléments du rotor afin d'éviter une déformation de l'arbre et de limiter la précision d'usinage desdits éléments. The flange 31 is extended, opposite the assembly of magnets 12 and pole pieces 17, by a nose 33 pressing against a shoulder 34 of the shaft 11. The flange 32 is also extended by a nose 35, opposite the magnet and pole piece assembly, against which an elastic washer 36 is supported by another washer 361 and a nut 37 cooperating with a threaded part of the shaft. The washers 36 and 361 make it possible to limit the axial force on the various elements of the rotor in order to avoid deformation of the shaft and to limit the machining precision of said elements.

Les flasques 31 et 32 sont immobilisés en rotation sur l'arbre par des clavetages 40 et 41 diamétralement opposés au droit des pièces polaires nord, respectivement 178 et 174. The flanges 31 and 32 are immobilized in rotation on the shaft by keyways 40 and 41 diametrically opposite the right of the north pole pieces, respectively 178 and 174.

Les goupilles fendues 26 constituent des moyens simples assurant la cohésion du rotor et qui, en outre, rattrapent les jeux. Le repérage de la position angulaire du rotor grâce aux goupilles est particulièrement utile pour un moteur auto-synchrone dont l'alimentation du stator est asservie à la position angulaire du rotor. The split pins 26 constitute simple means ensuring the cohesion of the rotor and which, moreover, make up for the clearances. Locating the angular position of the rotor by means of the pins is particularly useful for a self-synchronous motor whose stator supply is controlled by the angular position of the rotor.

Comme déjà mentionné, I'ouverture des fentes dans la même direction permet de limiter les risques de balourds; de plus, l'ouver- ture vers l'extérieur facilite le contrôle de leurs positions à partir de la périphérie, en particulier -à partir de la fente entre les faces 21 et 22 de deux demi-pièces polaires adjacentes
Si le rotor doit tourner à grande vitesse, le montage est complété de la façon suivante: ce rotor est entrainé à très grande vitesse, supérieure à la vitesse maximum de fonctionnement, puis ce rotor est soumis à un traitement de dégraissage et, enfin, il est imprégné par un vernis polymérisable qui ensuite durcit à chaud pour compléter la cohésion des divers éléments du rotor. As already mentioned, the opening of the slots in the same direction makes it possible to limit the risks of unbalance; in addition, the opening towards the outside facilitates the control of their positions from the periphery, in particular -from the slot between the faces 21 and 22 of two adjacent pole pieces
If the rotor must rotate at high speed, the assembly is completed as follows: this rotor is driven at very high speed, greater than the maximum operating speed, then this rotor is subjected to a degreasing treatment and, finally, it is impregnated with a polymerizable varnish which then hardens hot to complete the cohesion of the various elements of the rotor.

Claims (11)

REVENDICATIONS 1. Machine synchrone à rotor (10) à aimants permanents (12) dont les inductions sont de directions orthoradiales et qui sont disposés autour de l'axe de façon telle que deux aimants voisins aient des inductions de sens opposés, des pièces polaires (17) déviant cette induction pour qu'elle soit radiale à la périphérie, chacune de ces pièces polaires étant formée de demi-pôles (18, 19) séparés par un moyen appliquant chacun de ceux-ci contre l'aimant voisin, caractérisée en ce que ledit moyen appliquant chaque demi-pôle (18, 19) contre l'aimant voisin (12) est constitué par une goupille fendue (26). 1. Synchronous rotor machine (10) with permanent magnets (12) whose inductions are of orthoradial directions and which are arranged around the axis so that two neighboring magnets have opposite direction inductions, pole pieces (17 ) deflecting this induction so that it is radial at the periphery, each of these pole pieces being formed by half-poles (18, 19) separated by a means applying each of these against the neighboring magnet, characterized in that said means applying each half-pole (18, 19) against the neighboring magnet (12) is constituted by a split pin (26). 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'axe de chaque goupille fendue (26) est parallèle à l'axe (111) du rotor. 2. Machine according to claim 1, characterized in that the axis of each cotter pin (26) is parallel to the axis (111) of the rotor. 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les fentes (27) des goupilles fendues sont toutes orientées de la même manière autour de l'axe (11) du rotor. 3. Machine according to claim 1 or 2, characterized in that the slots (27) of the split pins are all oriented in the same way around the axis (11) of the rotor. 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les fentes sont orientées vers la périphérie du rotor. 4. Machine according to claim 3, characterized in that the slots are oriented towards the periphery of the rotor. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les faces adjacentes (21, 22) des deux demi-pôles (18, 19) dune même pièce polaire (17) sont séparées par une fente, dont l'épaisseur est par exemple de l'ordre du millimètre. 5. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the adjacent faces (21, 22) of the two half-poles (18, 19) of the same pole piece (17) are separated by a slot, the thickness is for example of the order of a millimeter. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les faces adjacentes (21, 22) des demi-pôles (18, 19) d'une même pièce polaire (17) présentent des rainures semi-cylindriques dont les ouvertures sont en regard l'une de l'autre pour loger la goupille (26). 6. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the adjacent faces (21, 22) of the half-poles (18, 19) of the same pole piece (17) have semi-cylindrical grooves whose openings are opposite one another to accommodate the pin (26). 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pièces polaires sont en acier doux. 7. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the pole pieces are made of mild steel. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor (10) comporte deux flasques (31, 32) montés sur l'arbre (11) aux extrémités longitudinales de ce rotor pour compléter la cohésion de l'ensemble formé par les aimants (12) et les pièces polaires (17), et en ce que ces flasques (31, 32) présentent des trous (51, 52) pour laisser le passage aux goupilles fendues (26). 8. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the rotor (10) comprises two flanges (31, 32) mounted on the shaft (11) at the longitudinal ends of this rotor to complete the cohesion of the assembly formed by the magnets (12) and the pole pieces (17), and in that these flanges (31, 32) have holes (51, 52) to allow passage to the cotter pins (26). 9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que les flasques (31, 32) sont clavetés sur l'arbre (11), et en ce que les clavettes (40j 4Ç1) ont une position angulaire déterminée par rapport à un pôle du rotor. 9. Machine according to claim 8, characterized in that the flanges (31, 32) are keyed onto the shaft (11), and in that the keys (40j 4Ç1) have a determined angular position relative to a pole of the rotor. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisee en ce que la face externe (13') de chaque aimant (12) est recouverte par une plaque amagnétique (30) dont les bords longitudinaux sont logés dans des fentes des demi-pôles adjacents. 10. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the external face (13 ') of each magnet (12) is covered by a non-magnetic plate (30) whose longitudinal edges are housed in slots of the half adjacent poles. 11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les aimants (12) sont à base de samarium-cobalt. 11. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the magnets (12) are based on samarium-cobalt. l2. Machine selon l'un quelconque des revendications précé dentes, caractérisée en ce que le rotor est imprégné d'un vernis d'assemblage après qu'on l'ait fait tourner à une vitesse supérieure à la vitesse maximum de fonctionnement. l2. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the rotor is impregnated with an assembly varnish after it has been rotated at a speed greater than the maximum operating speed. 13. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que les goupilles sont en matériau amagnétique.  13. Machine according to claim 5, characterized in that the pins are made of non-magnetic material.
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