FR2819648A1 - Stator et machine electrique synchrone a derivation limitee de flux - Google Patents
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Abstract
Stator 3 pour machine électrique 1 du type synchrone à aimants permanents, comprenant un circuit magnétique 7 pourvu d'une pluralité d'encoches 10 et d'une pluralité de dents 9, des bobines 15 disposées au moins en partie dans les encoches 10, et un moyen de dérivation 16 de flux magnétique dans une zone 12 d'au moins une encoche 10 à proximité de l'extrémité libre des dents 9 voisines de ladite encoche 10, le moyen de dérivation 16 étant stationnaire par rapport à ladite encoche.
Description
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Stator et machine électrique synchrone à dérivation limitée de flux. La présente invention concerne le domaine des machines électriques, en particulier des machines synchrones.
Certaines applications dans le domaine de la génération d'énergie embarquée ou de la traction électrique exigent de pouvoir fournir des couples massiques très élevés dans un encombrement réduit.
Par exemple, un moteur de traction de véhicule hybride ou un alternodémarreur doivent être extrêmement compacts.
Dans le cas d'un alterno-démarreur, les machines synchrones à aimants permettent d'apporter une réponse à cette exigence de compacité ou, à encombrement égal, de réduire significativement le courant d'appel lors du couple de démarrage par rapport à d'autres types de machines comme les machines asynchrones. On peut alors diminuer la taille des batteries de stockage électrochimique. Toutefois, le domaine de variation de vitesse est très étendu, de la vitesse nulle au démarrage sous couple maximal, à plus de 5000 tr/mn en mode alternateur. Il se pose alors des difficultés pour la gestion du défluxage sur l'ensemble de la plage de vitesse et cela entraîne, soit des courants de défluxage prohibitifs, soit un calibre en tension des composants trop important, donc un surcoût important.
De façon générale, dans le domaine des entraînements électriques à vitesse variable, plusieurs types de machines entrent en concurrence.
Les machines à courant continu demandent un système d'alimentation électronique très simple. Cependant, leur fabrication est onéreuse, leur encombrement élevé et leur rendement faible.
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Les machines asynchrones sont relativement compactes, moins coûteuses à produire, mais demandent une électronique compliquée et onéreuse.
Les machines à réluctance sont économiques à construire car leur rotor est très simple. Toutefois, elles sont généralement assez bruyantes, et de compacité relativement équivalente à celle des machines asynchrones.
Les machines synchrones à excitation sont sensiblement aussi compactes que les machines asynchrones. Leur fabrication est relativement coûteuse en raison de leur rotor bobiné. Il est possible d'en obtenir de bons rendements.
Les machines synchrones à aimants permanents sont les plus compactes de toutes les machines. Ceci est dû à l'utilisation d'aimants à haute énergie, par exemple de type NdFeB. Le rendement est très bon.
Toutefois, l'excitation magnétique est constante car faite par des aimants.
Pour faire varier le flux dans la machine, il faut faire circuler des courants dans le bobinage, créant ainsi un flux magnétique qui fait varier le flux résultant, selon le principe de la réduction de flux dans les machines synchrones à aimants. Toutefois, ces machines possèdent des réactances assez faibles du fait de l'utilisation d'aimants permanents. Les courants nécessaires pour faire varier le flux sont alors importants, de l'ordre du courant nominal de la machine, ce qui crée des pertes Joule dans le bobinage et diminue le rendement.
On connaît, par le document US-A-5 455 473, une machine hybride (combinant la présence d'aimants et le principe de la réluctance) pourvue de pièces mécaniques supplémentaires montées sur le stator et mobiles par rapport à celui-ci pour faire varier le flux. Une telle machine est de coût élevé, d'encombrement peu satisfaisant et de fiabilité réduite.
La présente invention propose une machine synchrone à dérivation limitée de flux, de construction simple et économique.
L'invention propose une machine synchrone fiable, de construction classique, améliorée de façon simple.
Le stator, selon un aspect de l'invention, est prévu pour une machine électrique du type synchrone, comprenant un circuit magnétique pourvu d'une pluralité d'encoches et d'une pluralité de dents, et des
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bobines disposées au moins en partie dans les encoches. Le stator comprend un moyen de dérivation de flux magnétique dans une zone d'au moins une encoche à proximité de l'extrémité libre des dents voisines de ladite encoche, le moyen de dérivation étant stationnaire par rapport à ladite encoche.
On peut ainsi avoir une inductance réduite lorsque la machine est à bas régime et fort couple, donc forte saturation, et défluxer la machine par dérivation d'une partie du flux, à haut régime et à saturation plus faible. La dérivation ne nécessite ni enroulement supplémentaire, ni pièce supplémentaire mobile par rapport au stator, ni modification importante de la structure du stator. Le flux peut être réduit sans intervention particulière sur le courant dans les bobinages.
Dans un mode de réalisation de l'invention, ladite encoche possède une zone de fond dans laquelle est disposé un ensemble de conducteurs et une zone de bord dans lequel est disposé le moyen de dérivation.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le moyen de dérivation possède un niveau de saturation magnétique inférieur à celui des dents.
Dans un mode de réalisation de l'invention, une bobine entoure une seule dent.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le rapport du nombre d'encoches sur le nombre de pôles est compris entre 0,5 et 1,5.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la section de passage du flux dans le moyen de dérivation est comprise entre 0, /Bsat et
1, 1 < EVB, avec < & le flux d'un pôle et Bsat l'induction de saturation du matériau constituant le moyen de dérivation.
1, 1 < EVB, avec < & le flux d'un pôle et Bsat l'induction de saturation du matériau constituant le moyen de dérivation.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la réluctance du moyen de dérivation est inférieure à Ima/ < , avec Imax le courant maximum permanent dans une encoche et (D le flux d'un pôle.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le moyen de dérivation comprend au moins une pièce monobloc avec les dents voisines de ladite encoche.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen de dérivation comprend au moins une pièce distincte des dents voisines de
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ladite encoche.
L'invention propose également une machine électrique du type synchrone, comprenant un stator et un rotor à aimants permanents. Le stator comprend un circuit magnétique pourvu d'une pluralité d'encoches et d'une pluralité de dents, et des bobines disposées au moins en partie dans les encoches. Le stator comprend un moyen de dérivation de flux magnétique dans une zone d'au moins une encoche à proximité de l'extrémité libre des dents voisines de ladite encoche, le moyen de dérivation étant stationnaire par rapport à ladite encoche.
La machine électrique peut être à aimants permanents.
La machine électrique peut être à refroidissement par air ou par liquide.
La machine électrique peut être à pièces polaires.
On peut distinguer de façon générale trois groupes de machines synchrones à aimants selon les utilisations qui en sont faites :
1'/Machines synchrones à aimants en surface refroidies par air.
1'/Machines synchrones à aimants en surface refroidies par air.
Le refroidissement modéré de ces machines ne permet pas d'obtenir des charges linéiques d'entrefer très élevées. Leur réactance est faible, ce qui ne permet pas de réduire suffisamment le flux avec le courant nominal et donc limite leur domaine de fonctionnement en réduction de flux. Elles sont capables de couples massiques très importants.
2'/Machines synchrones à aimants avec pièces polaires.
On utilise l'anisotropie magnétique du rotor pour créer un couple, en plus de la composante de couple fournie par les aimants. La réactance de ces machines est sensiblement plus élevée que les précédentes. Le fonctionnement en réduction de flux peut ainsi se faire sur une grande plage de vitesse, sans nécessiter des courants prohibitifs. Avec de telles machines, refroidies de façon conventionnelle, le couple de réluctance permet d'utiliser une moindre quantité d'aimants pour un couple identique, ce qui est économique. Pour fournir des couples massiques très importants, ces machines sont moins compactes et moins adaptées que les précédentes, car des saturations magnétiques peuvent apparaître qui affaiblissent ou font disparaître le couple de réluctance.
3'l Machines synchrones à aimants refroidies par un fluide à haute capacité calorifique, par exemple par circulation d'eau.
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Ces machines sont conçues pour être utilisées dans des applications embarquées. Elles sont particulièrement appréciées pour leur grande compacité. Du fait du refroidissement efficace, il est possible d'opposer au champ des aimants un champ statorique de valeur similaire et ce en permanence si on le souhaite. La plage de variation de vitesse est alors sensiblement identique à celles des machines asynchrones. A haute vitesse, il est nécessaire de fournir un courant important même si la puissance demandée est faible. Le rendement à faible charge et grande vitesse est donc réduit.
L'invention apporte d'importantes améliorations de fonctionnement pour les différents types de machines synchrones, en particulier pour les machines des groupes 1 et 3. Pour les machines du groupe 1, l'invention permet en effet d'accroître leur plage de fonctionnement et de réduire le courant de défluxage et donc les pertes qui lui sont dues. Pour les machines du groupe 3, qui possédaient quant à elles déjà initialement une large plage de vitesse, l'invention apporte aussi un gain sur le courant et les pertes associées.
En réduisant le courant de défluxage et par une évolution non linéaire de la valeur des réactances en fonction de l'amplitude des courants, il est possible d'obtenir une machine qui possède un comportement très bon en variation de vitesse et qui est capable également de fournir de très forts couples à très basse vitesse, sans augmentation excessive de tension.
On utilise une zone généralement libre dans les machines conventionnelles, à savoir le haut des encoches. Il convient donc de définir précisément la section de la zone qui va être utilisée et sa réluctance dans le sens transversal. Pour pouvoir fonctionner en réduction de flux, il faut affaiblir le flux embrassé par le bobinage, c'est-à-dire le flux qui passe dans les dents. Cela est généralement difficile à réaliser par l'intermédiaire des courants, car la réluctance de l'entrefer est grande, les aimants étant assimilables à de l'air.
L'invention permet au flux magnétique créé par les bobines de circuler plus facilement. Il est ainsi possible de réduire le flux dans les dents avec un courant plus faible. La section de passage de la zone est calibrée pour limiter le flux dérivé à une certaine valeur et laisser ensuite à
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la machine toutes ses performances en couple. Une fois la zone saturée magnétiquement, toute augmentation du flux est intégralement transmise dans l'entrefer. Cette limitation de flux dans la zone de dérivation se fait par saturation magnétique du matériau qui la constitue. On ne diminue pas les performances de couple de la machine car le reste du circuit magnétique, notamment les dents et les culasses, n'est pas saturé.
La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une machine synchrone selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 2 à 6 sont des vues de détail de variantes de la figure 1 ; - les figures 7 et 8 sont des vues semblables à la figure 6 montrant la répartition du flux ; - la figure 9 montre des courbes de fonctionnement d'une machine synchrone à aimants permanents en surface à refroidissement par air, selon l'art antérieur ; - la figure 10 montre les courbes de fonctionnement d'une machine de même type modifiée selon un aspect de l'invention ; - la figure 11 montre des courbes de fonctionnement d'une machine synchrone à aimants refroidie par fluide à haute capacité calorifique, selon l'art antérieur ; - la figure 12 montre des courbes de fonctionnement d'une machine du même type modifiée selon un aspect de l'invention ;
- la figure 13 montre des courbes de fonctionnement d'une machine du type de celui de la figure 9 modifiée avec augmentation de réactance ; et - la figure 14 montre des courbes de fonctionnement d'une machine du type de celui de la figure 11 modifiée avec augmentation de réactance.
- la figure 13 montre des courbes de fonctionnement d'une machine du type de celui de la figure 9 modifiée avec augmentation de réactance ; et - la figure 14 montre des courbes de fonctionnement d'une machine du type de celui de la figure 11 modifiée avec augmentation de réactance.
Comme on peut le voir sur la figure 1, une machine synchrone 1 comprend un rotor extérieur 2 et un stator intérieur 3. Le rotor 2 comprend une culasse 4 définissant un alésage 5, et une pluralité d'aimants 6 fixés
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sur l'alésage 5 et circonférentiellement régulièrement répartis. Le stator 3 comprend un circuit magnétique 7 pourvu d'un alésage 8 à l'intérieur duquel un espace est laissé libre et peut accueillir d'autres éléments, non représentés. Le circuit magnétique 7 est pourvu d'une pluralité de dents 9 orientées vers l'extérieur et définissant des encoches 10. Une encoche 10 comprend une zone de fond 11 de forte section, et une zone extérieure 12 de section plus faible et débouchant vers l'extérieur entre deux dents. Les dents 9 sont en concordance de forme avec les encoches 10 et comprennent une partie intérieure 13 et une partie extérieure 14 occupant un secteur angulaire supérieur à celui occupé par la partie intérieure 13.
Dans la zone de fond 11 de chaque encoche 10, est disposé un ensemble de conducteurs 15. Dans la zone extérieure 12 de chaque encoche 10, est disposée une pièce 16 de dérivation magnétique. La pièce de dérivation 16 est constituée d'un ou plusieurs matériaux de caractéristiques magnétiques déterminées, en particulier d'induction de saturation et de perméabilité relative déterminées.
La figure 2 montre plus en détail la disposition des dents des encoches et de la pièce de dérivation 16. Les dents peuvent être formées à partir de tôle ferromagnétique ou de poudre de fer à grande perméabilité.
La pièce de dérivation 16 peut être réalisée en matériau peu magnétique, par exemple à partir de poudre de fer. On prévoit que l'épaisseur b de la pièce de dérivation 16 est définie par 0,6 Br x a x La/ (B x (a + ent)) < b < 1,1 Br x a x La/ (Bsat x (a + ent)), avec Br l'induction rémanente des aimants 6, par exemple de l'ordre de 1,25 T pour des aimants de type FeNdB, de l'ordre de 1,05 T pour des aimants de type Sm2Col7, de l'ordre de 0,8 T pour des aimants de type SmCo5, et de l'ordre de 0,35 T pour des aimants en ferrite, Bsat l'induction de saturation du matériau formant les dents du stator, a l'épaisseur des aimants 6, La la longueur des aimants 6, ent la valeur de l'entrefer.
La perméabilité de la pièce de dérivation 16 devra être supérieure au produit : Br x La x a x OiCo x r2 x b x (a + ent)), avec Oe la largeur moyenne de la pièce de dérivation 16, b l'épaisseur de la pièce de dérivation 16, o la perméabilité relative de l'air et gr2 la perméabilité relative du ou des matériaux constituant la pièce de dérivation 16.
Sur la figure 3, est illustrée une variante où la pièce de dérivation
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16 présente en section une forme rectangulaire à la place de la section trapézoïdale de la figure 2. La pièce de dérivation peut être monobloc avec la partie extérieure 14 des dents 9 et formée dans le même matériau avec une épaisseur relativement faible.
Sur la figure 4, est illustrée une variante où la pièce de dérivation 16 est distincte de la partie supérieure 14 des dents 9 et présente un rebord 17 du côté intérieur, apte à coopérer avec la partie supérieure 14 des dents 9, pour un montage plus aisé.
Sur la figure 5, est illustrée une variante où la zone extérieure 12 de l'encoche 10 est occupée par une pièce de dérivation 16 réalisée en deux parties, de faible épaisseur, formant une sorte de revêtement adhérant aux surfaces de la zone supérieure 12, et comprenant en outre un élément 18 disposé entre les deux parties de la pièce de dérivation 16. La pièce de dérivation 16 est ici réalisée en matériau amagnétique, tandis que la pièce supplémentaire 18 peut être réalisée en matériau magnétique, par exemple le même que celui constituant les dents 9.
Sur la figure 6, est illustrée une variante dans laquelle la zone extérieure 12 des encoches 10 est de forme rectangulaire et occupée par une pièce de dérivation 16, de forme également rectangulaire. Les zones extérieure 12 et intérieure 11 des encoches 10 sont de largeurs sensiblement égales.
Sur la figure 7, est montrée la répartition du flux des aimants dans le circuit magnétique. Une partie principale du flux des aimants passe par les aimants 6, la culasse rotorique 4, l'entrefer, les dents 9 et le circuit magnétique statorique 7. Une partie minoritaire du flux des aimants passe par l'extrémité extérieure des dents 9 et la pièce de dérivation 16.
Sur la figure 8, est illustré le flux des bobines dans le circuit magnétique tel qu'illustré à la figure 6. Une partie principale du flux des bobines passe dans le circuit magnétique statorique 7, dans les dents 9 et dans la pièce de dérivation 16. Une partie minoritaire du flux des bobines passe dans le circuit magnétique statorique 7, dans les dents 9, dans l'entrefer, dans les aimants 6 et dans la culasse rotorique 4.
Pour sa mise en place, la pièce de dérivation pourra être enfilée par le côté de la machine. Une autre solution consiste à utiliser un stator de
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type segmenté, c'est-à-dire avec des plots statoriques séparés avant leur assemblage en forme de stator. Les pièces de dérivation peuvent dans ce cas être positionnées avant d'assembler les plots en forme circulaire pour constituer le stator.
Sur la figure 9, sont illustrées les courbes de puissance fournie en fonction de la vitesse d'une machine synchrone à aimants en surface et à refroidissement par air, selon l'art antérieur, pour plusieurs valeurs de courant allant de 10% en 10% jusqu'à 100% du courant nominal. Ces courbes sont obtenues en faisant varier l'angle interne de la machine, c'est-à-dire l'angle entre le flux magnétique créé par le bobinage et celui créé par les aimants. On voit que le terme de réactance n'est pas suffisant pour pouvoir fonctionner sur une grande plage de vitesse. La puissance de référence représentée par le segment horizontal ne peut être obtenue que jusqu'à une vitesse de 2,6 et avec le courant nominal.
Sur la figure 10, on a tracé les courbes correspondantes pour une machine du même type, réalisée conformément à l'invention. On voit que le domaine de fonctionnement s'est très largement étendu avec une gamme de vitesse supérieure à 6. A puissance et vitesse identiques, le courant est plus faible et donc les pertes Joule sont réduites.
Sur la figure 11, sont montrées les courbes de fonctionnement d'une machine synchrone à aimants refroidie par fluide à haute capacité calorifique, selon l'art antérieur.
Sur la figure 12, sont illustrées les courbes de fonctionnement d'une machine synchrone à aimants permanents à refroidissement par fluide à haute capacité calorifique, réalisée selon l'invention. On constate que dans ce type de machine, qui possédait déjà initialement une large plage de vitesse, à puissance et vitesse identiques, les courants sont plus faibles. Le rendement à faible charge est donc amélioré.
On pourrait penser que ces améliorations ne sont dues qu'à une augmentation du terme de réactance des machines. Mais, une machine construite selon l'invention possède un comportement non linéaire qui est bénéfique pour la variation de vitesse. Pour s'en rendre compte, on a tracé sur les figures 13 et 14 les courbes caractéristiques de machines du type des figures 9 et 11 avec des réactances augmentées pour se rapprocher du comportement à courant nominal des machines conformes à l'invention,
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voir les courbes des figures 10 et 12.
On s'aperçoit que l'invention apporte des gains substantiels sur l'amplitude des courants. Par exemple, pour une vitesse de 4 et une puissance générée nulle, le courant est d'environ 60% plus élevé pour la machine de la figure 13, que pour la machine de la figure 10. Il faut noter d'autre part qu'augmenter la réactance d'une machine synchrone à aimants peut présenter des inconvénients. Cela nécessite une augmentation importante du volume de la machine et conduit à des flux magnétiques plus importants dans les aimants, d'où une augmentation du risque de désaimantation des aimants.
L'invention permet de rester dans un volume constant ou très légèrement augmenté. Les contraintes magnétiques supportées par les aimants ne sont pas modifiées ou, à performances identiques en variation de vitesse, sont diminuées.
A titre d'exemple, on a réalisé une machine synchrone à aimants permanents, présentant les caractéristiques suivantes : - couple maximal : 200 Nm pour un courant de 300 A et jusqu'à 100 tr/mn ; - vitesse maximale : 6000 tr/mn pour un courant de 40 A à puissance de sortie nulle ; - puissance unihoraire : 3 kW de 600 à 6000 tr/mn ; - longueur axiale de fer : 50 mm.
Claims (10)
1. Stator (3) pour machine électrique (1) du type synchrone, comprenant un circuit magnétique (7) pourvu d'une pluralité d'encoches (10) et d'une pluralité de dents (9), et des bobines (15) disposées au moins en partie dans les encoches, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de dérivation (16) de flux magnétique dans une zone (12) d'au moins une encoche à proximité de l'extrémité libre des dents voisines de ladite encoche, le moyen de dérivation étant stationnaire par rapport à ladite encoche.
2. Stator selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite encoche possède une zone de fond (11) dans laquelle est disposée un un ensemble de conducteurs et une zone de bord (12) dans lequel est disposé le moyen de dérivation.
3. Stator selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le moyen de dérivation possède un niveau de saturation magnétique inférieur à celui des dents.
4. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une bobine entoure une dent.
5. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le rapport du nombre d'encoches sur le nombre de pôles est compris entre 0,5 et 1,5.
6. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la section de passage du flux dans le moyen de
dérivation est comprise entre 0, 6/BSat et 1, 1 < Ï/B, avec < le flux d'un pôle et Bsat l'induction de saturation du matériau constituant le moyen de dérivation.
7. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la réluctance du moyen de dérivation est
inférieure à 1/ < & , avec Imax le courant maximum permanent dans une encoche et cl) le flux d'un pôle.
8. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le moyen de dérivation comprend au moins une pièce monobloc avec les dents voisines de ladite encoche.
9. Stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
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caractérisé par le fait que le moyen de dérivation comprend au moins une pièce distincte des dents voisines de ladite encoche.
10. Machine électrique (1) du type synchrone, caractérisée par le fait qu'elle comprend un stator (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et un rotor (2).
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2001
- 2001-01-15 FR FR0100475A patent/FR2819648B1/fr not_active Expired - Fee Related
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| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20130930 |