FR2861226A1 - Multi-phase electric motor includes phase windings situated in separated sectors along axis of rotor - Google Patents
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Abstract
Description
MACHINE ELECTRIQUEELECTRIC MACHINE
La présente invention est relative aux machines électriques. The present invention relates to electrical machines.
Plus particulièrement, l'invention concerne une machine électrique comportant un rotor, tournant autour d'un axe de rotation, et un stator radialement disposé à l'intérieur ou à l'extérieur du rotor et coaxial à ce rotor, - l'un parmi le rotor et le stator comportant une pluralité de pôles magnétiques générés par au moins un aimant permanent réparti autour de l'axe de rotation, et - l'autre comportant des encoches et au moins deux enroulements alimentés par des phases différentes d'un courant électrique, ces enroulements étant répartis dans les encoches et les encoches étant circulairement réparties autour de l'axe de rotation avec une dent s'étendant radialement entre deux encoches successives. More particularly, the invention relates to an electric machine comprising a rotor, rotating about an axis of rotation, and a stator radially disposed inside or outside the rotor and coaxial with the rotor, - one of the rotor and the stator comprising a plurality of magnetic poles generated by at least one permanent magnet distributed around the axis of rotation, and - the other having notches and at least two windings fed by different phases of an electric current these windings being distributed in the notches and the notches being circularly distributed around the axis of rotation with a tooth extending radially between two successive notches.
Le document US 5 973 431 décrit une telle machine électrique, dans laquelle le rotor est placé à l'intérieur du stator. Le rotor comporte une pluralité d'aimants permanents symétriquement répartis sur sa surface externe. Le stator comporte une pluralité de dents formant des pôles saillants en regard de la surface externe du rotor. Pour une machine électrique de ce type alimentée avec un courant triphasé, le nombre d'aimants permanents est égal à 4N et le nombre de dents du stator est égal à 6N (N étant un entier supérieur ou égal à 1). Dans cette machine électrique toujours, lorsque N est égal à 1 par exemple, les dents sont réparties en trois paires. Dans chaque paire, chaque dent est placée à 180 degrés mécaniques de l'autre. US 5,973,431 discloses such an electrical machine, in which the rotor is placed inside the stator. The rotor comprises a plurality of permanent magnets symmetrically distributed on its outer surface. The stator has a plurality of teeth forming salient poles facing the outer surface of the rotor. For an electric machine of this type supplied with a three-phase current, the number of permanent magnets is equal to 4N and the number of teeth of the stator is equal to 6N (N being an integer greater than or equal to 1). In this electrical machine always, when N is equal to 1 for example, the teeth are divided into three pairs. In each pair, each tooth is placed 180 degrees mechanically on the other.
La présente invention a notamment pour but de fournir une machine électrique tournante améliorée qui présente à la fois un couple massique et un facteur de puissance élevés. The present invention is intended in particular to provide an improved rotating electrical machine which has both a high mass torque and a high power factor.
A cet effet, on prévoit selon l'invention, une machine électrique qui, outre les caractéristiques déjà mentionnées, est caractérisée par le fait que les encoches sont réparties en au moins deux secteurs électriques spatialement distincts. For this purpose, there is provided according to the invention, an electric machine which, in addition to the characteristics already mentioned, is characterized in that the notches are distributed in at least two spatially distinct electrical sectors.
Grâce à ces dispositions, on obtient une machine électrique ayant un bobinage de stator simple, et qui est donc facile à construire. En outre, les machines conformes à la présente invention peuvent être conçues avec un grand nombre de pôles, ce qui favorise un couple massique élevé. Thanks to these provisions, we obtain an electric machine having a simple stator winding, and which is therefore easy to build. In addition, the machines according to the present invention can be designed with a large number of poles, which promotes a high mass torque.
Plus précisément, les secteurs sont spatialement distincts, par exemple, si: - la machine électrique comporte au moins un bloc comprenant lui-même un élément de rotor et un élément de stator, ce bloc comprenant au moins deux secteurs électriques coaxiaux et/ou si - la machine électrique comporte au moins deux blocs coaxiaux, voisins et séparés le long de l'axe de rotation comprenant chacun un élément de rotor et un élément de stator, chaque bloc comprenant au moins un secteur électrique. More precisely, the sectors are spatially distinct, for example, if: the electric machine comprises at least one block including itself a rotor element and a stator element, this block comprising at least two coaxial electrical sectors and / or - The electrical machine comprises at least two coaxial blocks, adjacent and separated along the axis of rotation each comprising a rotor element and a stator element, each block comprising at least one electrical sector.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - la machine électrique comporte trois blocs répartis axialement le long de l'axe de rotation, chaque bloc comprenant lui-même un secteur électrique unique alimenté par une phase distincte d'un courant triphasé ; - la machine électrique comporte un bloc unique comprenant lui-même trois secteurs électriques répartis circulairement et symétriquement autour de l'axe de rotation, chaque secteur électrique étant alimenté par une phase distincte d'un courant triphasé ; - la machine électrique est munie d'un collecteur; la machine électrique comporte des entrefers axiaux. In preferred embodiments of the invention, one or more of the following provisions may be used in addition: the electric machine comprises three blocks distributed axially along the axis of rotation; each block itself comprising a single electrical sector powered by a phase separate from a three-phase current; - The electric machine comprises a single block itself comprising three electrical sectors distributed circularly and symmetrically about the axis of rotation, each electrical sector being supplied by a separate phase of a three-phase current; the electric machine is provided with a collector; the electric machine has axial air gaps.
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs de 5 ses modes de réalisation. Other aspects, objects and advantages of the invention will become apparent from the description of several of its embodiments.
L'invention sera également mieux comprise à l'aide des dessins, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement en coupe axiale la disposition respective du rotor et du stator d'une machine électrique selon un premier exemple de mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 représente schématiquement une coupe transversale de la machine électrique illustrée par la figure 1, au niveau de la ligne II-II; - la figure 3 représente, de manière analogue à la figure 2 mais de manière agrandie, un pôle du stator en regard d'un aimant permanent du rotor de la machine électrique des figures 1 et 2; - la figure 4 représente, de manière analogue aux figures 2 et 3, une variante du premier exemple de mode de réalisation de la machine électrique selon l'invention; - la figure 5 représente, de manière analogue aux figures 2 à 4, mais de manière agrandie, une portion du rotor et du stator représentés sur la figure 4; - la figure 6 représente, de manière analogue aux figures 2 à 5, un deuxième exemple de mode de réalisation d'une machine électrique conforme à la présente invention; et - la figure 7 représente, de manière analogue à la figure 1, un troisième exemple de mode de réalisation d'une machine électrique conforme à la présente invention. The invention will also be better understood with the aid of the drawings, in which: FIG. 1 shows schematically in axial section the respective arrangement of the rotor and the stator of an electric machine according to a first exemplary embodiment of the invention. invention; - Figure 2 schematically shows a cross section of the electric machine illustrated in Figure 1, at the line II-II; - Figure 3 shows, similarly to Figure 2 but in an enlarged manner, a pole of the stator facing a permanent magnet of the rotor of the electric machine of Figures 1 and 2; FIG. 4 shows, in a similar manner to FIGS. 2 and 3, a variant of the first exemplary embodiment of the electric machine according to the invention; - Figure 5 shows, similarly to Figures 2 to 4, but in an enlarged manner, a portion of the rotor and the stator shown in Figure 4; FIG. 6 represents, in a similar manner to FIGS. 2 to 5, a second exemplary embodiment of an electric machine according to the present invention; and FIG. 7 represents, in a similar manner to FIG. 1, a third exemplary embodiment of an electric machine according to the present invention.
Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. In the different figures, the same references designate identical or similar elements.
Un premier exemple de mode de réalisation d'une machine électrique selon l'invention est décrit ci-dessous en relation avec les figures 1 à 5. Un deuxième exemple de mode de réalisation de la machine électrique selon l'invention est décrit ci-dessous en relation avec la figure 6. Un troisième exemple de mode de réalisation d'une machine électrique selon l'invention est décrit ci-dessous en relation avec la figure 7. A first exemplary embodiment of an electric machine according to the invention is described below in relation with FIGS. 1 to 5. A second example embodiment of the electric machine according to the invention is described below. in connection with FIG. 6. A third example embodiment of an electric machine according to the invention is described below in relation with FIG.
Selon le premier exemple de mode de réalisation de la machine électrique selon l'invention, il s'agit d'une machine synchrone à aimant permanent, polyphasée. Ce type de machine électrique possède une géométrie inspirée de celle habituellement utilisée pour les moteurs à flux transverse. According to the first exemplary embodiment of the electric machine according to the invention, it is a synchronous machine permanent magnet polyphase. This type of electric machine has a geometry inspired by that usually used for transverse flow motors.
Pour l'exemple ici décrit, la machine électrique est triphasée. Elle comporte trois blocs 2. Chaque bloc 2 comporte lui-même un élément de rotor 4 et un élément de stator 6. Les trois éléments de rotor 4 ont un axe de rotation commun X. Ces trois blocs 2 sont voisins sur l'axe X de rotation. Ils sont agencés sur un rotor 8 unique. Les trois éléments de stator 6 sont agencés sur un stator 10 unique. Un entrefer 11 radial est ménagé entre le rotor 8 et le stator 10. For the example described here, the electric machine is three-phase. It comprises three blocks 2. Each block 2 itself comprises a rotor element 4 and a stator element 6. The three rotor elements 4 have a common axis of rotation X. These three blocks 2 are neighbors on the X axis of rotation. They are arranged on a single rotor 8. The three stator elements 6 are arranged on a single stator. A radial gap 11 is provided between the rotor 8 and the stator 10.
Chaque bloc 2 est monophasé.Each block 2 is single-phase.
Les trois blocs 2 sont décalés angulairement les uns par rapport aux autres de manière appropriée, par exemple 25 d'un tiers de pas polaire soit 120 électriques. The three blocks 2 are angularly offset from one another appropriately, for example by one-third of a pole pitch or 120 electrical.
Comme représenté sur la figure 2, chaque élément de rotor 4 comporte une culasse ferromagnétique 12 et des aimants permanents 14. Les aimants permanents 14 peuvent être collés à la surface cylindrique externe de chaque élément de rotor 4. Selon d'autres variantes, ces éléments 14 sont insérés ou enterrés dans la culasse 12, comme dans de nombreux moteurs triphasés et notamment comme décrit dans le document US 6 541 887. As shown in FIG. 2, each rotor element 4 comprises a ferromagnetic yoke 12 and permanent magnets 14. The permanent magnets 14 can be glued to the outer cylindrical surface of each rotor element 4. According to other variants, these elements 14 are inserted or buried in the cylinder head 12, as in many three-phase motors and in particular as described in US 6 541 887.
Pour l'exemple décrit ici, chaque élément de rotor 4 comporte 28 aimants 14. For the example described here, each rotor element 4 comprises 28 magnets 14.
Chaque élément de stator 6 comporte un circuit magnétique 16 dans lequel sont ménagées des encoches 18. Le circuit magnétique 16 est, par exemple, constitué de tôles feuilletées de type Fe-Si empilées selon l'axe X de rotation. Le circuit magnétique 16 peut aussi être, selon des variantes, réalisé dans des matériaux magnétiques composites. Le choix du mode de réalisation du circuit magnétique 16 dépend de l'application souhaitée. Each stator element 6 comprises a magnetic circuit 16 in which notches 18 are formed. The magnetic circuit 16 is, for example, made up of Fe-Si laminated sheets stacked along the X axis of rotation. The magnetic circuit 16 can also be, according to variants, made of composite magnetic materials. The choice of the embodiment of the magnetic circuit 16 depends on the desired application.
Lorsque le circuit magnétique 16 est réalisé par un empilement de tôles, les encoches 18 peuvent être ouvertes vers l'intérieur, comme illustré par les figures 2 et 3, ou fermées en regard du rotor 8, comme dans le cas des moteurs à hystérésis, illustré par les figures 4 et 5. When the magnetic circuit 16 is formed by a stack of sheets, the notches 18 can be open towards the inside, as illustrated by FIGS. 2 and 3, or closed opposite the rotor 8, as in the case of hysteresis motors, illustrated by Figures 4 and 5.
Entre deux encoches 18 successives, s'étend radialement une dent 20. Pour l'exemple décrit ici, chaque élément de stator 6 comporte 28 dents 20. Le nombre de dents 20 est donc égal au nombre d'aimants 14. Cette disposition permet d'obtenir une machine électrique avec un grand nombre de paires de pôles, ce qui favorise un couple massique élevé. On peut ainsi obtenir un couple massique de 5Nm/kg et un facteur de puissance de 0,8. Between two successive notches 18 radially extends a tooth 20. For the example described here, each stator element 6 has 28 teeth 20. The number of teeth 20 is therefore equal to the number of magnets 14. This arrangement makes it possible to obtain an electric machine with a large number of pairs of poles, which favors a high mass torque. It is thus possible to obtain a mass torque of 5 Nm / kg and a power factor of 0.8.
Des enroulements de phase 22 (voir figure 1) sont enroulés autour des dents 20. Dans ce premier exemple de mode de réalisation, chaque bloc 2 correspond à un enroulement de phase 22 indépendant. Chaque bloc 2 correspond donc à un secteur électrique indépendant. Chaque enroulement de phase 22 est décalé de 120 degrés électriques. Phase windings 22 (see FIG. 1) are wound around teeth 20. In this first exemplary embodiment, each block 2 corresponds to an independent phase winding 22. Each block 2 corresponds to an independent electrical sector. Each phase winding 22 is shifted 120 electrical degrees.
Le flux magnétique créé par les aimants 14 est bien canalisé par les dents 20 et les enroulements de phase 22 interagissent bien avec le flux magnétique créé par les aimants 14. Il y a peu de fuite des flux magnétiques. La réactance de la machine électrique selon l'invention en est d'autant plus réduite. The magnetic flux created by the magnets 14 is well channeled by the teeth 20 and the phase windings 22 interact well with the magnetic flux created by the magnets 14. There is little leakage of the magnetic fluxes. The reactance of the electric machine according to the invention is all the more reduced.
Selon le deuxième exemple de mode de réalisation de la machine électrique selon l'invention décrit ici, illustré par la figure 6, cette machine électrique comporte un bloc 2 unique. According to the second exemplary embodiment of the electric machine according to the invention described here, illustrated in FIG. 6, this electric machine comprises a single block 2.
Ce bloc 2 comporte trois éléments de rotor 4 et trois éléments de stator 6. Le rotor 8 est essentiellement réalisé de la manière indiquée cidessus pour le premier exemple de mode de réalisation, à la différence que, sur l'exemple illustré par la figure 6, le rotor 8 comporte 26 aimants 14 permanents. This block 2 comprises three rotor elements 4 and three stator elements 6. The rotor 8 is essentially made in the manner indicated above for the first exemplary embodiment, with the difference that, in the example illustrated by FIG. the rotor 8 has 26 permanent magnets 14.
Le stator 10 comporte vingt-quatre encoches 18. Parmi celles-ci, trois encoches 18a, 18b, 18c sont plus grandes que les autres. Les encoches 18a, 18b, 18c accueillent deux bobinages appartenant chacun à un enroulement de phase 22 différent. Les encoches 18a et 18b délimitent un premier secteur 24 correspondant à un premier enroulement de phase 22. Les encoches 18b et 18c délimitent un deuxième secteur 24 correspondant à un deuxième enroulement de phase 22 indépendant du premier. Les encoches 18b et 18c délimitent géométriquement un troisième secteur 24 correspondant à un troisième enroulement de phase 22 indépendant des deux premiers. Ce bloc 2 comprend donc lui-même trois secteurs 24 électriques. Ces secteurs 24 sont répartis circulairement et symétriquement autour de l'axe X de rotation. Chaque secteur 24 est alimenté par une phase distincte d'un courant triphasé. Le décalage entre chacune de ces phases est par exemple de 120 degrés électriques. The stator 10 has twenty-four notches 18. Of these, three notches 18a, 18b, 18c are larger than the others. The notches 18a, 18b, 18c accommodate two coils each belonging to a different phase winding 22. The notches 18a and 18b delimit a first sector 24 corresponding to a first phase winding 22. The notches 18b and 18c delimit a second sector 24 corresponding to a second phase winding 22 independent of the first. The notches 18b and 18c geometrically delimit a third sector 24 corresponding to a third phase winding 22 independent of the first two. This block 2 therefore itself comprises three electric sectors. These sectors 24 are distributed circularly and symmetrically about the axis X of rotation. Each sector 24 is powered by a separate phase of a three-phase current. The offset between each of these phases is for example 120 electrical degrees.
Ce mode de réalisation de la machine électrique selon l'invention permet d'avoir, pour cette machine, un encombrement axial particulièrement faible, par rapport aux dimensions radiales. This embodiment of the electric machine according to the invention makes it possible, for this machine, a particularly small axial size, compared to the radial dimensions.
Selon un troisième exemple de mode de réalisation de la machine électrique selon l'invention, celle-ci comporte des entrefers 26 axiaux. Cette disposition est illustrée par la figure 7. According to a third exemplary embodiment of the electric machine according to the invention, it comprises axial air gaps 26. This arrangement is illustrated in Figure 7.
Selon ce mode de réalisation, la machine électrique comporte trois blocs 27 chacun alimenté par une phase différente d'un courant électrique triphasé. Chaque bloc 27 correspond à une phase électrique décalée électriquement, par exemple de 120 degrés. Chaque bloc 27 comporte un élément de rotor 28, encadré par deux éléments de stator 30, 31. Des aimants 14 sont disposés en périphérie de chaque élément de rotor 28 de part et d'autre de l'élément de rotor 28, dans la direction axiale X. Sur chaque élément de stator 30, 31, est bobiné un enroulement de phase 33. Les spires de ce bobinage s'étendent essentiellement dans un plan perpendiculaire à l'axe X de rotation. Les enroulements de phase 33 de deux éléments de stator 30, 31 adjacents à un élément de rotor 28, sont alimentés par la même phase électrique. According to this embodiment, the electric machine comprises three blocks 27 each powered by a different phase of a three-phase electric current. Each block 27 corresponds to an electrically shifted electrical phase, for example 120 degrees. Each block 27 comprises a rotor element 28, framed by two stator elements 30, 31. Magnets 14 are disposed at the periphery of each rotor element 28 on either side of the rotor element 28, in the direction axial X. On each stator element 30, 31 is wound a phase winding 33. The turns of this winding extend essentially in a plane perpendicular to the axis X of rotation. The phase windings 33 of two stator elements 30, 31 adjacent to a rotor element 28 are powered by the same electrical phase.
Les autres éléments de ce mode de réalisation sont essentiellement semblables à ceux déjà décrits. The other elements of this embodiment are essentially similar to those already described.
De nombreuses variantes peuvent être prévues aux modes de réalisation de la machine électrique selon l'invention décrits ci-dessus. Par exemple, le rotor 8 pourrait être extérieur au stator 10. La machine électrique pourrait aussi comporter un collecteur. Ainsi, on pourrait réaliser une machine électrique à courant continu de faible coût. Les aimants 14 pourraient être remplacés par un cylindre de Halbach. Many variants can be provided for the embodiments of the electrical machine according to the invention described above. For example, the rotor 8 could be external to the stator 10. The electric machine could also include a collector. Thus, one could achieve a low cost DC electric machine. The magnets 14 could be replaced by a Halbach cylinder.
De même, la machine électrique pourrait être alimenté avec deux phases ou plus de trois phases. Il suffit alors de prévoir un nombre de secteurs égal au nombre de phases. Similarly, the electric machine could be powered with two or more phases of three phases. It is then sufficient to provide a number of sectors equal to the number of phases.
Claims (7)
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| FR2861226A1 true FR2861226A1 (en) | 2005-04-22 |
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Family Applications (1)
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