FR2944392A1 - Element de machine electrique tournante a aimants permanents - Google Patents

Element de machine electrique tournante a aimants permanents Download PDF

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Ramdane Lateb
Vincent Feron
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Abstract

Cet élément (18) de machine électrique tournante à aimants permanents (60), parmi un rotor (18) et un stator, comprend un corps principal (36) s'étendant selon un axe longitudinal, et une pluralité de pôles magnétiques (38) fixés au corps principal (36) et agencés de manière circulaire autour de l'axe, chaque pôle magnétique (38) comportant une face incurvée (50), destinée à être en regard de l'autre élément (14) parmi le rotor et le stator (14), une section transversale d'au moins une face incurvée (50) s'étendant suivant la périphérie de l'élément (18) à une distance de valeur variable par rapport à l'axe longitudinal. Le pôle magnétique (38) associé comporte une pluralité d'aimants permanents (60), agencés successivement de manière à former ladite face incurvée (50).

Description

Elément de machine électrique tournante à aimants permanents La présente invention concerne un élément de machine électrique tournante à aimants permanents, parmi un rotor et un stator, du type comprenant un corps principal s'étendant selon un axe longitudinal, et une pluralité de pôles magnétiques fixés au corps principal et agencés de manière circulaire autour de l'axe, chaque pôle magnétique comportant une face incurvée, destinée à être en regard de l'autre élément parmi le rotor et le stator, une section transversale d'au moins une face incurvée s'étendant suivant la périphérie de l'élément à une distance de valeur variable par rapport à l'axe longitudinal.
L'invention concerne également une machine électrique à aimants permanents comprenant un tel élément. Un élément du type précité est décrit dans le brevet US 6,707,209. Cet élément est un rotor comportant douze pôles magnétiques, et chaque pôle magnétique est un aimant présentant une face convexe, ou bombée, en regard du stator. Une section transversale de ladite face bombée s'étend, au voisinage de son milieu, à une distance maximale par rapport à l'axe longitudinal du rotor, et en chacune de ses extrémités à une distance minimale par rapport à l'axe longitudinal du rotor. Toutefois, l'aimant de chaque pôle magnétique d'un tel rotor présente un coût de réalisation élevé, de par la forme bombée de la face de l'aimant en regard du stator. Le but de l'invention est donc de proposer un élément de machine électrique tournante permettant de réduire les coûts de fabrication. A cet effet, l'invention a pour objet un élément du type précité, caractérisé en ce que le pôle magnétique associé comporte une pluralité d'aimants permanents, agencés successivement de manière à former ladite face incurvée. Suivant d'autres modes de réalisation, l'élément comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'élément est le rotor, et la section transversale de ladite face incurvée s'étend, au voisinage de son milieu, à une distance maximale par rapport à l'axe longitudinal ; - l'élément est le rotor, et la section transversale de ladite face incurvée s'étend, en au moins une de ses extrémités, à une distance minimale par rapport à l'axe longitudinal ; - l'élément est le stator, et la section transversale de ladite face incurvée s'étend, au voisinage de son milieu, à une distance minimale par rapport à l'axe longitudinal ; - l'élément est le stator, et la section transversale de ladite face incurvée s'étend, en au moins une de ses extrémités, à une distance maximale par rapport à l'axe longitudinal ; - chaque pôle magnétique comporte des méplats de fixation des aimants, lesdits méplats étant agencés de manière échelonnée par rapport à l'axe longitudinal ; - chaque pôle magnétique comporte un nombre impair, supérieur ou égal à trois, de méplats de fixation, de préférence cinq ou sept méplats de fixation ; - chaque pôle magnétique comporte au moins deux aimants par méplat de fixation suivant une section transversale donnée ; - chaque aimant comporte une face plane destinée à être en regard de l'autre élément ; - chaque aimant est en forme d'un parallélépipède rectangle ; - les aimants sont de dimensions identiques. L'invention a également pour objet une machine électrique à aimants permanents du type comprenant un stator et un rotor, caractérisée en ce que l'un parmi le rotor et le stator est un élément tel que défini ci-dessus. Suivant un autre mode de réalisation, la machine comprend la caractéristique suivante : - la machine est synchrone. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'une machine électrique tournante selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'un rotor de la machine de la figure - la figure 3 est une vue en coupe partielle selon le plan III de la figure 1, selon un premier mode de réalisation de l'invention, et - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Sur la figure 1, une machine électrique tournante à aimants permanents 10 comprend une carcasse 12 et un stator 14 fixé à la carcasse 12. La machine électrique 10 comprend également un arbre 16 porté par la carcasse 12 et un rotor 18 solidaire de l'arbre 16. Le stator 14 et le rotor 18 sont séparés par un espace 19, également appelé entrefer. La machine électrique 10 est, par exemple, une machine synchrone. La carcasse 12 comprend un corps principal 20 en forme d'un cylindre creux s'étendant selon un axe longitudinal X, et deux platines d'extrémité 22. Chaque platine d'extrémité 22 obture une ouverture 24 du corps principal agencée en une extrémité respective du cylindre creux.
Le stator 14 comporte un corps principal 26 et des enroulements 28 maintenus dans des encoches 30 du corps principal par des cales de maintien 31, comme représenté sur la figure 3. Le corps principal 26 est en forme d'un cylindre d'axe X, et présente en son centre un évidement 32 de passage du rotor, visible sur la figure 1.
L'arbre 16 est mobile en rotation autour de l'axe X, et est porté par des roulements à billes 34. Chaque roulement à billes 34 est solidaire d'une platine d'extrémité 22 respective. Le rotor 18, visible sur la figure 2, comporte un corps principal 36 s'étendant selon l'axe longitudinal X, et vingt-huit pôles magnétiques 38 fixés au corps principal 36. Le corps principal 36 est en forme d'un cylindre creux d'axe X, et présente une face externe 40 orientée vers le stator 14, et une face interne 42 en contact avec l'arbre 16. La face externe 40 comporte des zones 44 de réception des pôles magnétiques 38, et des nervures 46 de séparation entre deux zones de réception 44 successives. Chaque zone de réception 44 est sensiblement plane, et s'étend parallèlement à l'axe longitudinal X. La face interne 42 comprend des reliefs 48 d'engagement complémentaire avec des reliefs, non représentés, de l'arbre 16.
Les pôles magnétiques 38 sont agencés de manière circulaire autour de l'axe X. Chaque pôle magnétique 38 comporte une face convexe 50 en regard d'une pluralité d'encoches 30 du stator, et une face plane 52 au contact de la zone de réception 44 associée.
Une section transversale de la face convexe 50 s'étend, suivant la périphérie du rotor 18, à une distance D de valeur variable par rapport à l'axe longitudinal X. La section transversale de la face convexe 50 s'étend, par exemple au voisinage de son milieu 54, à une distance maximale Dmax par rapport à l'axe longitudinal X. La section transversale de la face convexe 50 s'étend, par exemple au voisinage de ses extrémités 56, à une distance minimale Dmin par rapport à l'axe longitudinal X, comme représenté sur la figure 3. La valeur de la distance D est comprise entre la valeur minimale Dmin et la valeur maximale Dmax. Une distance E de séparation entre le rotor 18 et le stator 14, également appelée distance d'entrefer, est de valeur variable suivant la périphérie du rotor 18. La distance d'entrefer E présente une valeur minimale Emin lorsque la distance D de la face convexe 50 par rapport à l'axe longitudinal X est maximale et égale à Dmax, la distance entre le stator 14 et l'axe longitudinal X étant constante. La distance d'entrefer E présente une valeur maximale Emax lorsque la distance D de la face convexe 50 par rapport à l'axe longitudinal X est minimale et égale à Dmin.
Chaque pôle magnétique 38 comporte une assise ferromagnétique 58 et une pluralité d'aimants permanents 60 fixés à l'assise 58. Chaque assise ferromagnétique 58 comporte une pluralité de méplats 62 de fixation des aimants. Chaque méplat de fixation 62 est en forme d'un plan s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal X. Les méplats de fixation 62 sont ménagés dans l'assise 58 de manière échelonnée par rapport à l'axe longitudinal X, de sorte que les aimants permanents 60 forment la face convexe 50 associée en étant agencés successivement. Autrement dit, les méplats de fixation 62 sont, suivant une direction radiale, diversement écartés de l'axe longitudinal X. Le nombre de méplats de fixation 62 par assise est de préférence un nombre impair, afin d'obtenir une forme plus arrondie de la face convexe 50. Le nombre de méplats de fixation 62 par assise est supérieur ou égal à trois, de préférence égal à cinq ou sept, et de préférence encore égal à cinq.
Chaque pôle magnétique 38 comporte un seul aimant 60 par méplat de fixation 62 suivant une section transversale donnée. Chaque pôle magnétique 38 comporte, par méplat de fixation 62, vingt-deux aimants 60 alignés successivement selon la direction longitudinale de l'axe X.
Chaque aimant permanent 60 comporte une première face plane 64 en regard du stator 14, et une deuxième face plane 66 fixée au méplat de fixation 62. Les aimants 60 sont, par exemple, collés au méplat de fixation 62. Chaque aimant 60 est, par exemple, en forme d'un parallélépipède rectangle. Les aimants permanents 60 sont tous de dimensions identiques.
La réalisation de chaque pôle magnétique 38 avec une pluralité d'aimants permanents 60 permet de réduire les coûts de fabrication des aimants, les aimants 60 étant de forme simple et de dimensions réduites en comparaison de l'aimant unique avec une face bombée de chaque pôle magnétique de la machine électrique classique.
Les coûts de fabrication sont encore réduits lorsque les aimants 60 sont en forme de parallélépipède rectangle, ou bien lorsqu'ils sont tous de dimensions identiques. La réalisation de chaque pôle magnétique 38 avec une pluralité d'aimants permanents 60 facilite en outre la mise en oeuvre de la machine électrique 10, et réduit également les échauffements dans les aimants 60. La machine électrique 10 selon l'invention permet également de réduire, de par la valeur progressive de la distance d'entrefer E, des couples parasites de la machine. En effet, la valeur progressive de la distance d'entrefer E permet d'obtenir une force électromotrice quasi sinusoïdale, réduisant ainsi des couples pulsatoires issus de l'interaction des courants non sinusoïdaux circulant dans les bobines avec la force électromotrice non sinusoïdale engendrée par les aimants. La variation progressive de la distance d'entrefer E permet également de faciliter le déplacement de chaque pôle magnétique vers sa position stable, et donc de réduire un couple de détente dû à un positionnement de l'aimant en l'absence de courant électrique à l'écart de sa position stable d'un point de vue magnétique. La figure 4 illustre un deuxième mode de réalisation de l'invention pour lequel les éléments analogues au premier mode de réalisation, décrits précédemment, sont repérés par des références identiques, et ne sont donc pas décrits à nouveau. Selon le deuxième mode de réalisation, chaque pôle magnétique 38 comporte deux aimants permanents 60 par méplat de fixation 62 suivant une section transversale donnée. Ce deuxième mode de réalisation permet de réduire davantage les coûts de fabrication de la machine électrique 10, ainsi que les échauffements dans les aimants 60. En effet, les aimants 60 du deuxième mode de réalisation présentent une taille inférieure de moitié à celle des aimants du premier mode de réalisation, ce qui constitue un bon compromis entre la réduction de la taille des aimants et l'augmentation de leur nombre. Les autres avantages de deuxième mode de réalisation sont identiques à ceux du premier mode de réalisation, et ne sont donc pas décrits à nouveau. En variante, le stator comporte un corps principal et une pluralité de pôles magnétiques fixés au corps principal. Le corps principal est en forme d'un cylindre creux d'axe X, et présente une face externe orientée vers le rotor, et une face interne en contact avec la carcasse. La face externe comporte des zones de réception des pôles magnétiques, et des nervures de séparation entre deux zones de réception successives. Les pôles magnétiques sont agencés de manière circulaire autour de l'axe X. Chaque pôle magnétique comporte une face concave en regard du rotor, et une face plane au contact de la zone de réception associée. Une section transversale de la face concave s'étend, suivant la périphérie du stator, à une distance de valeur variable par rapport à l'axe longitudinal X. La section transversale de la face concave s'étend, par exemple au voisinage de son milieu, à une distance minimale par rapport à l'axe longitudinal X. La section transversale de la face concave s'étend, par exemple au voisinage de ses extrémités, à une distance maximale par rapport à l'axe longitudinal X.
La distance d'entrefer E présente une valeur minimale Emin lorsque la distance de la face concave par rapport à l'axe longitudinal X est minimale, la distance entre le rotor et l'axe longitudinal X étant constante. La distance d'entrefer E présente une valeur maximale Emax lorsque la distance de la face concave par rapport à l'axe longitudinal X est maximale. On conçoit ainsi que l'élément de machine électrique tournante selon l'invention permet de réduire les coûts de fabrication.

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS1.- Elément (18) de machine électrique tournante (10) à aimants permanents (60), parmi un rotor (18) et un stator, du type comprenant un corps principal (36) s'étendant selon un axe longitudinal (X), et une pluralité de pôles magnétiques (38) fixés au corps principal (36) et agencés de manière circulaire autour de l'axe (X), chaque pôle magnétique (38) comportant une face incurvée (50), destinée à être en regard de l'autre élément (14) parmi le rotor et le stator (14), une section transversale d'au moins une face incurvée (50) s'étendant suivant la périphérie de l'élément (18) à une distance (D) de valeur variable par rapport à l'axe longitudinal (X), caractérisé en ce que le pôle magnétique (38) associé comporte une pluralité d'aimants permanents (60), agencés successivement de manière à former ladite face incurvée (50).
    2.- Elément (18) de machine électrique tournante (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément est le rotor (18), et en ce que la section transversale de ladite face incurvée (50) s'étend, au voisinage de son milieu (54), à une distance maximale (Dmax) par rapport à l'axe longitudinal (X).
    3.- Elément (18) de machine électrique tournante (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément est le rotor (18), et en ce que la section transversale de ladite face incurvée (50) s'étend, en au moins une de ses extrémités (56), à une distance minimale (Dmin) par rapport à l'axe longitudinal (X).
    4.- Elément de machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément est le stator, et en ce que la section transversale de ladite face incurvée s'étend, au voisinage de son milieu, à une distance minimale par rapport à l'axe longitudinal.
    5.- Elément de machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que l'élément est le stator, et en ce que la section transversale de ladite face incurvée s'étend, en au moins une de ses extrémités, à une distance maximale par rapport à l'axe longitudinal.
    6.- Elément (18) de machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque pôle magnétique (38) comporte des méplats (62) de fixation des aimants (60), lesditsméplats (62) étant agencés de manière échelonnée par rapport à l'axe longitudinal (X).
    7.- Elément (18) de machine électrique tournante (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque pôle magnétique (38) comporte un nombre impair, supérieur ou égal à trois, de méplats de fixation (62), de préférence cinq ou sept méplats de fixation (62).
    8.- Elément (18) de machine électrique tournante (10) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque pôle magnétique (38) comporte au moins deux aimants (60) par méplat de fixation (62) suivant une section transversale donnée.
    9.- Elément (18) de machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque aimant (60) comporte une face plane (64) destinée à être en regard de l'autre élément (14).
    10.- Elément (18) de machine électrique tournante (10) selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque aimant (60) est en forme d'un parallélépipède rectangle.
    11.- Elément (18) de machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les aimants (60) sont de dimensions identiques.
    12.- Machine électrique tournante (10) à aimants permanents (60) du type comprenant un stator et un rotor (18), caractérisée en ce que l'un parmi le rotor (18) et le stator est un élément selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
    13.- Machine électrique tournante (10) selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle est synchrone.
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