FR2955988A1

FR2955988A1 - Rotor a aimants permanents.

Info

Publication number: FR2955988A1
Application number: FR1050622A
Authority: FR
Inventors: Ali Makki
Original assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Current assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-08-05
Also published as: CN102742127A; EP2529471A1; WO2011092654A1

Abstract

Rotor (5) de machine électrique tournante (1), comportant : a) un arbre (30) s'étendant selon un axe de rotation (X), b) une portion aimantée (20) disposée autour de l'arbre (30) et comprenant un ou plusieurs aimants permanents, c) un paquet de tôles (6) empilées selon l'axe de rotation (X) et définissant des parties polaires (7) disposées en regard de pôles (21) de la portion aimantée (20), deux parties polaires consécutives étant maintenues sur le rotor sans raccordement entre elles du côté radialement intérieur de la portion aimantée (20).

Description

La présente invention a pour objet les machines électriques tournantes à aimants permanents et plus particulièrement un nouvel agencement d'un rotor, notamment de moteur. Des aimants permanents 21 peuvent être disposés au rotor 5 d'une machine 5 électrique tournante selon plusieurs configurations dont on a représenté des exemples sur les figures 3 à 7. Dans l'exemple de la figure 3, les aimants 21 sont fixés sur l'extérieur du rotor 5 et définissent des pôles saillants. Dans l'exemple de la figure 4, le rotor 5 est à concentration de flux, chaque 10 aimant 21 étant disposé radialement entre deux pièces polaires 22. Dans les exemples des figures 5 et 6, une portion aimantée 20 entoure extérieurement les tôles 6 du rotor, cette portion aimantée 20 s'étendant en continu tout autour du rotor 5 dans l'exemple de la figure 5 et de façon discontinue dans l'exemple de la figure 6. 15 Dans l'exemple de la figure 7, les aimants 21 sont enterrés. Le défluxage, ou fonctionnement à puissance constante sur une large plage de vitesse, des machines représentées aux figures 3 à 7 peut être relativement complexe à mettre en oeuvre. Le rotor représenté sur la figure 4 permet un defluxage facile mais dans le cas 20 de moteurs de petit diamètre et de grande longueur, tournant à de très grandes vitesses, par exemple supérieures à 12000 tr. min-1, l'arbre du. moteur n'assure pas la tenue mécanique du rotor. Le rotor de la figure 7 permet aussi le défluxage mais les performances sont dégradées lorsque le rapport de défluxage est supérieur à trois. 25 Les autres configurations de rotors représentées aux figures 3, 5 et 6 ne permettent pas un défluxage facile. L'invention a pour but de perfectionner encore les machines à aimants permanents et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, grâce à un rotor de machine électrique tournante, comportant : 30 un arbre s'étendant selon un axe de rotation, - une portion aimantée disposée autour de l'arbre et comprenant un ou plusieurs aimants permanents, - un paquet de tôles empilées selon l'axe de rotation et définissant des parties polaires disposées en regard de pôles de la portion aimantée, deux parties polaires consécutives étant maintenues sur le rotor sans raccordement entre elles du côté radialement intérieur de la portion aimantée.

Les parties polaires du paquet de tôles peuvent définir des pôles saillants, deux parties saillantes adjacentes définissant un espace interpolaire. Avec une telle machine, le défluxage est possible jusqu'à des vitesses très élevées, la machine pouvant recevoir un arbre de diamètre important tout en disposant de saillance et d'aimants permanents. 1O La machine peut combiner les avantages d'une machine synchrone à rotor bobiné grâce à sa saillance et les avantages des aimants permanents, ces derniers procurant une puissance massique très importante. La portion aimantée peut être annulaire, s'étendant par exemple de façon continue tout autour de l'axe du rotor. La portion aimantée peut comporter un aimant 15 unique à pôles multiples. La portion aimantée peut avantageusement être obtenue par aimantation d'un cylindre creux d'un matériau aimantable. En variante, la portion aimantée peut comporter une pluralité d'aimants distincts, ces aimants s'étendant par exemple tout autour de l'axe du rotor. Deux aimants adjacents peuvent être à distance l'un de l'autre, de sorte que la portion annulaire s'étende 20 de façon discontinue autour de l'axe du rotor. La portion aimantée peut être au contact de l'arbre ou à proximité, étant par exemple sous la forme d'un cylindre creux concentrique à celui-ci. Une couche de colle peut assurer le maintien de la portion aimantée sur l'arbre. L'arbre est de préférence magnétique, ce qui peut permettre d'améliorer les 25 performances de la machine. Les parties polaires, étant notamment saillantes, peuvent être reliées entre elles par des ponts de liaison formés avec les tôles. Les tôles peuvent reposer par un bord radialement intérieur contre là portion aimantée. Le paquet de tôles peut être entièrement situé radialement à l'extérieur de la 30 portion aimantée.

Les parties saillantes peuvent comporter des bords latéraux comportant une première portion rectiligne, s'étendant depuis l'entrefer de la machine vers l'intérieur et une deuxième portion arrondie, définissant notamment le fond de l'espace interpolaire. La largeur d'une partie polaire peut diminuer en direction de l'entrefer.

Le bord radialement extérieur de chaque partie polaire peut être concentrique à l'axe de rotation. Selon un premier exemple de réalisation, les parties polaires, notamment saillantes, comportent au moins une ouverture, notamment plusieurs ouvertures, pour recevoir une ou plusieurs barres de maintien des tôles, les parties polaires étant traversées par lesdites barres de maintien. Les barres de maintien sont par exemple rectilignes. Le paquet de tôles peut être maintenu par deux joues disposées aux extrémités axiales du rotor, les barres de maintien se raccordant à ces joues. Selon un deuxième exemple de réalisation de l'invention, le rotor comporte une pluralité de cales, reçues chacune dans un espace interpolaire, lesdites cales comportant chacune au moins une ouverture pour recevoir au moins une barre de maintien des tôles, lesdites barres de maintien étant alors disposées dans les espaces interpolaires. Les cales sont par exemple magnétiques. Les barres de maintien peuvent être magnétiques. Les parties saillantes peuvent suivre un trajet hélicoïdal le long de l'axe de rotation, de façon à réduire les oscillations de couple. Les barres de maintien peuvent être rectilignes alors que les parties saillantes suivent un tel trajet hélicoïdal. Le paquet de tôles peut être entièrement situé radialement à l'extérieur de la portion aimantée. L'invention a encore pour objet selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison de ce qui précède, un procédé d'assemblage d'un rotor de machine 25 électrique tournante, comportant : - un arbre, - un paquet de tôles empilées selon un axe de rotation de la machine et définissant des parties polaires et, une portion aimantée, 30 procédé dans lequel on dispose le paquet de tôles sur le rotor après mise en place de la portion aimantée sur l'arbre, déjà aimantée ou avant aimantation.

La portion aimantée peut notamment être aimantée après la mise en place du paquet de tôles autour d`elle. La machine peut être un moteur ou un alternateur à rotor interne et à induction rad i ale.

Une machine synchrone comportant un rotor selon l°invention présente par exemple une puissance nominale comprise entre 0.5kW et 50kW La machine peut comporter quatre, six, huit, dix, douze pôles ou plus. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de commande d'une machine comprenant un rotor tel que défini ci-dessus et un stator, le stator de la machine étant alimenté par un courant (Is), présentant une composante (Id) dans l'axe direct de la machine et une composante (Iq) dans l'axe en quadrature de la machine, procédé dans lequel : a) on maintient le courant Id constant à une valeur comprise entre 0 et 40 %, mieux 0 et environ 30 % de la valeur de ls, et le courant Iq constant à une valeur comprise entre 80 % et 100 %, mieux entre environ 90 % et 100 % de la valeur du courant Is lorsque la vitesse de la machine est inférieure à une vitesse de base, puis b) on modifie les courants Id et lq en fonction de la vitesse de la machine, lorsque la vitesse de la machine est supérieure à la vitesse de base, la valeur du courant Id étant augmentée tout en restant à plus de 95 %, mieux à 100 % de la valeur du courant ls et la valeur du courant Tq étant diminuée tout en restant non nulle, par exemple supérieure à 5 % ou 10 % de la valeur du courant ls. Lors des étapes a) et b), la valeur du courant Is peut rester sensiblement constante, par exemple à ± 5 %, indépendamment de la vitesse. En variante, lors de l'étape b), la valeur du courant ls peut. être d'abord 25 diminuée puis augmentée, tout en restant de préférence lors de l'étape b) inférieure à 100 % de la valeur du courant ls pendant l'étape a). La vitesse de base est par exemple comprise entre 2000 et 5000 tr.min', étant par exemple de l'ordre de 3000 tr.minll. Une telle loi de commande peut permettre un défluxage jusqu'à une vitesse supérieure à trois fois la vitesse de base, par exemple jusqu'à 30 une vitesse supérieure à cinq fois la vitesse de base. Le défluxage est par exemple possible jusqu'à des vitesses de l'ordre de 16000 tr.minll.

L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre de celle-ci., et à l'examen du dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente de façon partielle et schématique, en coupe axiale, une machine selon un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, la figure 2 est une représentation analogue à la figure 1 d'une machine selon un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, les figures 3 à 7, précédemment décrites, représentent des exemples connus de rotors à aimants permanents et, la figure 8 représente l'évolution de courants et du couple de la. machine en IO fonction de sa vitesse. On a représenté à la figure 1 un moteur électrique synchrone 1 selon un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention. Le moteur synchrone est par exemple triphasé. La machine comporte dans l'exemple décrit six pôles, mais l'invention n'est 15 pas limitée à un nombre particulier de pôles. La puissance nominale du moteur 1 est par exemple comprise entre 0.5kW et 50kW. Le moteur 1 comporte un rotor 5 et un stator 2. Le stator 2 comporte, dans l'exemple illustré, une carcasse magnétique 3 20 définissant des dents 4 sur lesquelles sont bobinés des conducteurs électriques, de façon connue en soi. Le stator 2 peut comporter un bobinage réparti, comme illustré, ou un bobinage concentré, dans une variante. Le rotor 5 comporte un paquet de tôles 6, empilées selon l'axe X de rotation de la machine, perpendiculaire au plan de la figure 1. 25 Ces tôles 6 comportent une pluralité de parties polaires 7, qui sont dans l'exemple décrit saillantes, comportant un bord radialement extérieur 8 en regard du stator. Chaque partie saillante 7 est délimitée latéralement par deux bords 10. Dans l'exemple illustré, chacun des bords 10 comporte une première portion rectiligne 11, s'étendant depuis l'entrefer E de la machine. Les premières portions 11 30 peuvent diverger lorsque l'on s'éloigne de l'entrefer E, de telle sorte que la largeur de la partie saillante 7 diminue en rapprochement de l'entrefer E.

Comme représenté à la figure 1, chaque bord 10 peut comporter une deuxième portion arrondie 12, qui définit le fond de l'espace interpolaire I ménagé entre deux parties saillantes 7 adjacentes. Comme représenté sur la figure 1, chaque partie saillante 7 peut comporter au moins une ouverture 15, notamment une pluralité d'ouvertures, par exemple circulaires, permettant le passage de barres axiales 40 contribuant à maintenir le paquet de tôles 6 sur la machine. Dans l'exemple illustré, chaque partie saillante 7 comporte quatre ouvertures 15, niais l'invention n'est pas limitée à un nombre particulier d'ouvertures 15.

Les barres de maintien peuvent se raccorder à des joues de fixation, non représentées, disposées aux extrémités axiales du paquet de tôles 6. Les barres 40 sont par exemple réalisées en un matériau magnétique. Les parties saillantes 7 peuvent être reliées entre elles par des ponts de liaison 35. Ainsi, chaque tôle présente une forme annulaire continue.

Chaque tôle peut être découpée à la presse ou au laser. Comme représenté, chaque tôle 6 peut reposer par un bord intérieur continu 18 contre la portion aimantée 20, laquelle s'étend par exemple continûment tout autour de l'axe de rotation X du rotor. Dans une variante non représentée, la portion aimantée 20 s'étend de manière discontinue autour de l'axe X. La portion aimantée 20 peut être formée par un cylindre creux en matériau magnétique, qui est magnétisé de façon à définir une pluralité de pôles 21 qui alternent dans le sens circonférentiel. Chaque partie saillante 7 vient au regard d'un pôle 21 de la portion aimantée 20. L'étendue angulaire d'un pôle 21 peut correspondre sensiblement à l'écart angulaire existant entre le milieu de deux ponts de liaison 35 consécutifs. L'arbre 30 est de préférence dans un matériau magnétique, par exemple de l'acier magnétique. La.portion aimantée 20 est par exemple collée sur l'arbre.

Les tôles 6 sont par exemple collées sur la portion aimantée 20.

De préférence, la portion aimantée 20 est magnétisée après assemblage des tôles 6 sur la portion aimantée 20 et l'arbre 30. Ainsi, les pôles 21 peuvent se former en regard des parties polaires. On va maintenant décrire en référence à la figure 2 un moteur 1 selon un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention. Le rotor 5 illustré sur cette figure diffère de celui décrit en référence à la figure 1 notamment par la forme des bords 10 des parties saillantes 7 et par l'absence des ouvertures 1.5 pour le passage des barres de maintien. Comme on peut le voir sur la figure 2, chaque bord 10 comporte une première portion rectiligne 11 sensiblement identique à celle décrite en référence à la figure 1. La deuxième portion 12 est, dans l'exemple de la figure 2, réalisée avec un angle rentrant 16 de façon à définir un rétrécissement de l'espace interpolaire I, servant à retenir une cale 25, par exemple réalisée en une matière thermoplastique. Comme représenté sur la figure 2, chacune des cales 25 peut comporter une ouverture 26 permettant le passage d'une barre de maintien 40, les barres de maintien 40 pouvant être fixées à leurs extrémités à des joues d'extrémité. Comme représenté à la figure 8, la machine 1 peut fonctionner à puissance constante sur une large plage de vitesses, par exemple jusqu'à environ 16000 tr.min I. Le stator 2 de la machine est alimenté par un courant Is, présentant une composante Id dans l'axe direct de la machine et une composante Iq dans l'axe en quadrature de la machine. Lors d'une étape a), qui correspond aux basses vitesses jusqu'à la vitesse de base à partir de laquelle le couple commence à décroître, la valeur du couple reste constante, tout comme celles des courants Is, Id et Iq. Le courant Id est par exemple maintenu constant à une valeur comprise entre 0 et environ 30 % de la valeur du courant Is et le courant Iq est simultanément maintenu constant à une valeur comprise entre environ 90 % et 100 % du courant Is, jusqu'à ce que la vitesse de la machine 1 atteigne une vitesse de base prédéfinie, qui est dans l'exemple illustré environ égale à 3000 tr.rnin-l. Lors d'une étape b), on modifie simultanément les valeurs des courants Id et Iq en fonction de la vitesse de la machine, la valeur du courant Id étant augmentée tout en restant inférieure à 1.00 % de la valeur du courant Is et la valeur du courant Iq étant diminuée tout en restant non nulle, par exemple supérieure à 5 ou 1.0 % de la valeur du courant l.s. Dans l'exemple de la figure 8, la valeur du courant ls reste constante lors de l'étape a) et, lors de l'étape b), la valeur du courant Is est d'abord diminuée puis légèrement augmentée tout en restant lors de l'étape b) inférieure à 100 % de la valeur du courant Is pendant l'étape a), restant par exemple comprise entre 75 % et 90 % de la valeur du courant Is pendant l'étape a). Le courant Is peut par exemple décroître de la vitesse de base à une vitesse comprise entre 2 et 4 fois la vitesse de base.

Dans une variante non représentée, la valeur du courant Is reste constante lors des étapes a) et b), indépendamment de la vitesse de la machine. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. On peut par exemple prévoir dans les parties saillantes du rotor de l'exemple de la figure 2 des ouvertures 15 telles que représentées à la figure 1, pour recevoir des barres de maintien additionnelles. L'invention s'applique également à un alternateur. L'invention peut aussi s'appliquer à un moteur à double stator interne et externe. L'expression « comportant un » doit être comprise comme « comportant au moins un », sauf lorsque le contraire est spécifié.

Claims

REVENDICATIONS1. Rotor (5) de machine électrique tournante (1), comportant : a) un arbre (30) s'étendant selon un axe de rotation (X), b) une portion aimantée (20) disposée autour de l'arbre (30) et comprenant un ou plusieurs aimants permanents, c) un paquet de tôles (6) empilées selon l'axe de rotation (X) et définissant des parties polaires (7) disposées en regard de pôles (21) de la portion aimantée (20), deux parties polaires consécutives étant maintenues sur le rotor sans raccordement entre elles du côté radialement intérieur de la portion aimantée (20).
2. Rotor (5) selon la revendication 1, la portion aimantée (20) étant annulaire.
3. Rotor (5) selon la revendication 2, la portion aimantée (20) s'étendant de façon continue tout autour de l'axe (X) du rotor.
4. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, la portion aimantée (20) comportant un aimant unique à pôles multiples.
5. Rotor (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, la portion aimantée (20) étant au contact ou à proximité de l'arbre (30), notamment étant collée sur l'arbre.
6. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, l'arbre (30) étant 20 magnétique.
7. Rotor (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, les parties polaires (7) définissant des pôles saillants.
8. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, les parties polaires (7) étant reliées entre elles par des ponts de liaison (35) formés avec les tôles. 25
9. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, les parties polaires (7) étant traversées par des barres de maintien (40).
10. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, des barres de maintien (40) étant disposées dans des espaces interpolaires (I).
11. Rotor selon la revendication 10, comportant des cales (25) engagées dans 30 les espaces interpolaires (I) et traversées par des barres de maintien (40).
12. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à l 1, le paquet de tôles (6) étant entièrement situé radialement à l'extérieur de la portion aimantée (20). 2955988 IO
13. Procédé de fabrication d'un rotor (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on dispose le paquet de tôles (6) sur le rotor après mise en place de la portion (20), déjà aimantée ou avant aimantation.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel on aimante ladite portion 5 (20) après la mise en place du paquet de tôles (6) sur le rotor.
15. Procédé de commande d'une machine (1) comprenant un rotor (5) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 et un stator (2), le stator (2) de la machine (1) étant alimenté par un courant (Is), présentant une composante (Id) dans l'axe direct de la machine et une composante (Iq) dans l'axe en quadrature de la machine, procédé dans 10 lequel : a) on maintient le courant Id constant à une valeur comprise entre 0 et environ 30 % de la valeur du courant Is et le courant Iq constant à une valeur comprise entre environ 90 % et 100 % du courant ls lorsque la vitesse de la machine est inférieure à une vitesse de base, puis 15 b) on modifie les valeurs des courants Id et Iq en fonction de la vitesse de la machine, lorsque la vitesse de la machine est supérieure à la vitesse de base, la valeur du courant Id étant augmentée tout en restant inférieure à 100 % de la valeur du courant Is et la valeur du courant Iq étant diminuée tout en restant non nulle.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la valeur du courant Is reste constante lors des étapes a) et b).
17. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la valeur du courant Is reste constante Iors de l'étape a), étant diminuée puis augmentée lors de l'étape b), lorsque la vitesse croit depuis la vitesse de base vers la vitesse maximale.25