FR2957208A1 - POLYPHASED POLYDISCOID ELECTRIC MACHINE WITH MAGNETS. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une machine électrique polydiscoïde à aimants comprenant un nombre M de phases pair, une pluralité de rotors de forme discoïdes disposés de manière coaxiale le long d'un axe de rotation, une pluralité de paires de stators constituées d'un premier et un second stator disposés de part et d'autre d'un rotor, lesquels stators comprenant un nombre Ns de paires de dents et des bobinages, selon laquelle les bobinages d'un stator sont monophasés, lesdits premiers et seconds stators d'une paires de stators sont déphasés d'un angle sensiblement égal à +/-90/Ns degrés, et le second stator d'une paire de stators et le premier stator de la paire de stators suivante le long de l'axe de rotation sont déphasés d'un angle sensiblement égal à +/-180/(M.Ns) degrés.The present invention relates to a polydiscooid magnet electric machine comprising a number M of even phases, a plurality of discoidal shape rotors arranged coaxially along an axis of rotation, a plurality of pairs of stators consisting of a first and a second stator arranged on either side of a rotor, which stators comprise a number Ns of pairs of teeth and coils, according to which the windings of a stator are single-phase, said first and second stators of a pair of stators are out of phase by an angle substantially equal to +/- 90 / Ns degrees, and the second stator of a pair of stators and the first stator of the next pair of stators along the axis of rotation are out of phase. an angle substantially equal to +/- 180 / (M.Ns) degrees.
Description
-1- « Machine électrique polydiscoïde polyphasée à aimants » -1- "Polydiscooid Polyphase Magnetic Electric Machine"
Domaine technique La présente invention concerne une machine électrique polyphasée à rotors discoïdes. Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des machines électriques discoïdes à aimants permanents de fiabilité élevée pour des applications à hautes performances volumiques et/ou massiques, pour des applications de systèmes embarqués notamment. Etat de la technique antérieure Dans les systèmes embarqués, par exemple pour le domaine aéronautique ou celui des véhicules terrestres, les architectures de motorisations électriques les plus recherchées sont celles qui présentent les meilleures performances massiques et/ou volumiques, ainsi qu'une fiabilité élevée. Dans ce contexte, les architectures de machines électriques discoïdes polyentrefers offrent des possibilités intéressantes. Ces machines sont constituées de manière générale d'une pluralité de rotors en forme de disques qui sont disposés le long de l'axe de rotation entre des stators. Les rotors supportent des aimants permanents tandis que les stators comprennent des dents faisant face aux rotors, séparées par des encoches dans lesquelles sont insérés des bobinages. Les espaces entre les stators et les rotors constituent les entrefers. On connaît notamment le document WO 96/29774 de Lipo et al. qui divulgue une machine polydiscoïde constituée de deux stators entourant un rotor. Les stators comprennent des dents autour desquelles sont enroulés des bobinages correspondant à deux phases. Suivant les modes de réalisation décrits, chaque stator supporte les bobinages d'une seule ou des deux phases. Les stators sont disposés de telle sorte que les dents de l'un soient en face des encoches de l'autre. Le rotor est constitué d'aimants orientés de manière tangentielle et alternée, entre lesquels sont intercalés des éléments en matériau magnétique. On connaît également le document WO 2008/003990 de Lamperth et al. qui divulgue une machine polydiscoïde constituée d'une pluralité de rotors alternant avec des stators. Les rotors sont pourvus d'aimants orientés dans le -2- sens axial, de polarité alternée. Les stators sont pourvus de dents séparées par des encoches. Les dents sont pourvues d'isthmes pour minimiser la réluctance du circuit magnétique. Chaque stator comprend des bobinages alimentés par trois phases insérés dans les encoches. Technical Field The present invention relates to a polyphase electric machine with disc rotors. The field of the invention is more particularly, but in a nonlimiting manner, that of discoidal permanent magnet electric machines of high reliability for applications with high volume and / or mass performance, for embedded systems applications in particular. STATE OF THE PRIOR ART In embedded systems, for example for the aeronautical field or that of land vehicles, the most sought-after electrical motorization architectures are those which have the best mass and / or volume performances, as well as a high reliability. In this context, the architectures of disco electric polyentrefers offer interesting possibilities. These machines generally consist of a plurality of disk-shaped rotors which are arranged along the axis of rotation between stators. The rotors support permanent magnets while the stators comprise teeth facing the rotors, separated by notches into which windings are inserted. The spaces between the stators and the rotors constitute the air gaps. In particular, WO 96/29774 is known from Lipo et al. which discloses a polydiscoid machine consisting of two stators surrounding a rotor. The stators comprise teeth around which coils corresponding to two phases are wound. According to the embodiments described, each stator supports the windings of one or both phases. The stators are arranged so that the teeth of one face the notches of the other. The rotor is made up of tangentially and alternately oriented magnets, between which are inserted elements made of magnetic material. Also known is WO 2008/003990 to Lamperth et al. which discloses a polydiscoid machine consisting of a plurality of rotors alternating with stators. The rotors are provided with magnets oriented in the axial direction of alternating polarity. The stators are provided with teeth separated by notches. The teeth are provided with isthms to minimize the reluctance of the magnetic circuit. Each stator comprises coils powered by three phases inserted in the notches.
Dans le but de réaliser des machines électriques de puissance élevée, il est connu de combiner une pluralité de stators et de rotors le long de l'axe de rotation, ce qui est rendu particulièrement aisé par la structure discoïde de l'ensemble. De telles solutions sont en particulier décrites dans WO 96/29774 et WO 2008/003990. On retrouve ainsi une alternance de rotors encadrés par des stators. Les stators qui ne sont pas aux extrémités sont en fait constitués de deux stators faisant chacun face à un rotor. Toutefois, ces solutions de l'art antérieur ne constituent pas plus que la juxtaposition de machines élémentaires constituées de deux stators encadrant un rotor, empilées le long de l'axe de rotation. En particulier, la distribution des phases est identique entre stators similaires des machines élémentaires, et aucune relation angulaire particulière n'est établie entre ces machines élémentaires, qui sont simplement le plus souvent disposées selon la même orientation. Ces solutions ne sont pas satisfaisantes pour des applications dans l'aéronautique notamment, exigeant à la fois des performances massiques et/ou volumiques élevée, une grande sûreté de fonctionnement et des ondulations de couple minimales. En effet, hormis la puissance qui est effectivement la somme des contributions des machines élémentaires, les autres caractéristiques ne sont pas meilleures que celles de chacune de ces machines élémentaires, et notamment : - Le nombre de phases est limité à celui qui peut être raisonnablement mis en oeuvre au niveau d'une machine élémentaire, par exemple deux dans WO 96/29774 et trois dans WO 2008/003990, respectivement. Or il est bien connu qu'une augmentation du nombre de phases d'une machine électrique permet d'une part de réduire les amplitudes des ondulations de couple et d'autre part de repousser le rang des harmoniques de couple à l'origine des ondulations. En conséquence, les caractéristiques d'ondulations du couple ne peuvent pas être optimales dans une machine n'utilisant qu'un petit nombre de phases ; 2957208 -3- - Dans le but de garantir une fiabilité et une sûreté de fonctionnement maximales, il est préférable de limiter le nombre de phases par stator. En effet, moins les bobinages des phases respectives sont physiquement à proximité les uns des autres, moins il y a de risques que la défaillance d'un 5 bobinage (par exemple un échauffement excessif lié à un court-circuit) n'entraîne la défaillance d'un autre. De ce point de vue, la configuration idéale est d'une phase par stator. Mais si comme dans WO 96/29774, on a une juxtaposition de machines indépendantes à un rotor, le nombre total de phases est limité à deux, avec pour conséquence des caractéristiques 10 d'ondulations de couple non satisfaisantes ; - Si une phase d'une machine élémentaire est défaillante, la caractéristique de couple de cette machine élémentaire est fortement affectée, avec pour résultat un impact sensible en termes d'ondulations et de perte de puissance, notamment sur la caractéristique de couple de l'ensemble 15 du système, lequel est constitué typiquement de deux ou trois machines élémentaires. La tolérance aux pannes de l'ensemble est de ce fait limitée. Le but de la présente invention est de proposer une machine électrique polydiscoïde présentant des performances massiques et/ou volumiques élevées, des ondulations de couples réduites ainsi qu'une fiabilité et une 20 tolérance aux défaillances sensiblement améliorées. Exposé de l'invention Cet objectif est atteint avec une machine électrique polydiscoïde à aimants comprenant : - un nombre M de phases pair, supérieur à deux, 25 - une pluralité de rotors de forme discoïde disposés de manière coaxiale le long d'un axe de rotation selon une orientation angulaire sensiblement identique, lesquels rotors comprenant une pluralité d'aimants, - une pluralité de paires de stators disposés de manière coaxiale le long de l'axe de rotation, constituées d'un premier et d'un second stator disposés de 30 part et d'autre d'un rotor, lesquels stators comprenant un nombre Ns de paires de dents, lesquelles dents faisant face aux rotors et étant séparées par des encoches, lesquelles encoches comprenant des bobinages, caractérisées en ce que : - les bobinages d'un stator sont monophasés, la machine comprenant au 35 moins autant de stators que de phases, -4- - lesdits premiers et seconds stators d'une paire de stators sont déphasés d'un angle sensiblement égal à ±90/Ns degrés, et - le second stator d'une paire de stators et le premier stator de la paire de stators suivante le long de l'axe de rotation sont déphasés d'un angle 5 sensiblement égal à ±180/(M•Ns) degrés. Suivant des modes de réalisation : - le bobinage des stators peut comprendre un empilement d'éléments sensiblement conducteurs à l'électricité séparés par des éléments sensiblement isolants, disposé de telle sorte à constituer un serpentin 10 entourant plusieurs dents, lequel serpentin étant inséré dans les encoches et passant alternativement le long de la face externe et de la face interne par rapport à l'axe de rotation desdites dents, - le serpentin peut comprendre un empilement de tôles découpées de telle sorte à s'insérer dans les encoches entre les dents du stator, 15 - les rotors peuvent comprendre une pluralité de paires d'aimants, lesquels aimants étant d'orientation sensiblement parallèle à l'axe de rotation et de polarité alternée, - les rotors peuvent comprendre un nombre de paires d'aimants identique au nombre de paires de dents des stators, 20 - les rotors peuvent comprendre une pluralité d'aimants d'orientation sensiblement parallèle à l'axe de rotation et de polarité identique, alternant avec des éléments en matériau magnétique, - les rotors peuvent comprendre une pluralité d'aimants d'orientation sensiblement perpendiculaire et tangentielle à l'axe de rotation, alternant 25 avec des éléments en matériau magnétique, lesquels aimants étant disposés de telle sorte que deux aimants encadrant un élément en matériau magnétique soient de polarité opposée ; - les aimants peuvent être maintenus par un support en matériau sensiblement amagnétique comportant des ouvertures traversantes dans 30 lesquelles lesdits aimants sont encastrés, - les aimants peuvent être maintenus par des disques en matériau sensiblement amagnétique collés de part et d'autre des rotors, - des second et premier stators adjacents peuvent être réalisés dans un même élément mécanique dont ils constituent deux faces, -5- - les stators peuvent être réalisés dans des enroulements de tôles dans lesquels les encoches sont usinées, - les stators peuvent être réalisés dans un matériau de type SMC (en anglais : « Soft Magnetic Composite »). In order to produce high power electrical machines, it is known to combine a plurality of stators and rotors along the axis of rotation, which is made particularly easy by the discoid structure of the assembly. Such solutions are in particular described in WO 96/29774 and WO 2008/003990. We thus find an alternation of rotors framed by stators. The stators which are not at the ends are in fact constituted by two stators each facing a rotor. However, these solutions of the prior art do not constitute more than the juxtaposition of elementary machines consisting of two stators flanking a rotor, stacked along the axis of rotation. In particular, the phase distribution is identical between similar stators of the elementary machines, and no particular angular relationship is established between these elementary machines, which are simply most often arranged in the same orientation. These solutions are unsatisfactory for applications in aeronautics in particular, requiring both high mass and / or volume performance, high reliability and minimal torque ripples. Indeed, apart from the power which is actually the sum of the contributions of the elementary machines, the other characteristics are not better than those of each of these elementary machines, and in particular: - The number of phases is limited to that which can be reasonably put at the level of an elementary machine, for example two in WO 96/29774 and three in WO 2008/003990, respectively. However, it is well known that an increase in the number of phases of an electric machine makes it possible on the one hand to reduce the amplitudes of the torque ripples and on the other hand to push back the rank of the harmonics of torque at the origin of the ripples. . As a result, the torque ripple characteristics can not be optimal in a machine using only a small number of phases; 2957208 -3- - In order to guarantee maximum reliability and dependability, it is preferable to limit the number of phases per stator. Indeed, the less the windings of the respective phases are physically close to each other, the less there is a risk that the failure of a winding (for example excessive heating due to a short circuit) does not lead to failure. of another. From this point of view, the ideal configuration is one phase per stator. But if, as in WO 96/29774, there is a juxtaposition of independent machines with a rotor, the total number of phases is limited to two, with consequent unsatisfactory torque ripple characteristics; - If a phase of a basic machine fails, the torque characteristic of this elementary machine is strongly affected, resulting in a significant impact in terms of ripple and power loss, especially on the torque characteristic of the machine. system assembly, which typically consists of two or three elementary machines. The fault tolerance of the assembly is therefore limited. The object of the present invention is to provide a polydiscooid electric machine having high mass and / or volume performances, reduced torque ripples and significantly improved reliability and fault tolerance. SUMMARY OF THE INVENTION This object is achieved with a polydiscooid magnet electric machine comprising: - an even number M of phases, greater than two, - a plurality of disc-shaped rotors arranged coaxially along an axis of rotation in substantially the same angular orientation, which rotors comprise a plurality of magnets; a plurality of pairs of stators coaxially disposed along the axis of rotation, constituted by a first and a second stator arranged 30 of a rotor, which stators comprise a number Ns of pairs of teeth, which teeth face the rotors and are separated by notches, which notches comprise coils, characterized in that: - the coils of a stator are single-phase, the machine comprising at least as many stators as phases, said first and second stators of a pair of stators are out of phase with a sensib angle. The second stator of a pair of stators and the first stator of the next pair of stators along the axis of rotation are phase shifted by an angle substantially equal to ± 180. / (M • Ns) degrees. According to embodiments: - the winding of the stators may comprise a stack of substantially electrically conductive elements separated by substantially insulating elements, arranged so as to form a coil 10 surrounding several teeth, which coil is inserted into the notches and passing alternately along the outer face and the inner face relative to the axis of rotation of said teeth, - the coil may comprise a stack of sheets cut so as to fit into the notches between the teeth of the stator, the rotors may comprise a plurality of pairs of magnets, which magnets are oriented substantially parallel to the axis of rotation and alternating polarity, the rotors may comprise a number of pairs of magnets identical to the number pairs of stator teeth, the rotors may comprise a plurality of magnets with orientation substantially parallel to the axis of rotation and of identical polarity, alternating with elements made of magnetic material, the rotors may comprise a plurality of magnets of orientation substantially perpendicular and tangential to the axis of rotation, alternating with elements made of magnetic material, which magnets being arranged in such a way that two magnets surrounding a magnetic material element are of opposite polarity; the magnets can be held by a support of substantially non-magnetic material having through apertures in which said magnets are embedded, the magnets can be held by disks of substantially non-magnetic material bonded on either side of the rotors; second and first adjacent stators can be made in the same mechanical element of which they constitute two faces, the stators can be made in sheet windings in which the notches are machined, the stators can be made in a material of SMC type (in English: "Soft Magnetic Composite").
Par contraste avec les dispositifs de l'art antérieur tel que par exemple celui décrit dans WO 96/29774, la machine électrique selon l'invention ne constitue pas une simple juxtaposition de plusieurs machines diphasées mais bien une machine électrique polyphasée comprenant un nombre élevé de phases. La conception globale et la structure de la machine sont optimisées pour le nombre de phases total effectivement mis en oeuvre, qui détermine en particulier les orientations angulaires relatives des rotors. Le nombre élevé de phases et les déphasages mécanique et électrique des phases les unes par rapport aux autres, du fait notamment de la disposition relative des stators, permettent d'une part d'obtenir une réduction substantielle de l'amplitude des ondulations de couple, et d'autre part de repousser le rang des harmoniques de couple à l'origine des ondulations. Le nombre élevé de phases contribue également à l'objectif d'accroissement de la sûreté de fonctionnement, grâce précisément à la segmentation de la puissance entre les phases. En effet, un défaut conduisant à une perte de phase induit une perte de puissance d'autant plus faible que le nombre de phases est important. Les stators ne comportent qu'une seule phase, ce qui permet de découpler physiquement les phases les unes des autres, et notamment de limiter les risques de propagation entre phases des défauts d'origine électrique ou thermique (échauffements excessifs, courts-circuits). Par ailleurs, l'architecture magnétique est telle que les inductances mutuelles entre phases sont très faibles et donc les phases sont aussi découplées magnétiquement. En outre, toujours dans un objectif d'accroissement de la sûreté de fonctionnement, les phases de la machine peuvent être avantageusement alimentées par des onduleurs en pont monophasés, ce qui permet d'éliminer le risque de propagation de tout défaut d'origine électrique au sein de l'onduleur de puissance. Suivant un autre aspect, il est proposé une machine électrique 35 comprenant une pluralité de machines électriques polydiscoïdes à aimants 2957208 -6- selon l'invention, disposées le long de l'axe de rotation de telle sorte que les orientations angulaires d'un second stator constituant l'extrémité d'une desdites machines, et d'un premier stator constituant l'extrémité adjacente le long de l'axe de rotation d'une autre desdites machines, sont déphasés d'un 5 angle sensiblement égal à ±180/(M•Ns) degrés. Il est également proposé une machine électrique comprenant une pluralité de machines électriques polydiscoïdes à aimants selon l'invention, disposées le long de l'axe de rotation de telle sorte que les orientations angulaires d'un second stator constituant l'extrémité d'une desdites machines, 10 et d'un premier stator constituant l'extrémité adjacente le long de l'axe de rotation d'une autre desdites machines, sont sensiblement identiques. Description des figures et modes de réalisation D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en oeuvre et de modes de 15 réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : - la figure 1 illustre un mode de réalisation de machine électrique polydiscoïde à aimants selon l'invention, - la figure 2 illustre un mode de réalisation du stator d'une machine électrique selon l'invention, 20 - la figure 3 illustre un mode de réalisation du rotor d'une machine électrique selon l'invention, - la figure 4 illustre le positionnement angulaire relatif des stators et des rotors dans une machine électrique selon l'invention, tel que vu selon sa périphérie, 25 - la figure 5 illustre un second mode de réalisation du stator d'une machine électrique selon l'invention, - la figure 6 illustre un troisième mode de réalisation du stator d'une machine électrique selon l'invention, - la figure 7 illustre un mode de combinaison de machines électriques 30 selon l'invention, - la figure 8 illustre un autre mode de combinaison de machines électriques selon l'invention. En référence à la figure 1, une machine électrique polydiscoïde à aimants selon l'invention est constituée d'une pluralité de rotors de forme discoïde 2, montés de manière coaxiale et solidaires d'un arbre, ou axe de rotation 3. Ces -7- rotors 2 sont disposés entre des stators 1, chaque rotor 2 étant ainsi encadré par une paire de stators la et lb. En référence à la figure 2, les stators 1 comprennent, sur leur partie faisant face au rotor 2, des dents 10 séparées par des encoches 11 dans lesquelles circulent des bobinages 4. Les bobinages 4 d'un stator 1 correspondent à une phase de la machine. En d'autres termes, chaque stator 1 ne supporte qu'une seule phase 4, ce qui permet de séparer physiquement les bobinages des phases pour éviter que la défaillance de l'une d'entre elles n'affecte les autres. In contrast with the devices of the prior art such as for example that described in WO 96/29774, the electric machine according to the invention does not constitute a simple juxtaposition of several two-phase machines but a polyphase electrical machine comprising a high number of phases. The overall design and structure of the machine are optimized for the total number of phases actually implemented, which determines in particular the relative angular orientations of the rotors. The high number of phases and the mechanical and electrical phase shifts of the phases relative to one another, in particular because of the relative arrangement of the stators, make it possible on the one hand to obtain a substantial reduction in the amplitude of the torque ripples. and on the other hand to push back the rank of the harmonics of torque at the origin of the undulations. The high number of phases also contributes to the objective of increasing the reliability of operation, thanks precisely to the segmentation of the power between the phases. Indeed, a defect leading to a loss of phase induces a loss of power even lower than the number of phases is important. The stators have only one phase, which makes it possible physically to decouple the phases from each other, and in particular to limit the risks of propagation between phases of defects of electrical or thermal origin (excessive heating, short circuits). Moreover, the magnetic architecture is such that the mutual inductances between phases are very weak and therefore the phases are also decoupled magnetically. In addition, always with a view to increasing the reliability of operation, the phases of the machine can be advantageously powered by single-phase bridge inverters, which eliminates the risk of propagation of any electrical fault at within the power inverter. According to another aspect, there is provided an electric machine 35 comprising a plurality of polydiscooid electric magnets machines according to the invention, arranged along the axis of rotation so that the angular orientations of a second stator constituting the end of one of said machines, and a first stator constituting the adjacent end along the axis of rotation of another of said machines, are out of phase by an angle substantially equal to ± 180 / (M • Ns) degrees. It is also proposed an electrical machine comprising a plurality of polydiscooid electric magneto machines according to the invention, arranged along the axis of rotation so that the angular orientations of a second stator constituting the end of one of said machines, and a first stator constituting the adjacent end along the axis of rotation of another of said machines, are substantially identical. DESCRIPTION OF THE FIGURES AND EMBODIMENTS Other advantages and particularities of the invention will appear on reading the detailed description of implementations and embodiments that are in no way limitative, and the following appended drawings: FIG. Embodiment of the polydiscooid electric machine with magnets according to the invention; - Figure 2 illustrates an embodiment of the stator of an electric machine according to the invention; FIG. 3 illustrates an embodiment of the rotor of a electrical machine according to the invention, - Figure 4 illustrates the relative angular positioning of the stators and rotors in an electric machine according to the invention, as seen along its periphery; - Figure 5 illustrates a second embodiment of the stator of an electric machine according to the invention, - Figure 6 illustrates a third embodiment of the stator of an electric machine according to the invention, - Figure 7 illustrates In a mode of combination of electrical machines 30 according to the invention, - Figure 8 illustrates another mode of combination of electrical machines according to the invention. With reference to FIG. 1, a polydiscooid electric machine with magnets according to the invention consists of a plurality of disc-shaped rotors 2, mounted coaxially and integral with a shaft, or axis of rotation 3. These -7 rotors 2 are arranged between stators 1, each rotor 2 being thus framed by a pair of stators 1a and 1b. With reference to FIG. 2, the stators 1 comprise, on their portion facing the rotor 2, teeth 10 separated by notches 11 in which coils 4 circulate. The coils 4 of a stator 1 correspond to a phase of the machine. In other words, each stator 1 only supports one phase 4, which physically separates the windings phases to prevent the failure of one of them affects the others.
Le bobinage 4 d'une phase d'un stator 1 est réalisé sous la forme d'un serpentin disposé dans les encoches 11 entre les dents 10. Ce serpentin est constitué d'un empilement de couches en matériau sensiblement conducteur à l'électricité, sensiblement isolées entre elles. Il parcourt l'ensemble des encoches du stator, de telle sorte à constituer l'équivalent d'un bobinage de même polarité entourant une dent 10 sur deux du stator. La liaison électrique entre les spires des bobinages, constituées par les couches successives, est réalisée au niveau des extrémités 12. Le serpentin est réalisé par un empilement de tôles de cuivre, découpées à la forme voulue et électriquement isolées. Ce mode de réalisation du bobinage permet une simplification considérable des opérations de fabrication de la machine électrique selon l'invention, puisque l'assemblage du bobinage 4 dans le stator 1 peut être réduit à une opération d'insertion du serpentin complet pré-assemblé. Le bobinage 4 préfabriqué en forme de serpentin présente en outre l'avantage de permettre de s'adapter à la forme du circuit magnétique, en autorisant par exemple des variations de la densité de courant. Il permet également une meilleure dissipation thermique et un meilleur coefficient de remplissage d'encoche. Ce bobinage 4 en forme de serpentin nécessite des encoches 11 ouvertes (c'est-à-dire par exemple des dents dépourvues d'isthmes) pour pouvoir y être inséré, mais l'utilisation d'un nombre élevé de phases dans la machine électrique selon l'invention permet de limiter les ondulations de couple induites par l'ouverture de ces encoches 11. Les stators 1 sont réalisés par un enroulement de tôles magnétiques, dans lequel les encoches 11 sont ensuite usinées. Cette configuration est plus favorable pour les fonctionnements à hautes fréquences dans la mesure où il 2957208 -8- est possible de mettre en oeuvre des tôles plus minces. En effet, l'épaisseur des tôles enroulées peut descendre à 0,1 mm voire à 0,05 mm, contrairement aux tôles empilées dont les épaisseurs sont en général supérieures ou égales à 0,2 mm.The winding 4 of a phase of a stator 1 is made in the form of a coil disposed in the notches 11 between the teeth 10. This coil consists of a stack of layers of material substantially electrically conductive, substantially isolated from each other. It travels all the slots of the stator, so as to constitute the equivalent of a winding of the same polarity surrounding a tooth 10 on two of the stator. The electrical connection between the turns of the windings, constituted by the successive layers, is performed at the ends 12. The coil is formed by a stack of copper sheets, cut to the desired shape and electrically isolated. This embodiment of the winding allows a considerable simplification of the manufacturing operations of the electric machine according to the invention, since the assembly of the winding 4 in the stator 1 can be reduced to an insertion operation of the complete pre-assembled coil. The coil-shaped prefabricated winding 4 also has the advantage of making it possible to adapt to the shape of the magnetic circuit, for example by allowing variations in the current density. It also allows better heat dissipation and a better notch filling coefficient. This serpentine winding 4 requires open notches 11 (that is to say for example teeth without isthmus) to be able to be inserted, but the use of a high number of phases in the electric machine according to the invention makes it possible to limit the torque ripple induced by the opening of these notches 11. The stators 1 are made by a winding of magnetic sheets, in which the notches 11 are then machined. This configuration is more favorable for operations at high frequencies since it is possible to use thinner plates. Indeed, the thickness of the rolled sheets can go down to 0.1 mm or even 0.05 mm, unlike stacked sheets whose thicknesses are generally greater than or equal to 0.2 mm.
5 En référence aux figures 3 et 4, les rotors 2 comprennent des aimants 20 qui sont disposés de telle sorte que leur champ magnétique (ou leur axe d'aimantation) soit parallèle à l'axe de rotation et leur polarité 25 alternée. Ainsi, un rotor 2 comprend sur sa périphérie alternativement des aimants 2Oa d'une polarité 25 alternant avec des aimants 2Ob de la polarité 25 opposée.Referring to Figures 3 and 4, the rotors 2 comprise magnets 20 which are arranged such that their magnetic field (or their axis of magnetization) is parallel to the axis of rotation and their alternating polarity. Thus, a rotor 2 alternately comprises on its periphery magnets 20a of alternating polarity 25 with magnets 20b of the opposite polarity.
10 Le nombre d'aimants 20 des rotors 2 est identique au nombre de dents 10 des stators 1. Les aimants 20 sont en forme de portion de disques. Ils sont fixés sur les rotors 2 au moyen de disques 21 en matériau sensiblement amagnétiques de faible épaisseur, collés de part et d'autre de ces rotors 2 de façon à les 15 maintenir. Ce mode de fixation permet une fabrication simplifiée du dispositif tout en assurant une très bonne tenue aux contraintes radiales dues à la force centrifuge. Les éléments (stators 1 et rotors 2) de la machine électrique selon l'invention sont disposés selon des orientations angulaires qui permettent à la 20 fois : - de minimiser les couplages magnétiques entre éléments, de telle sorte à minimiser l'impact de la défaillance d'un élément sur les autres, - de minimiser la quantité de champ magnétique dans les culasses magnétiques 27 des stators, de telle sorte à limiter les pertes fer et/ou la 25 masse, et - de minimiser les ondulations du couple tout en les repoussant à des harmoniques élevées. Ainsi, les rotors 2 sont disposés selon une orientation angulaire 26 sensiblement identique, c'est-à-dire avec les aimants d'une même polarité de 30 tous les rotors sensiblement alignés le long de l'axe 3 de la machine. De cette manière, la quantité de champ magnétique créée par les aimants se refermant dans les culasses magnétiques 27 des stators intermédiaires est réduite, ce qui permet de réduire les pertes fer ou la masse. Les stators la et lb disposés de part et d'autre d'un rotor 2 sont 35 déphasés d'un angle 0i sensiblement égal, en valeur absolue, à 2957208 -9- 90/Ns degrés, Ns étant le nombre de paires de dents. De cette manière, les couplages magnétiques à l'intérieur du module constitué des stators la et lb et du rotor 2 sont minimisés. Les stators lb et la faisant face à deux rotors 2 consécutifs sont 5 déphasés d'un angle 0e sensiblement égal, en valeur absolue, à 180/(M•Ns) degrés, M étant le nombre de phases de la machine. Cet angle 0e est déterminé comme étant le plus petit angle permettant une répartition angulaire homogène, sur 360 degrés, des phases d'une machine qui aurait 2•M phases (au lieu de M phases).The number of magnets 20 of the rotors 2 is identical to the number of teeth 10 of the stators 1. The magnets 20 are in the form of disk portions. They are fixed on the rotors 2 by means of disks 21 of substantially non-magnetic material of small thickness, glued on either side of these rotors 2 so as to maintain them. This method of attachment allows a simplified manufacture of the device while ensuring a very good resistance to radial stresses due to the centrifugal force. The elements (stators 1 and rotors 2) of the electrical machine according to the invention are arranged in angular orientations which make it possible both to: minimize the magnetic coupling between elements, so as to minimize the impact of the failure of one element over the others, - to minimize the amount of magnetic field in the magnetic yokes 27 of the stators, so as to limit the iron losses and / or the mass, and - to minimize the ripples of the couple while at the same time pushing back to high harmonics. Thus, the rotors 2 are arranged in a substantially identical angular orientation 26, that is to say with the magnets of the same polarity of all the rotors substantially aligned along the axis 3 of the machine. In this way, the amount of magnetic field created by the magnets closing in the magnetic yokes 27 of the intermediate stators is reduced, which makes it possible to reduce the iron losses or the mass. The stators 1a and 1b disposed on either side of a rotor 2 are out of phase by an angle 0i substantially equal, in absolute value, to 90 / Ns degrees, where Ns is the number of pairs of teeth. . In this way, the magnetic couplings within the module consisting of the stators 1a and 1b and the rotor 2 are minimized. The stators 1b and 1c facing two consecutive rotors 2 are out of phase by an angle 0e substantially equal, in absolute value, to 180 / (M · Ns) degrees, where M is the number of phases of the machine. This angle 0e is determined as being the smallest angle allowing a homogeneous angular distribution, over 360 degrees, of the phases of a machine which would have 2 • M phases (instead of M phases).
10 De cette manière : - on obtient une machine à m phases dont les ondulations de couple sont repoussées à l'harmonique 2•M de la fréquence fondamentale, - la quantité de champ magnétique créé par les bobinages 4 et se refermant dans les culasses magnétiques 27 des stators intermédiaires lb, la 15 est effectivement réduite. Ces stators 1 intermédiaires, c'est-à-dire placés entre deux rotors 2 successifs, sont constitués par l'assemblage de deux éléments de stators la, lb. L'architecture magnétique ainsi obtenue est telle que les inductances 20 mutuelles entre phases sont très faibles. Les phases sont donc aussi découplées magnétiquement. Dans le cas illustré aux figures 1 et 4, les orientations des angles 0i et 0e sont en sens opposé. Il est toutefois important de noter que toutes les combinaisons d'orientation de ces angles 0i et 0e sont utilisables dans le cadre de l'invention.In this way: a m-phase machine is obtained whose torque ripples are pushed back to the 2 • M harmonic of the fundamental frequency, the quantity of magnetic field created by the coils 4 and closing in the magnetic yokes 27 intermediate stators lb, the 15 is effectively reduced. These intermediate stators 1, that is to say placed between two successive rotors 2, consist of the assembly of two stator elements 1a, 1b. The magnetic architecture thus obtained is such that mutual inductances between phases are very weak. The phases are thus also decoupled magnetically. In the case illustrated in Figures 1 and 4, the orientations of the angles 0i and 0e are in opposite directions. It is however important to note that all the orientation combinations of these angles 0i and 0e are usable within the scope of the invention.
25 Suivants des modes de réalisation, une machine électrique selon l'invention peut être réalisée avec un nombre de phases pair quelconque, par exemple quatre, six, huit, dix, douze ou quatorze phases. Le mode de réalisation illustré à la figure 1 concerne une machine comprenant cinq paires de dents (Ns = 5) et quatre phases (M = 4), dont les 30 déphasages entre stators sont sensiblement égaux à 0i = 90°/Ns et 0e = -45°/Ns, respectivement. Dans cet exemple, les positions angulaires des stators, relatives au premier stator, sont les suivantes : {0 ; 90/Ns ; 45/Ns ; 135/Ns} degrés. Comme expliqué précédemment, des modes de réalisation sensiblement 35 équivalents pourrait être par exemple sensiblement selon l'un des ensembles 2957208 -10- d'orientations angulaires, en valeur absolue, relatives au premier stator, suivants : {0 ; 90/Ns ; 135/Ns ; 225/Ns} degrés, ou {0 ; 90/Ns ; 135/Ns ; 45/Ns} degrés.According to the embodiments, an electric machine according to the invention may be made with any number of even phases, for example four, six, eight, ten, twelve or fourteen phases. The embodiment illustrated in FIG. 1 concerns a machine comprising five pairs of teeth (Ns = 5) and four phases (M = 4), whose phase shifts between stators are substantially equal to 0i = 90 ° / Ns and 0e = -45 ° / Ns, respectively. In this example, the angular positions of the stators, relative to the first stator, are as follows: {0; 90 / Ns; 45 / Ns; 135 / Ns} degrees. As previously explained, substantially equivalent embodiments could be for example substantially one of the sets of angular orientations, in absolute value, relative to the first stator, following: {0; 90 / Ns; 135 / Ns; 225 / Ns} degrees, or {0; 90 / Ns; 135 / Ns; 45 / Ns} degrees.
5 Pour six phases, donc six stators 1 et trois rotors 2, les déphasages entre stators sont sensiblement égaux, en valeur absolue, à 0i = 90°/Ns et 0e = 30°/Ns respectivement. Les modes de réalisations de la machine peuvent être par exemple sensiblement selon l'un des ensembles d'orientations angulaires, en valeur absolue, relatives au premier stator, 10 suivants : {0 ; 90/Ns ; 60/Ns ; 150/Ns ; 120/Ns ; 210/Ns} degrés, {0 ; 90/Ns ; 120/Ns ; 210/Ns ; 240/Ns ; 330/Ns} degrés, {0 ; 90/Ns ; 120/Ns ; 30/Ns ; 60/Ns ; 150/Ns} degrés, etc.... Il est également possible d'avoir plusieurs stators avec la même 15 orientation angulaire. Les positions angulaires des stators relatives au premier stator telles que définies précédemment constituent les déphasages mécanique de la machine électrique. Pour un fonctionnement correct, les bobinages 4 des stators 1 doivent 20 être alimentés par des signaux électriques dont les déphasages électriques sont sensiblement égaux aux déphasages mécaniques des stators qu'ils alimentent multipliés par Ns. Suivant des modes de réalisation, il peut être avantageux de combiner plusieurs machines électriques selon l'invention le long d'un axe de rotation, 25 en particulier pour augmenter la puissance et/ou la fiabilité. En référence à la figure 7, on peut en particulier combiner deux machines électriques selon l'invention 40 et 41 de telle sorte que les orientations angulaires du second stator lb constituant l'extrémité d'une desdites machines 40, et du premier stator la constituant l'extrémité 30 adjacente le long de l'axe de rotation 3 de l'autre machine 41, soit également déphasés d'un angle d'un angle 0e sensiblement égal, en valeur absolue, à 180/(M•Ns) degrés. On réalise ainsi une machine à 2•M phases, qui doit être alimentée par une électronique de commande également à 2•M phases électriques, tout au moins si les positions angulaires de tous les stators 1 sont 35 différentes. Cette solution nécessite donc une électronique de commande plus 2957208 -11- complexe. Elle présente toutefois l'avantage de permettre la mise oeuvre de la totalité des 2•M phases électriques équitablement réparties sur 360 degrés correspondant aux positions angulaires des stators avec les déphasages 0i et 0e, auquel cas il est possible de réaliser une commande équilibrée dans 5 laquelle la somme des courants des phases électriques est nulle ce qui permet d'avoir un neutre flottant. On peut alors alimenter la machine à 2•M phases électriques avec un onduleur à 2•M bras classique. Bien entendu il est possible de combiner plus que deux machines électriques selon l'invention de cette manière.For six phases, thus six stators 1 and three rotors 2, the phase shifts between stators are substantially equal, in absolute value, at 0i = 90 ° / Ns and 0e = 30 ° / Ns respectively. The embodiments of the machine may for example be substantially in accordance with one of the sets of angular orientations, in absolute value, relating to the first stator, namely: {0; 90 / Ns; 60 / Ns; 150 / Ns; 120 / Ns; 210 / Ns} degrees, {0; 90 / Ns; 120 / Ns; 210 / Ns; 240 / Ns; 330 / Ns} degrees, {0; 90 / Ns; 120 / Ns; 30 / Ns; 60 / Ns; 150 / Ns} degrees, etc. It is also possible to have several stators with the same angular orientation. The angular positions of the stators relative to the first stator as defined above constitute the mechanical phase shifts of the electric machine. For correct operation, the windings 4 of the stators 1 must be powered by electrical signals whose electrical phase shifts are substantially equal to the mechanical phase shifts of the stators they feed multiplied by Ns. According to embodiments, it may be advantageous to combine several electrical machines according to the invention along an axis of rotation, in particular to increase power and / or reliability. With reference to FIG. 7, it is possible in particular to combine two electrical machines according to the invention 40 and 41 so that the angular orientations of the second stator lb constituting the end of one of said machines 40, and the first stator constituting it. the end 30 adjacent along the axis of rotation 3 of the other machine 41, is also out of phase by an angle of an angle 0e substantially equal, in absolute value, to 180 / (M • Ns) degrees. A 2-phase machine is thus produced, which must be powered by control electronics also at 2 × M electrical phases, at least if the angular positions of all the stators 1 are different. This solution therefore requires a more complex control electronics. However, it has the advantage of allowing the implementation of all the 2 • M electrical phases equitably distributed over 360 degrees corresponding to the angular positions of the stators with phase shifts 0i and 0e, in which case it is possible to achieve a balanced control in 5 which the sum of the currents of the electric phases is zero which makes it possible to have a floating neutral. The machine can then be supplied with 2 • M electrical phases with a conventional 2-wire inverter. Of course it is possible to combine more than two electrical machines according to the invention in this way.
10 Il est également possible de combiner plusieurs machines électriques selon l'invention à m phases ou à 2•M phases le long d'un axe de rotation, selon des configurations de nombre de phases et de commande diverses, par exemple : - plusieurs machines comprenant le même nombre de phases, alimentées 15 par une même électronique ou des électroniques distinctes, - plusieurs machines comprenant un nombre de phases différent. En référence à la figure 8, il peut être alors avantageux de les combiner de telle sorte que le dernier stator lb d'une machine 40 et le premier stator la de la machine suivante 41 auquel il est accolé aient sensiblement la même 20 orientation angulaire. Cela permet de minimiser encore plus le champ dans les culasses intermédiaires 27 entre deux machines 40, 41. En outre, lorsque les machines combinées 40 et 41 comprennent des stators 1 d'orientation angulaire similaire, la commande peut être réalisée par un onduleur qui comporte le nombre de phases d'une machine, ou tout au moins un onduleur 25 piloté par un nombre de signaux de commande équivalent au nombre de phases d'une machine. Suivant des variantes de modes de réalisation : - Les bobinages 4 des stators 1 peuvent comprendre plusieurs serpentins, disposés chacun autour d'un groupe de dents 10 différent dudit stator 1 ; 30 - Les bobinages 4 des stators 1 peuvent comprendre plusieurs serpentins, chacun entourant la totalité ou une partie des dents 10 du stator 1, et étant fabriqués séparément et empilés les uns sur les autres dans les encoches 11 ; - Les bobinages 4 des stators 1 peuvent être constitués de bobines entourant individuellement une dent 10 sur deux ; 2957208 -12- - Les bobinages 4 des stators 1 peuvent être constitués de bobines entourant individuellement toutes les dents 10 ; - Les stators 1 peuvent être réalisés dans un matériau de type SMC (en anglais : « Soft Magnetic Composite »), q ui présente l'avantage d'une 5 meilleure dissipation thermique (du fait de sa nature isotrope notamment) et des performances à hautes fréquences (supérieures à 1500 Hz) intéressantes ; - Le maintien des aimants 20 sur les rotors 2 peut être assuré par un support en matériau sensiblement amagnétique et de préférence non 10 conducteur à l'électricité, tel que par exemple du Dacron®, un autre matériau plastique, ou de la céramique). Des ouvertures sont ménagées dans ce support, dans lesquelles les aimants sont encastrés et fixés (par exemple par collage) ; - Les rotors 2 peuvent comprendre une culasse magnétique centrale 15 sensiblement en forme de disque sur laquelle sont fixés, de part et d'autre et en vis-à-vis, des aimants 20 ; - En référence à la figure 5, un aimant 20 sur deux du rotor 2 peut être remplacé par un élément en matériau sensiblement magnétique 30, auquel cas le rotor 2 comprend une alternance d'aimants 20 et d'éléments en 20 matériau magnétique 30, lesquels aimants 20 étant disposés de telle sorte que leur champ magnétique (ou leur axe d'aimantation) soit sensiblement parallèle à l'axe de rotation 3 et leur polarité 25 identique ; - En référence à la figure 6, le rotor 2 peut comprendre une alternance d'aimants 20 et d'éléments en matériau magnétique 30, lesquels aimants 20 25 étant disposés de telle sorte que leur champ magnétique (ou leur axe d'aimantation) soit sensiblement perpendiculaire et tangentiel à l'axe de rotation 3, et que deux aimants 20 encadrant un élément en matériau magnétique 30 soient de polarité 25 opposée, de telle sorte à constituer un motif à concentration de flux; 30 - Les stators 1 intermédiaires, c'est-à-dire placés entre deux rotors 2 successifs, peuvent être réalisés sur la base d'une pièce unique ou d'un même élément mécanique comportant des dents 10 et des encoches 11 sur ses deux faces, alors équivalentes aux stators lb et la respectivement. 2957208 -13- Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. It is also possible to combine several electrical machines according to the invention with m phases or 2 • M phases along an axis of rotation, according to configurations of number of phases and various control, for example: - several machines comprising the same number of phases fed by the same electronics or separate electronics, - several machines comprising a different number of phases. With reference to FIG. 8, it may then be advantageous to combine them so that the last stator lb of a machine 40 and the first stator la of the next machine 41 to which it is attached have substantially the same angular orientation. This makes it possible to further minimize the field in the intermediate yokes 27 between two machines 40, 41. Moreover, when the combined machines 40 and 41 comprise stators 1 of similar angular orientation, the control can be carried out by an inverter which comprises the number of phases of a machine, or at least one inverter driven by a number of control signals equivalent to the number of phases of a machine. According to alternative embodiments: - The windings 4 of the stators 1 may comprise several coils, each arranged around a group of teeth 10 different from said stator 1; The windings 4 of the stators 1 may comprise several coils, each surrounding all or part of the teeth 10 of the stator 1, and being manufactured separately and stacked one on the other in the notches 11; The windings 4 of the stators 1 may consist of coils individually surrounding one tooth 10 out of two; The windings 4 of the stators 1 may consist of coils individually surrounding all the teeth 10; The stators 1 may be made of a material of the SMC type ("Soft Magnetic Composite"), which has the advantage of better heat dissipation (because of its isotropic nature in particular) and high frequencies (above 1500 Hz) interesting; The magnets 20 can be held on the rotors 2 by a support made of a substantially non-magnetic and preferably non-electrically conductive material, such as, for example, Dacron®, another plastic material, or ceramic). Openings are provided in this support, in which the magnets are embedded and fixed (for example by gluing); - The rotors 2 may comprise a central magnetic yoke 15 substantially disc-shaped on which are fixed, on either side and vis-à-vis, magnets 20; With reference to FIG. 5, a magnet 20 on two of the rotor 2 may be replaced by a substantially magnetic material element 30, in which case the rotor 2 comprises alternating magnets 20 and magnetic material elements 30, which magnets 20 are arranged so that their magnetic field (or their axis of magnetization) is substantially parallel to the axis of rotation 3 and their identical polarity; With reference to FIG. 6, the rotor 2 can comprise alternating magnets 20 and magnetic material elements 30, which magnets 20 are arranged in such a way that their magnetic field (or their axis of magnetization) is substantially perpendicular and tangential to the axis of rotation 3, and two magnets 20 flanking a magnetic material member 30 are of opposite polarity, so as to constitute a flux concentration pattern; Intermediate stators 1, that is to say placed between two successive rotors 2, can be made on the basis of a single piece or the same mechanical element having teeth 10 and notches 11 on both of them. faces, then equivalent to the stators lb and la respectively. Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described and many adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention.
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