FR2997243A1

FR2997243A1 - Dispositif de rotor de machine electrique rotative

Info

Publication number: FR2997243A1
Application number: FR1360157A
Authority: FR
Inventors: Steven Andrew Evans; Armin Stubner; Stefan Demont; Norbert Martin; Jihad Bsul; Dominik Jung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2014-04-25
Also published as: CN103779990A; CN103779990B; DE102012219003A1

Abstract

Dispositif de rotor (4), de machine électrique rotative (1) comprenant deux pièces polaires notamment en forme de segment cylindrique (42) pour composer un dispositif de rotor cylindrique (4) autour d'une région de retour magnétique. Un logement (6) reçoit un aimant permanent (7) prévu entre les pièces polaires (42), dont au moins l'une est tenue par une entretoise (43) en biais par rapport à la direction radiale sur la région de retour de flux (44). Cette entretoise s'étend à partir de l'axe radial central de la pièce polaire vers la région de retour de flux magnétique.

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de rotor d'une machine électrique rotative notamment d'une machine électrique rotative excitée par aimant permanent et comportant des dispositifs de rotor avec des logements répartis sur une disposition rayon pour rece- voir les aimants permanents. Etat de la technique Les machines électriques excitées par des aimants per- manents sont connues selon l'état de la technique comme machines synchrone ou machines à courant continu. En particulier, pour des machines à rotor intérieur, on utilise souvent une construction de rotor avec des aimants permanents disposés suivant des rayons entre les pièces polaires du rotor et dont la direction polaire est dans la direction tangentielle. L'avantage principal d'aimants permanents disposés comme des rayons réside dans la densité de flux dans l'entrefer qui est plus forte que la rémanence des aimants permanents. Cela s'obtient notamment par un grand nombre de pièces polaires avec des aimants permanents interposés, si bien que la largeur radiale des aimants permanents est plus grande que la largeur tangentielle des pièces polaires entre les aimants permanents. Cette disposition permet de concentrer le flux dans les entrefers. Le dispositif de rotor décrit ci-dessus est souvent utilisé en combinaison avec des aimants permanents économiques sans combinaison de Terres Rares, qui ont une rémanence relativement faible par comparaison à celles des aimants en Terres Rares. Les aimants écono- miques peuvent être fabriqués en des ferrites, fritées de la sixième génération de sorte qu'en liaison avec la disposition sous la forme de rayon leur faible rémanence permet d'obtenir une forte densité de flux dans l'entrefer que l'on obtiendrait dans d'autres conditions que par des ai- mants de Terres Rares montés en surface et ayant une rémanence plus élevée. Un inconvénient de ce dispositif de rotor est qu'une partie relativement importante du flux produit par les aimants permanents est perdue comme flux de fuite dans la région de retour de flux à l'intérieur du dispositif de rotor. Ce flux perdu ne traverse pas l'entrefer et ne par- ticipe pas dans ces conditions au développement du couple. Dans une disposition rayonnante, ce flux perdu peut représenter jusqu'à 20 `)/0 du flux produit par les aimants permanents. Le flux perdu est court-circuité par la région de retour de flux relié aux pièces polaires par de minces entretoises radiales. La liaison entre la région de retour de flux et les patins polaires a en principe l'avantage que les lamelles de tôle pour la réalisation du rotor peuvent être en une seule pièce. La surface de la section des entretoises radiales doit toutefois être aussi réduite que possible pour réduire la fraction du flux de court-circuit traversant la région de retour de flux et donner néanmoins une résistance méca- nique suffisante ou vitesse de rotation élevée et un couple important. Les aimants permanents en ferrites fritées ont une intensité de champ coercitif relativement faible qui est en général compensé par une augmentation de l'épaisseur dans la direction de leur anisotro- pie de la matière et de l'aimantation pour agir contre une désaimanta- tion irréversible par l'action du champ magnétique du stator. En outre, dans une telle disposition rayonnante des aimants permanents, on a deux entrefers dans le chemin du flux pour chaque aimant permanent. Pour néanmoins avoir un flux élevé dans l'entrefer, il faut des aimants permanents souvent plus épais (dans la direction polaire) que les ai- mants permanents en ferrites avec une direction polaire parallèle à celle du champ magnétique dans l'entrefer et qui, du fait de leur construction n'ont qu'un entre-faire dans leur chemin de flux. Pour une disposition rayonnante l'épaisseur des aimants permanents est dans la direction tangentielle de sorte que toute aug- mentation de l'épaisseur des aimants permanents diminue la longueur des aimants permanents dans la direction radiale pour un diamètre prédéfini du rotor et pour un nombre donné de pôle. Une réduction de la longueur radiale des aimants permanents augmente néanmoins le volume non utilisable entre les aimants permanents et la région de re- tour de flux ce qui augmente également la longueur radiale des entretoises servant à tenir les pièces polaires et réduit leur tenue mécanique. Le document DE 10 2009 026 524 Al décrit un dispositif de rotor de machines électriques dont les pièces polaires sont tenues par des entretoises issues des côtés de la pièce polaire et dirigées radialement par rapport à la direction radiale du dispositif de rotor. But de l'invention La présente invention a pour but d'améliorer le dispositif de rotor par une meilleure tenue mécanique sans augmenter le flux de fuite et de conserver la longueur radiale effective des aimants permanents ou augmenter cette longueur sans avoir à réduire l'épaisseur des aimants permanents. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de rotor de machine électrique rotative comprenant au moins deux pièces polaires notamment en forme de segment cylindrique pour composer un dispositif de rotor cylindrique autour d'une région de retour magnétique, un logement pour recevoir un aimant permanent étant prévu entre les pièces polaires, au moins l'une des pièces polaires est tenue par au moins une entretoise en biais par rapport à la direction radiale sur la région de retour de flux, cette entretoise s'étendant à partir de l'axe radial central de la pièce polaire vers la région de retour de flux magnétique.

Une caractéristique du dispositif de rotor selon l'invention est que l'entretoise habituellement radiale pour tenir les différentes pièces polaires est remplacée par une ou plusieurs entretoises orientées en biais par rapport à la direction radiale et reliant la pièce polaire à la région de retour de flux. Cela permet aux entretoises de mieux absorber la force agissant dans la direction du dispositif de pièces polaires c'est-à-dire dans la direction tangentielle. En particulier dans le cas de machines électriques rotatives cette disposition des entretoises permet de recevoir à la fois une force de traction exercée par la force centrifuge et aussi une force tangentielle produite par une force d'accélération ou de freinage et agissant sur le rotor de la machine élec- trique. Globalement, il est possible de rendre plus régulière les contraintes exercées sur les entretoises et en particulier d'exclure, de générer un gradient de contraintes (contraintes en compression et en même temps en traction) dans les entretoises. Cette disposition d'au moins une entretoise sur l'axe central de la pièce polaire forme une structure de treillis triangulaire qui a une stabilité mécanique particulière. Suivant une autre caractéristique, la pièce polaire est te- nue par deux entretoises qui font toutes deux le même angle par rap- port à la direction radiale mais dans des directions opposées par rapport à la région de retour de flux. Suivant une caractéristique, les deux pièces polaires sont tenues par des entretoises qui se rejoignent et se rencontrent dans la région de retour de flux.

En outre, la pièce polaire est tenue par une autre entre- toise qui s'étend dans la direction radiale par rapport à la région de retour de flux. Les arrêtes intérieures formées par les entretoises qui se rejoignent peuvent être arrondies pour améliorer la réception des efforts dans les régions de fortes contraintes mécaniques. Le logement peut recevoir un aimant permanent dont la direction d'aimantation est principalement orientée dans la direction de la disposition de la pièce polaire. Suivant une autre caractéristique, l'aimant permanent n'est placé que dans un premier segment du logement et ce premier segment s'étend dans la direction radiale de l'extrémité de la pièce polaire reliée à cette entretoise jusqu'à proximité de l'extrémité de la pièce polaire opposée dans la direction radiale. Selon un développement, l'aimant permanent est placé dans le premier segment de logement et dans un second segment de logement, ce dernier se trouvant entre le premier segment de logement et les entretoises issues des pièces polaires adjacentes au premier segment de logement et qui sont dirigées l'une vers l'autre. Grâce à cette disposition, on peut augmenter encore plus la densité du flux dans l'entrefer et ainsi la densité du couple de la machine électrique si le segment du logement formé entre les entretoises est rempli avec un aimant permanent de forme appropriée. Selon un autre développement, l'invention porte sur une machine électrique ayant un dispositif de stator ainsi qu'un dispositif de rotor tel que défini ci-dessus.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de dispositifs de rotor de machines électriques rotatives représentés schématiquement dans les dessins an- nexés dans lesquels : - la figure 1 est une section d'une machine électrique ayant un dispositif de rotor selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue détaillée de la section de la machine électrique de la figure 1 avec une représentation des lignes de champs magnétiques, - la figure 3 est une section d'un autre dispositif de rotor d'une machine électrique, - la figure 4 est une vue détaillée d'un extrait du dispositif de rotor de la figure 3 montrant les lignes de champs magnétiques, - la figure 5 est une section d'un autre dispositif de rotor de machines électriques. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre une vue en coupe schématique d'une machine rotative 1 à rotor intérieur et excitation par aimant permanent. La machine électrique 1 a un stator 2 de forme cylindrique. Le stator 2 comporte une région cylindrique 21 de retour de flux d'où sont issues de manière équidistante dans la direction périphériques, des dents de stator 22 orientées radialement vers l'intérieur et dont les extrémités dirigées vers l'intérieur définissent également une cavité intérieure 3 de forme cylindrique. Les dents 22 du stator ont des têtes de dents 23 au niveau de leur extrémité radiale intérieure. Ces têtes de dents ont un contour extérieur concave, sensiblement en forme d'arc de cercle. Les dents de stator 22 sont munies de bobines de stator (non représentées) pour générer le champ magnétique du stator lorsque des bobines sont alimentées. La cavité 3 reçoit un rotor 4 également de forme cylindrique qui est monté mobile en rotation sur un arbre 5. Le rotor 4 a un corps 41 muni de pièces polaires 42 reliées par des entretoises 43 à une région de retour de flux 44 portée par l'arbre 5.

Des logements 6 se trouvent entre les pièces polaires 42. Ces logements reçoivent les aimants permanents 7. Les poches 6 s'étendent pour l'essentiel longitudinalement dans la direction radiale à partir sensiblement de la périphérie extérieure du rotor 4 vers la région de retour de flux 44 du rotor 4. Pour limiter vers l'extérieur les logements 6 dans la direction radiale, les pièces polaires 42 ont des parties en relief 45 qui chevauchent les aimants permanents 7 placés dans les logements 6 et tiennent celles-ci en toute sécurité contre l'éjection par la force centri- fuge liée à la rotation du rotor 4. La machine électrique 1 fonctionne par exemple comme moteur électrique et pour cela les bobines de stator sont alimentées de façon à générer un champ magnétique tournant dans le stator qui coopère avec le champ magnétique d'excitation généré par les aimants permanents 7 et les pièces polaires 42 pour générer ainsi un couple ap- pliqué au rotor 4. Les aimants permanents 7 sont habituellement réalisés par compression de poudre de ferrites, suivie de frittage ; pendant la compression des ferrites, on applique un champ magnétique pour don- ner aux ferrites une anisotropie d'aimantation et ensuite on aimante la matière fritée dans la direction de l'anisotropie. Les aimants permanents 7 ont de préférence une forme de parallélépipède avec une direction polaire dans la direction tangentielle, c'est-à-dire perpendiculairement aux surfaces limites entre les pièces polaires 42 et les logements 6. Les entretoises 43 qui tiennent les pièces polaires 42 contre la région de retour de flux 44 sur l'arbre 5 sont dirigées en biais par rapport à la direction radiale du rotor 4. Toutes les entretoises 43 sont issues de l'extrémité E de la pièce polaire 42 respective la plus proche de la région de retour de flux 44. L'extrémité E de la pièce po- laire 42 la plus proche de la région de retour de flux 44 se trouve sur l'axe M radial de la pièce polaire 42. En particulier chaque pièce polaire 42 est tenue par deux entretoises 43 qui, partant de l'extrémité de la pièce polaire 42 tournée vers la région de retour de flux 44 s'étendent en biais dans la direction radiale du rotor 4 vers la région de retour de flux 44 de l'arbre 5 dans des directions tangentielles opposées (directions de disposition opposées des pièces polaires). En particulier, les angles par lesquels les entretoises 43 tiennent l'une des pièces polaires 42 sont les mêmes dans la direction radiale. Les entretoises 43 dirigées en biais donnent au loge- ment 6 recevant l'aimant permanent 7 une section de pentagone composée d'une première région 61 de logement de section rectangulaire et d'une seconde région de logement 62 de section triangulaire dans la région de l'entretoise 43.

Selon un développement préférentiel, les entretoises 43 qui tiennent les pièces polaires voisines 42 sont dirigées dans la direction de la région de retour de flux 44 pour se rencontrer par leurs extrémités reliées à la région de retour de flux 44. On réalise ainsi une structure de treillis triangulaires mécaniquement très stable qui a une très grande tenue mécanique dans la direction radiale et dans la direc- tion tangentielle. La figure 2 montre le champ magnétique du dispositif de rotor produit par les aimants permanents 7 sans alimentation des bobines de stator. Environ les 80 `)/0 du flux magnétique produit par les aimants permanents 7 traversent l'entrefer et participe alors au couple. Les autres 20 `)/0 sont court-circuités dans les entretoises magnétiques 43 et dans la région de retour de flux magnétique 44 du dispositif de rotor. Pour réduire les contraintes mécaniques dans les transi- tions des entretoises 43 et de la pièce polaire 42 correspondante ou de la région de retour de flux magnétique 44, on peut les munir d'arrêtes arrondies. En particulier, les deux extrémités des entretoises 43 sui se rencontrent entre deux pièces polaires 42 auront une arrête intérieure arrondie.

Les contraintes maximales des entretoises 43 sont consi- dérablement réduites grâce à la disposition ci-dessus car ces contraintes sont réparties régulièrement dans toute la section des entretoises 43. Le dispositif de rotor devient ainsi beaucoup plus rigide pour absorber les forces radiales et les forces tangentielles produites par accélérations et les décélérations par la rotation du dispositif de rotor. En même temps, un dimensionnement approprié de la section des entretoises 43, maintient le flux de fuites passant par la région de retour de flux 44 au niveau connu selon l'état de la technique.

La figure 3 montre un dispositif de rotor, qui à la diffé- rence du mode de réalisation de la figure 1, a des aimants permanents 7 qui ne sont pas de forme parallélépipédique mais ont une section correspondant à un pentagone irrégulier de sorte que la logement 6 formés par les côtés de la pièce polaire 42 et de l'entretoise 43 est complète- ment rempli par la section des aimants permanents 7. Ainsi, on remplit avec de la matière magnétique active la région entre les aimants permanents 7 et les entretoises 43 qui antérieurement étaient inactives. Les aimants permanents 7 ainsi réalisés sont en une pièce ou en plusieurs pièces.

Le flux magnétique produit par le segment de l'aimant permanent 7 de la seconde région 62 du logement sature l'entretoise voisine 43, si bien qu'une partie plus faible du segment de l'aimant permanent 7 qui se trouve dans la première région de logement 61 suffit. Ainsi, une plus grande partie du segment de l'aimant permanent 7 qui se trouve dans la première région de logement 61 peut fournir le flux magnétique dans l'entrefer pour arriver à une plus forte densité de couple de la machine électrique 1. La figure 4 montre le flux de fuite passant dans l'entretoise 43 par des lignes du champ magnétique produit par l'aimant permanent 7 du logement 6. Dans l'exemple présenté, la partie du flux magnétique généré par l'aimant permanent 7 dans la première région de logement 61 et qui passe par l'entrefer a été augmenté de plus de 10 `)/0 par comparaison avec le mode de réalisation de la figure 1. Globalement, on a ainsi une machine électrique axialement moins longue pour une même puissance. La figure 5 montre une variante de réalisation du dispositif de rotor tenu par trois entretoises pour chaque pièce polaire 42 au niveau de l'extrémité tournée vers la région de retour de flux. En plus, des entretoises 43 inclinée par rapport à la direction radiale selon les modes de réalisation des figures 1 et 3, il n'est prévue qu'une autre en- tretoise 46 qui passe radialement entre l'extrémité de la pièce polaire 42 la plus proche de la région de retour de flux 44 et cette région de retour de flux 44. Cela permet de répartir les contraintes mécaniques entre les trois entretoises 43 et en même temps d'absorber les efforts tangentiels.

Les structures triangulaires produites par la fixation avec les trois en- tretoises 43 peuvent comporter des arrêtes intérieures ou des cavités arrondies comme cela a été décrit pour les modes de réalisation des figures 1 et 3.10

Claims

REVENDICATIONS1°) Dispositif de rotor (4), de machine électrique rotative (1) comprenant au moins deux pièces polaires notamment en forme de segment cylindrique (42) pour composer un dispositif de rotor cylindrique (4) autour d'une région de retour magnétique, - un logement (6) pour recevoir un aimant permanent (7) étant prévu entre les pièces polaires (42), - au moins l'une des pièces polaires (42) est tenue par au moins une entretoise (43) en biais par rapport à la direction radiale sur la région de retour de flux (44), - cette entretoise s'étendant à partir de l'axe radial central de la pièce polaire vers la région de retour de flux magnétique.
2°) Dispositif de rotor (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins l'une des pièces polaires (42) est tenue par deux entretoises (43) qui s'étendent suivant le même angle dans des directions tangentielles opposées par rapport à la région de retour de flux (44) par rapport à la direction radiale.
3°) Dispositif de rotor (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux pièces polaires (42) sont tenues par des entretoises (43) qui se rejoignent et se rencontrent dans la région de retour de flux (44).
4°) Dispositif de rotor (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins l'une des pièces polaires (42) est tenue par une autre entretoise (46) s'étendant radialement vers la région de retour de flux (44) à partir de l'axe central de la pièce polaire (42).
5°) Dispositif de rotor (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les arrêtes intérieures des entretoises (43) qui se rejoignent sont arron- dies.6°) Dispositif de rotor (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le logement (6) reçoit un aimant permanent (7) dont la direction d'aimantation est alignée principalement dans la direction du dispositif de pièces polaires (42). 7°) Dispositif de rotor (4) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'aimant permanent (7) ne se trouve que dans un premier segment (61) du logement dans la direction radiale de l'extrémité de la pièce polaire (42) reliée à l'entretoise (43) jusqu'à proximité de l'extrémité de la pièce polaire (42) en regard dans la direction radiale. 8°) Dispositif de rotor (4) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'aimant permanent (7) est logé dans le premier segment (61) et dans un second segment (62) du logement, le second segment du logement se trouvant entre le premier segment (61) et les entretoises (43) issues des patins polaires (42) adjacents au premier segment de logement (61) et dirigées l'une vers l'autre. 9°) Dispositif de rotor (4) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les aimants permanents (7) sont plus longs dans la direction radiale que dans la direction tangentielle et ils sont notamment disposés dans le rotor à la manière de rayon, de préférence radialement vers les logements ouverts vers l'extérieur. 10°) Machine électrique (1) comportant un dispositif de stator (2) et un dispositif de rotor (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant au moins deux pièces polaires notamment en forme de segment cylindrique (42) pour composer un dispositif de rotor cylindrique (4) autour d'une région de retour magnétique, - un logement (6) pour recevoir un aimant permanent (7) étant prévu entre les pièces polaires (42),- au moins l'une des pièces polaires (42) est tenue par au moins une entretoise (43) en biais par rapport à la direction radiale sur la région de retour de flux (44), et s'étendant à partir de l'axe radial central de la pièce polaire vers la région de retour de flux magnétique. 10