FR3006124A1 - Rotor de machine electrique a flux axial et machine electrique correspondante - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un rotor (R) pour machine électrique à flux axial, comportant une partie métallique discoïde (CD) amagnétique comportant : - des ouvertures disposées de façon circonférentielle, chacune desdites ouvertures comportant deux bords latéraux radiaux, un bord latéral intérieur et un bord latéral extérieur, - des pôles magnétiques logés chacun entre lesdits bords d'une desdites ouvertures, caractérisé en ce que chacun desdits pôles magnétiques est formé d'aimants parallélépipédiques ou trapézoïdaux oblongs lui donnant une forme de pyramide tronquée rétrécissant vers le bord latéral intérieur de l'ouverture le logeant, ladite pyramide tronquée étant maintenue radialement par des butées saillantes sur le bord latéral extérieur de la dite ouverture, le bord latéral intérieur de ladite ouverture étant espacé du sommet de ladite pyramide d'un entrefer.

Description

Rotor de machine électrique à flux axial et machine électrique correspondante La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l'électrotechnique, et concerne plus précisément un rotor pour machine électrique à flux axial.

Les machines électriques à flux axial à aimants à pôles lisses présentent un intérêt dans la traction d'automobiles électriques et hybrides, de par leur capacité intrinsèque à fournir un couple moteur important, tout en présentant un faible encombrement. Cependant, dans une configuration d'implantation de ce type de machine dans un véhicule hybride par exemple, le rotor et le stator d'une telle machine sont confinés dans un carter, ce qui rend le rotor difficilement refroidissable. Il est donc nécessaire de réduire au maximum l'échauffement du rotor, notamment lorsque celui-ci est constitué d'aimants, qui risquent de se démagnétiser lorsque la température devient trop élevée. Cet échauffement du rotor est dû notamment aux courants de Foucault autour des aimants générés par la rotation de la machine et le découpage du courant nécessaire au pilotage de la machine. Le brevet européen EP1275191 propose une machine à flux axial, dans laquelle le rotor est constitué d'une matière amagnétique et comporte des ouvertures dans lesquelles sont insérés des aimants, les ouvertures étant assez spacieuses pour que la déformation des aimants lors de la rotation de la machine génère moins de contraintes mécaniques. Bien que diminuant les courants de Foucault dans le rotor, cette machine à flux axial ne présente pas un maintien optimal des aimants et nécessite un procédé de fabrication coûteux de par la précision de découpage exigée des aimants et des ouvertures.

Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un rotor pour machine à flux axial et une machine à flux axial comportant un tel rotor, permettant de limiter l'échauffement de la machine dû aux courants de Foucault, tout en limitant son coût de fabrication.

A cette fin, l'invention propose un rotor pour machine électrique à flux axial, comportant : - un moyeu apte à être fixé à un arbre de rotation, - une partie métallique discoïde amagnétique s'étendant radialement et extérieurement audit moyeu, ladite partie discoïde comportant des ouvertures disposées de façon circonférentielle audit moyeu, chacune desdites ouvertures comportant deux bords latéraux radiaux, un bord latéral intérieur et un bord latéral extérieur, - des pôles magnétiques logés chacun entre lesdits bords d'une desdites ouvertures, caractérisé en ce que chacun desdits pôles magnétiques est formé d'aimants parallélépipédiques ou trapézoïdaux oblongs lui donnant une forme de pyramide tronquée rétrécissant vers le bord latéral intérieur de l'ouverture le logeant, ladite pyramide tronquée étant maintenue radialement par des butées saillantes sur le bord latéral extérieur de la dite ouverture, le bord latéral intérieur de ladite ouverture étant espacé du sommet de ladite pyramide d'un entrefer. Grâce à l'invention, les aimants du rotor sont moins coûteux à fabriquer car de forme simple. De plus, ils sont maintenus en rotation écartés d'un entrefer par rapport aux bords extérieurs des ouvertures grâce aux butées pourvues sur ces bords ; en rotation l'entrefer entre les bords intérieurs des ouvertures et les aimants est également maintenu. Ainsi l'efficacité de la machine est augmentée par rapport à l'art antérieur, par la diminution des courants de Foucault qui ne peuvent pas circuler sur le pourtour des aimants. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ledit entrefer a une largeur comprise entre 2% et 10% de la hauteur de la pyramide. De même, en dehors desdites butées, l'espace entre la base de ladite pyramide et le bord latéral extérieur correspondant forme un autre entrefer de largeur comprise de préférence entre 2% et 10% de la hauteur de ladite pyram ide. Une telle largeur d'entrefer comprise entre 2% et 10% de la longueur radiale des pôles magnétiques permet une réduction significative des pertes par courant de Foucault sans réduire la puissance du couple fourni par les aimants. Selon une autre caractéristique avantageuse du rotor selon l'invention, que lesdits bords latéraux radiaux, intérieur et extérieur d'une desdites ouvertures présentent des angles arrondis autour de chacun des angles droits du pôle magnétique logé entre lesdits bords.

Ces angles arrondis permettent un découpage facilité des ouvertures dans la partie discoïde du rotor, tout en atténuant encore les courants de Foucault pouvant circuler sur le pourtour des pôles magnétiques. Selon une autre caractéristique avantageuse, lesdits aimants sont recouverts chacun d'une fine couche de matière isolante. Ainsi on tire profit de la segmentation des pôles magnétiques en plusieurs aimants pour limiter encore les courants de Foucault pouvant circuler entre les aimants. Selon une autre caractéristique avantageuse, la largeur desdits aimants croît de la base de ladite pyramide vers le sommet de ladite pyramide. En effet, les courants de Foucault étant plus importants vers la périphérie du rotor, on adapte la segmentation des aimants à cette variation d'intensité des courants de Foucault pour diminuer ceux-ci, sans augmenter le nombre d'aimants ce qui augmenterait le coût de la machine. Selon encore une autre caractéristique avantageuse, ladite pyramide est formée de trois étages de trois aimants de largeur identique. Cette segmentation permet un rapport optimal entre le coût de fabrication des pôles magnétiques et la diminution des courants de Foucault. Selon encore une autre caractéristique avantageuse, les espaces compris entre lesdits bords d'une ouverture et ledit pôle magnétique logé dans ladite ouverture, sont remplis de colle.

L'insertion de colle dans les interstices entre les ouvertures et les pôles magnétiques permet de fixer axialement les aimants dans les ouvertures. L'invention concerne aussi une machine à flux axial comportant un rotor selon l'invention, et au moins un stator, ledit rotor étant axialement espacé d'un entrefer dudit au moins un stator, celui-ci comportant une couronne circulaire sur laquelle sont angulairement disposées des dents s'étendant axialement vers ladite partie discoïde du rotor, lesdites dents étant axialement entourées de fils conducteurs de bobinages de ladite machine, caractérisé en ce que, lesdits pôles magnétiques dudit rotor et lesdites dents dudit stator étant sensiblement centrés sur la même position radiale par rapport à l'arbre de rotation du rotor, le bord extérieur d'un pôle magnétique est radialement plus loin de l'arbre que le bord extérieur d'une dent du stator, d'une distance comprise entre 2% et 10% de la hauteur radiale d'un desdits pôles, et le bord intérieur d'un pôle magnétique est radialement plus proche de l'arbre que le bord intérieur d'une dent du stator, d'une distance comprise entre 2% et 10% de la hauteur radiale d'un desdits pôles . Cette disposition entre les dents du stator et les pôles magnétiques permet de diminuer les courants de Foucault liés à la fuite de lignes de champ sur les bords des dents et des pôles magnétiques. De préférence, ladite machine comporte deux stators entre lesquels le rotor est positionné.

Une telle machine permet de générer un couple important tout en nécessitant un refroidissement moindre du rotor.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue éclatée axialement d'une machine à flux axial selon l'invention, dans ce mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue de face d'un rotor de la machine selon l'invention, dans ce mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente un détail du rotor selon l'invention, dans ce mode de réalisation de l'invention, - et la figure 4 représente les positions respectives d'une dent de stator de la machine et d'un pôle magnétique du rotor lorsqu'ils se font face, dans ce mode de réalisation de l'invention. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention représenté à la figure 1, la machine électrique à flux axiale selon l'invention comporte un rotor discoïde R représenté ici séparément de ses pôles magnétiques PM qui sont encastrés dans les ouvertures du rotor R lorsque la machine est assemblée. Le rotor R est disposé axialement entre deux stators 51 et S2, et espacé de ceux-ci d'un entrefer. La machine électrique selon l'invention fonctionne en moteur ou en générateur, et est par exemple utilisée comme moteur électrique de traction dans un véhicule hybride. Les stators Si et S2 sont formés de couronnes circulaires en acier électrique enroulées sur elles-mêmes sur lesquelles sont angulairement formées des dents entre lesquelles des encoches de bobinage permettent d'insérer, au montage de la machine, respectivement les bobinages B1 axialement autour des dents du stator Si, et les bobinages B2 axialement autour des dents du stator S2. Les bobinages B1 et B2 sont constitués de fil émaillé permettant de faire circuler le courant faisant fonctionner la machine. Les dents des stators S1 et S2 présentent des becs d'encoche permettant de limiter les variations de couple au passage des encoches de bobinage devant le rotor lorsque la machine est en fonctionnement, et ainsi d'augmenter les performances de la machine. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le diamètre du rotor est d'environ 27 centimètres de diamètre, celui des stators de 26 centimètres environ, et les becs d'encoches sont espacés les uns des autres de 4 millimètres environ.

Les stators S1 et S2 bobinés ainsi que le rotor R sont montés dans un carter formé de deux couvercles Cl et C2 qui sont vissés l'un avec l'autre, et présentent des rainures destinées à faire circuler un liquide de refroidissement au contact des stators S1 et S2. Les couvercles Cl et C2, les stators S1 et S2 et le rotor R présentent un orifice central destinés à recevoir un arbre de rotation (non représenté) auquel est fixé le rotor R de le machine par un moyeu M. En référence à la figure 2, le rotor R est représenté dans sa face perpendiculaire à l'axe de rotation AR de la machine à flux axial selon l'invention. Il comprend le moyeu M auquel est fixé un corps discoïde CD, s'étendant radialement et extérieurement, c'est-à-dire à la périphérie, du moyeu M. Le corps discoïde CD comporte des ouvertures O dans lesquelles sont insérés des pôles magnétiques PM. Ce corps discoïde CD est réalisé en métal amagnétique, afin de minimiser l'influence magnétique du corps discoïde CD sur le champ magnétique de la machine en fonctionnement. De préférence le corps discoïde CD, assimilable à une cage à aimants permanents, est réalisé en acier austénitique. Un tel acier est un acier dont la perméabilité magnétique est proche de celle de l'air. Le corps discoïde CD en acier austénitique n'a ainsi pas d'influence magnétique sur les lignes de champs.

Une vue détaillée DPM d'un pôle magnétique PM inséré entre les bords d'une ouverture O est représentée figure 3. Le pôle magnétique PM de hauteur HPM est formé de neuf aimants Al à A9 parallélépipédiques, disposés depuis la partie la plus interne de l'ouverture O c'est-à-dire la plus proche du moyeu M vers la partie la plus externe de l'ouverture O c'est-à-dire la plus proche de la périphérie du rotor R, dans un ordre croissant de longueur des aimants parallélépipédiques. Ces aimants forment chacun une couche horizontale de même épaisseur d'une pyramide tronquée dont la base est située près d'un bord latéral extérieur BE de l'ouverture O, c'est-à-dire proche de la périphérie du rotor R, et dont le sommet est situé près d'un bord latéral intérieur BI de l'ouverture O, c'est-à- dire proche du moyeu M du rotor R. L'ouverture O comporte également deux autres bords radiaux latéraux à cette pyramide tronquée, qui sont les bords BR1 et BR2. Afin de réduire les courants de Foucault, les bords latéraux extérieur BE et intérieur BI sont éloignés respectivement des aimants Al et A9. Pour cela un entrefer E2 d'environ 2 millimètres est prévu entre le bord latéral extérieur BE de l'ouverture O et l'aimant Al. Cependant, compte-tenu de la nécessité de tenir les efforts liés aux forces centrifuges, le pôle magnétique PM est calé dans sa position radiale par des butées BU venant au contact de l'aimant Al et réalisées sur le bord latéral extérieur BE de l'ouverture O. Dans ce mode de réalisation de l'invention, les butées BU sont de forme arrondie afin de faciliter le découpage du corps discoïde CD, mais en variante ces butées sont réalisables selon une autre forme, par exemple selon une forme de dent rectangulaire, et selon une autre matière non métallique telle que de l'époxy, du composite ou du plastique.

De même un entrefer El d'environ 2 millimètres est prévu entre le bord latéral intérieur BI de l'ouverture O et l'aimant A9. Les entrefers El et E2 ont une largeur comprise entre 2% et 10% de la hauteur HPM du pôle magnétique PM, et de préférence une largeur d'environ 5% de la hauteur HPM du pôle magnétique PM. Afin de limiter les coûts de fabrication de la machine axiale selon l'invention, les pôles magnétiques PM sont formés chacun de neuf aimants de même largeur, la forme pyramidale d'un pôle PM étant obtenue par trois étages de trois aimants de même longueur. En variante il est bien entendu possible d'utiliser plus ou moins d'aimants et d'étages pour obtenir cette forme. De préférence la forme pyramidale obtenue doit permettre de conserver une proximité de contact magnétique entre les dents des stators S1 et S2 et le rotor R. Pour réduire encore plus les pertes par courants de Foucault, en variante l'épaisseur des aimants dans le sens radial croît de la base de la pyramide d'aimants Al à A9 vers le sommet de cette pyramide. Ainsi les aimants A7, A8 et A9 présentent par exemple une même longueur et une même épaisseur, les aimants A4, A5 et A6 présentent une longueur plus importante et une épaisseur plus petite que les aimants A7, A8 et A9, et les aimants A1, A2 et A2 présentent une longueur plus importante et une épaisseur plus petite que les aimants A4, A5 et A6. Afin de rendre la segmentation d'un pôle magnétique PM en plusieurs aimants, il est nécessaire d'isoler électriquement les aimants Al à A9 entre eux. Pour cela chaque aimant Al à A9 est recouvert d'un revêtement isolant tel que de l'époxy, pour garantir cette isolation et assurer la protection des aimants contre l'oxydation. Cette opération est simple pour les aimants Al à A9 qui sont trempés dans un bain d'époxy après leur réalisation. Au contraire dans le cas d'un pôle de forme classique avec des bords intérieur et extérieur en arc de cercle, il faut d'abord fabriquer le pôle, puis le découper pour protéger chacun des morceaux du pôle. Puis une étape de réassemblage du pôle est nécessaire, alors que dans l'invention on forme le pôle seulement après le bain d'époxy. Il est à noter que le découpage du corps discoïde CD ainsi que l'insertion des aimants dans les ouvertures O sont facilités par la forme arrondie des bords des ouvertures O autour de chacun des angles droits de la pyramide d'aimants Al à A9. Après l'insertion des aimants dans les ouvertures O, les interstices compris entre les bords des ouvertures O et les aimants Al à A9, sont remplis de colle afin de maintenir axialement les aimants Al à A9.

Sur la figure 4 est représenté une dent DS d'un des stators 51 ou S2, superposée à un pôle magnétique PM. Les pôles magnétiques PM et les dents des stators 51 et S2 étant sensiblement centrés sur la même position radiale par rapport à l'axe de rotation AR de la machine, chaque pôle magnétique PM passe devant une dent de stator selon le positionnement représenté sur la figure 4 lorsque la machine est en fonctionnement. Les pôles magnétiques PM ont une hauteur radiale HPM plus longue que la longueur radiale d'une dent DS du stator 51 ou S2, laissant, au passage d'un pôle magnétique PM devant une dent DS du stator 51 ou S2: - un espace DE entre la base de la pyramide d'aimants Al à A9 formant le pôle magnétique PM et le bord extérieur de la dent DS, c'est-à-dire son bord le plus éloigné de l'axe de rotation de la machine, - et un espace AI entre le sommet de la pyramide d'aimants Al à A9 formant le pôle magnétique PM et le bord intérieur de la dent DS, c'est-à-dire son bord le moins éloigné de l'axe de rotation de la machine. Ces espaces DE et AI permettent d'éviter les aimants Al à A9 de générer des fuites de lignes de champ vers les bords des dents statoriques. Pour être efficaces, les pôles magnétiques PM débordent par rapport aux dents DS d'espaces DE et AI d'environ deux millimètres d'épaisseur. Ces espaces ont une largeur comprise entre 2% et 10% de la hauteur HPM d'un pôle magnétique, et de préférence d'environ 5% de la hauteur HPM d'un pôle magnétique.

Il est à noter que dans ce mode de réalisation de l'invention, la machine à flux axial selon l'invention comporte deux stators, mais d'autres modes de réalisation de l'invention sont envisageables, dans lesquels par exemple la machine à flux axial selon l'invention n'a qu'un stator, comprenant ou non des becs d'encoches. De même il est également envisageable de réaliser un rotor selon l'invention avec des pôles légèrement différents, par exemple encapsulés chacun dans un support en plastique venant s'insérer dans les ouvertures O du rotor, ou comportant des aimants oblongs mais non parallélépipédiques, par exemple coupés en biseau sur leurs bords pour accentuer la forme pyramidale des pôles. Un nombre différent d'aimants par étage de chaque pôle est également envisageable, par exemple deux aimants pour l'étage le plus interne au rotor, trois aimants pour l'étage intermédiaire et quatre aimants pour l'étage le plus périphérique au rotor. Cela permet de diminuer l'épaisseur des aimants au fur et à mesure depuis le sommet d'une pyramide correspondant à un pôle vers la base de cette pyramide tout en gardant des étages de même largeur et donc de ne pas complexifier la fabrication des ouvertures dans le rotor.25