FR3006824A1 - Rotor de machine electrique tournante et machine electrique tournante comprenant un tel rotor - Google Patents

Abstract

Le rotor (1) selon l'invention comprend une pluralité d'aimants permanents (3) agencés dans des premiers évidements (4) se prolongeant axialement et répartis régulièrement entre une partie circonférentielle (5) et une partie centrale (6) de la masse magnétique (2) du rotor, de manière à définir une pluralité de sections polaires (11) circonférentielles. Les aimants comportent chacun une première partie (7) proche de la partie circonférentielle adjacente à une seconde partie (8) proche de la partie centrale, cette première partie (7) présentant une première section radiale rectangulaire d'une première largeur (L1) prédéterminée dans une direction circonférentielle. Conformément à l'invention, la seconde partie (8) présente une seconde section radiale rectangulaire d'une seconde largeur (L2) prédéterminée dans une direction circonférentielle, la seconde largeur (L2) étant inférieure à la première largeur (L1).

Description

ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE ET MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE COMPRENANT UN TEL ROTOR DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un rotor à aimants permanents destiné à une machine électrique tournante. L'invention concerne également une machine électrique tournante comprenant un rotor de ce type, notamment pour des applications comme moteur 10 électrique de traction dans des véhicules automobiles électriques et hybrides. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION De par leurs performances accrues en termes de rendement et de puissance massique et volumique, les machines synchrones à aimants permanents trouvent 15 aujourd'hui une large application dans le domaine des véhicules automobiles. Ces machines électriques sont réalisables dans une large gamme de puissance et de vitesse et trouvent des applications aussi bien dans les véhicules de type « tout électrique » que dans les véhicules à bas CO2 de types dits « mildhybrid » et « full-hybrid » (en terminologie anglaise). 20 Les applications « mild-hybrid » concernent généralement des machines électriques de l'ordre de 8 à 15 KW, par exemple, un moteur électrique monté en face avant d'un moteur thermique et couplé à celui-ci par une courroie de transmission. Il est possible avec un tel moteur électrique de réduire la cylindrée de la motorisation thermique (« engine downsizing » en terminologie anglaise) en 25 prévoyant une assistance électrique en couple qui fournit un appoint de puissance, notamment lors des reprises. De plus, une traction à faible vitesse, par exemple en environnement urbain, peut également être assurée par ce même moteur électrique. Les applications de type « full-hybrid» concernent généralement des moteurs 30 de 30 à 50 KW pour des architectures de type série et/ou parallèle avec un niveau d'intégration plus abouti du ou des moteurs électriques dans la chaîne de traction du véhicule. Les remarquables performances des machines à aimants permanents actuelles sont pour une grande part dues aux développement des aimants aux 35 terres rares tels que les aimants de type Néodyme-Fer-Bore (NeFeB), Samarium- 3006 824 - 2 - Fer (SmFe), ou Samarium-Cobalt (SmCo), qui peuvent présenter des rémanences dépassant le tesla. Cependant, des machines à aimants permanents comprenant un rotor présentant une structure dite "à concentration de flux" avaient de longue date 5 permis d'obtenir des flux magnétiques importants avec des aimants de moindre rémanence, par exemples des aimants obtenus à partir de ferrites frittées ou liées. Une conjoncture géo-politique défavorable ayant entraîné un fort renchérissement des aimants aux terres rares, la mise en oeuvre exclusive de ce type d'aimants dans un rotor de machine électrique destinée aux applications de l'automobile n'est plus économiquement rentable, et l'utilisation des ferrites a reçu récemment un regain d'attention. Mais la rémanence d'une ferrite étant plus faible que celle d'un aimant aux terres rares, il est nécessaire d'augmenter le volume de l'aimant en ferrite pour obtenir un flux magnétique équivalent.

Cette contrainte magnétique étant imposée, il va de soi que le volume des aimants en ferrite ne peut être accrû indéfiniment dans un rotor ayant une taille donnée. Dans la demande internationale W020130600960 de la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR, il est proposé de donner aux aimants une forme sensiblement trapézoïdale en direction de l'axe du rotor, de manière à maximiser le volume de ferrite dans le rotor et à maximiser par conséquent le rendement électrique de la machine. Cependant la forme complexe des aimants tend à augmenter les coûts de fabrication et à faire perdre le bénéfice du moindre coût des ferrites.

De plus, la forme en coin des aimants, en ne laissant subsister dans la masse magnétique du rotor entre les aimants qu'une mince cloison pour maintenir radialement les sections polaires, tend à compromettre la tenue mécanique du rotor aux efforts centrifuges.

DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est donc d'optimiser le volume des aimants d'un rotor pour maximiser le rendement de la machine dans la perspective ouverte par l'enseignement de la précédente demande citée ci-dessus de la société demanderesse, tout en palliant certains inconvénients de la structure de rotor antérieure. - 3 - Elle a précisément pour objet un rotor de machine électrique tournante comprenant une pluralité de pôles Nord et pôles Sud alternés et formés à partir d'une pluralité d'aimants permanents agencés dans des premiers évidements. Ces premiers évidements se prolongent axialement et sont répartis 5 régulièrement entre une partie circonférentielle et une partie centrale de la masse magnétique du rotor de manière à définir une pluralité de sections polaires circonférentielles. Les aimants permanents du type de rotor dont il s'agit comportent chacun une première partie proche de la partie circonférentielle adjacente à une seconde 10 partie proche de la partie centrale, cette première partie présentant une première section radiale rectangulaire d'une première largeur prédéterminée dans une direction circonférentielle. Le rotor selon l'invention est remarquable en ce que cette seconde partie présente une seconde section radiale rectangulaire d'une seconde largeur 15 prédéterminée dans une direction circonférentielle, la seconde largeur étant inférieure à la première largeur. Le rotor selon l'invention est de plus remarquable en ce qu'il comprend en outre une pluralité de seconds évidements se prolongeant axialement et agencés chacun entre deux exemplaires consécutifs des aimants au niveau de la seconde 20 partie. Ces seconds évidements délimitent avantageusement des paires de nervures se prolongeant axialement et maintenant radialement les sections polaires. Alternativement ou simultanément, ces seconds évidements présentent chacun de préférence une coupe radiale sensiblement triangulaire.

25 Dans le rotor de machine électrique tournante selon l'invention, les aimants se présentent avantageusement chacun sous la forme d'un ensemble monobloc, de préférence constitué de ferrite moulée. Alternativement, de préférence, la première partie est formée d'un premier barreau aimanté et la seconde partie est formée d'un second barreau aimanté.

30 Les premier et second barreaux aimantés sont avantageusement constitués de ferrite, mais, alternativement le premier barreau aimanté est constitué fort avantageusement de ferrite et le second barreau aimanté est constitué d'un matériau comprenant au moins une terre rare, de préférence du néodyme. On tirera bénéfice du fait que la partie circonférentielle est ouverte 35 radialement, au moins partiellement, en regard des aimants permanents. - 4 - L'invention concerne également une machine électrique tournante qui comprend un rotor présentant les caractéristiques ci-dessus. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par le rotor de machine électrique tournante selon 5 l'invention, ainsi que par la machine électrique correspondante, par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte 10 une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La Figure 1 montre une vue en coupe radiale simplifiée d'un rotor à aimants permanents selon l'invention.

15 DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION La coupe radiale simplifiée d'un rotor 1 à aimants permanents dans un mode de réalisation préféré de l'invention, représentée sur la Figure 1, montre bien l'agencement dans la masse magnétique 2 des aimants permanents 3 dans des 20 premiers évidements 4 répartis régulièrement entre une partie circonférentielle 5 et une partie centrale 6 de manière à former une pluralité de pôles Nord N et pôles Sud S alternés. Une réalisation concrète d'une machine comprenant un tel rotor est par exemple un moteur/génératrice de 8 à 15 KW pour des applications dans des 25 véhicules automobiles du type dits «mild-hybrid». Dans son mode de fonctionnement en moteur cette machine peut être conçue pour le démarrage du moteur thermique, l'assistance en couple du moteur thermique ainsi que pour la traction électrique à faible vitesse du véhicule. Dans une forme de réalisation particulière de cette machine, un rotor 1 30 comportant dix aimants permanents 3 tourne à l'intérieur d'un stator (non représenté) ayant une pluralité d'encoches. Le stator et le rotor 1 sont réalisés de manière classique avec des paquets de tôles métalliques formant des masses magnétiques 2. Les encoches du stator sont prévues pour recevoir des bobinages 35 statoriques (non représentés) et forment entre elles une pluralité de dents - 5 - statoriques. Selon les formes de réalisation, les encoches seront prévues pour loger des bobinages concentrés, bobinés sur des grosses dents, ou bien des bobinages distribués. Les bobinages statoriques sont parcourus par un courant statorique et créent 5 un champ magnétique tournant entraînant le rotor 1. Le couple moteur fourni dépend notamment de l'intensité du courant statorique et du flux magnétique dans le rotor 1. Ainsi que cela a été expliqué en préambule, le remplacement des aimants aux terres rares par des aimants en ferrite nécessite des aimants plus volumineux 10 pour obtenir un flux magnétique similaire dans le rotor 1. Dans la perspective de conserver un même couple moteur pour une même intensité statorique, le volume des aimants en ferrite doit donc être maximisé. Une solution à ce problème, déjà proposée par la société demanderesse, consiste à mettre en oeuvre des barreaux aimantés biseautés au voisinage de la 15 partie centrale 6 du rotor 1. Ainsi que cela a déjà été indiqué en préambule, cette solution présente des inconvénients au plan des coûts de fabrication et au plan mécanique, et n'est pas optimale. Dans le but maximiser le volume des aimants 3 tout en palliant les 20 inconvénients précités, l'invention propose donc de donner une forme étagée aux aimants 3. De la sorte, les aimants 3 occupent un volume important de la masse magnétique 2 du rotor 1 aussi bien au voisinage de la partie circonférentielle 5 qu'au voisinage de la partie centrale 6, comme le montre bien la Figure 1.

25 Cette forme étagée est réalisée avantageusement par des aimants 3 comportant chacun une première partie 7 proche de la partie circonférentielle 5 du rotor 1 adjacente à une seconde partie 8 proche de la partie centrale 6. La première partie 7 est formée par un premier barreau aimanté présentant une première section droite rectangulaire et la seconde partie 8 est formée par un 30 second barreau aimanté, juxtaposé radialement au premier en direction de la partie centrale 6. Les barreaux aimantés 7, 8 de section rectangulaire sont des fournitures industrielles standard qui sont fabriquées en grande quantité dans des dimensions diverses et en matériaux variés, selon l'aimantation rémanente requise, par 35 l'industrie. - 6 - La fabrication du rotor 1 bénéficie donc des économies d'échelle résultant de la production en très grande série de son élément principal. Le second barreau aimanté 8, étant le plus proche de la partie centrale 6, est d'une seconde largeur L2 (dans une direction circonférentielle) inférieure à une 5 première largeur L1 du premier barreau aimanté 7. Comme le montre bien la Figure 1, des seconds évidements 9 sont agencés entre les aimants 3 au niveau de la seconde partie 8 de ceux-ci Ces seconds évidements 9, de coupe droite sensiblement triangulaire, délimitent des paires de nervures 10 qui maintiennent radialement une pluralité de 10 sections polaires 11 circonférentielles entre les aimants 3. Le doublement des éléments de maintien 10 des sections polaires 11, par rapport à la languette unique située entre les aimants de l'état de la technique antérieur, permet une augmentation de la tenue du rotor 1 aux efforts centrifuges. En outre, ces seconds évidements 9 contribuent au contrôle du champ 15 magnétique dans le rotor 1. Dans le même but, les premiers évidements 4 du rotor 1 selon l'invention comportent de préférence des ouvertures 12 vers la périphérie de la masse magnétique 2. Ces ouvertures ont pour effet d'augmenter la réluctance de ces parties du 20 circuit magnétique, et donc de limiter le flux de fuite des aimants 3, tout en contribuant à la diminution de la masse de la partie circonférentielle 5 du rotor 1, ce qui permet d'augmenter la masse des aimants 3 tout en restant dans la limite des contraintes mécaniques supportées par les nervures 10. Le premier barreau aimanté 7, le plus volumineux, est avantageusement 25 constitué de ferrite, tandis que le second barreau aimanté 8, moins volumineux, peut être d'un type aux terres rares, notamment au néodyme, sans une grande incidence sur le coût. Alternativement, les premier et second barreaux aimantés 7, 8 sont tous les deux constitués de ferrite pour les applications les moins exigeantes.

30 Alternativement encore, dans des applications particulières, les aimants 3 se présentent sous la forme d'un ensemble monobloc en ferrite moulée. La forme étagée des aimants 3 selon l'invention, permet, en coopération avec la forme triangulaire des seconds évidements 9, de créer les paires de nervures 10 indispensables au renforcement de la tenue mécanique du rotor 1.

35 Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes de - 7 - réalisation préférentiels décrits ci-dessus. D'autres modes de réalisation, basés sur des formes étagées plus complexes que celles spécifiées ci-dessus, ne sortiraient pas du cadre de la présente invention dans la mesure où ils résultent des revendications ci-après.5

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1) Rotor (1) de machine électrique tournante comprenant une pluralité de pôles Nord (N) et pôles Sud (S) alternés et formés à partir d'une pluralité d'aimants permanents (3) agencés dans des premiers évidements (4) se prolongeant axialement et répartis régulièrement entre une partie circonférentielle (5) et une partie centrale (6) de la masse magnétique (2) dudit rotor (1) de manière à définir une pluralité de sections polaires (11) circonférentielles, lesdits aimants permanents (3) comportant chacun une première partie (7) proche de ladite partie circonférentielle (5) adjacente à une seconde partie (8) proche de ladite partie centrale (6), ladite première partie (7) présentant une première section radiale rectangulaire d'une première largeur (L1) prédéterminée dans une direction circonférentielle, caractérisé en ce que ladite seconde partie (8) présente une seconde section radiale rectangulaire d'une seconde largeur (L2) prédéterminée dans une direction circonférentielle, ladite seconde largeur (L2) étant inférieure à ladite première largeur (L1).
2. 2) Rotor (1) de machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de seconds évidements (9) se prolongeant 20 axialement et agencés chacun entre deux exemplaires consécutifs desdits aimants (3) au niveau de ladite seconde partie (8).
3. 3) Rotor (1) de machine électrique tournante selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits seconds évidements (9) délimitent des paires de nervures (10) se 25 prolongeant axialement et maintenant radialement lesdites sections polaires (11).
4. 4) Rotor (1) de machine électrique tournante selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits seconds évidements (9) présentent chacun une coupe radiale sensiblement triangulaire. 30
5. 5) Rotor (1) de machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 précédentes, caractérisé en ce que lesdits aimants (3) se présentent chacun sous la forme d'un ensemble monobloc, de préférence constitué de ferrite moulée 35- 9 -
6. 6) Rotor (1) de machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 précédentes, caractérisé en ce que ladite première partie (7) est formée d'un premier barreau aimanté et ladite seconde partie (8) est formée d'un second barreau aimanté.
7. 7) Rotor (1) de machine électrique tournante selon la revendication 6 précédente, caractérisé en ce que lesdits premier et second barreaux aimantés (7,
8. 8) sont constitués de ferrite. 8) Rotor (1) de machine électrique tournante selon la revendication 6 précédente, caractérisé en ce que ledit premier barreau aimanté (7) est constitué de ferrite et ledit second barreau aimanté (8) est constitué d'un matériau comprenant au moins une terre rare, de préférence du néodyme..
9. 9) Rotor (1) de machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 précédentes, caractérisé en ce que ladite partie circonférentielle (5) est ouverte radialement, au moins partiellement, en regard desdits aimants permanents (3).
10. 10) Machine électrique tournante, caractérisée en ce qu'elle comprend un rotor (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 précédentes.