FR3014255A1 - DISCOID ROTOR WITH REINFORCED COMPOSITE STRUCTURE FOR AXIAL FLUX ELECTRIC MACHINE - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un rotor discoïde (10') pour une machine électrique à flux axial comprenant : - une pluralité de pôles d'aimants disposés sur la partie périphérique dudit rotor, - un élément d'arbre (14') pour entraîner un arbre en rotation, dans lequel l'élément d'arbre (14') et la pluralité de pôles d'aimants sont au moins partiellement noyés dans un matériau composite comprenant une matrice polymère et des fibres non orientées. Selon l'invention, une pluralité d'éléments de renfort radial (20') sont disposés entre les pôles d'aimants et agencés symétriquement par rapport à l'axe du rotor et à un plan médian radial du rotor. Chaque élément de renfort radial (20') comprend une pluralité de fibres continues unidirectionnelles orientées radialement, de longueur au moins égale à la longueur radiale des pôles d'aimants. Chaque élément de renfort radial (20') est en outre au moins partiellement noyé dans ledit matériau composite.The invention relates to a disc rotor (10 ') for an axial flow electrical machine comprising: - a plurality of magnet poles disposed on the peripheral portion of said rotor, - a shaft element (14') for driving a shaft in rotation, wherein the shaft member (14 ') and the plurality of magnet poles are at least partially embedded in a composite material comprising a polymer matrix and non-oriented fibers. According to the invention, a plurality of radial reinforcing elements (20 ') are arranged between the magnet poles and arranged symmetrically with respect to the axis of the rotor and at a radial median plane of the rotor. Each radial reinforcing element (20 ') comprises a plurality of unidirectional continuous fibers oriented radially, of length at least equal to the radial length of the magnet poles. Each radial reinforcing element (20 ') is furthermore at least partially embedded in said composite material.
Description
ROTOR DISCOÏDE A STRUCTURE COMPOSITE RENFORCEE POUR MACHINE ELECTRIQUE A FLUX AXIAL L'invention concerne un rotor discoïde à structure composite renforcée pour une machine électrique à flux axial, en particulier pour un moteur à flux axial. L'invention peut trouver une application dans l'automobile, notamment dans la traction d'un véhicule électrique ou hybride, ou autre. Une machine électrique à flux axial comporte un rotor et un ou deux stators alimentés en courant. Le rotor et les stators sont montés autour d'un arbre tournant, lequel est solidarisé au rotor.The invention relates to a disc rotor with reinforced composite structure for an axial flow electrical machine, in particular for an axial flow motor. The invention can find an application in the automobile, particularly in the traction of an electric or hybrid vehicle, or other. An axial flow electric machine comprises a rotor and one or two stators fed with current. The rotor and the stators are mounted around a rotating shaft, which is secured to the rotor.
Il est connu d'utiliser, notamment pour des applications dans le domaine du bâtiment, un rotor métallique lequel peut être relativement facile à fabriquer. Néanmoins, lorsque l'on cherche à concevoir une machine électrique compacte, il existe un risque de surchauffe du rotor à aimants permanents à cause des courants de Foucault, et en cas d'élévation de température, les flux magnétiques peuvent être perturbés de sorte que les performances risquent d'être réduites. On cherche donc à réaliser une machine électrique à flux axial permettant de concilier compacité, robustesse et performance.It is known to use, especially for applications in the field of building, a metal rotor which can be relatively easy to manufacture. Nevertheless, when looking to design a compact electric machine, there is a risk of overheating of the permanent magnet rotor due to eddy currents, and in case of temperature rise, the magnetic flux can be disturbed so that performance may be reduced. We therefore seek to achieve an axial flow electric machine to reconcile compactness, robustness and performance.
A cet effet, des rotors en matériau composite ont été développés. Par exemple, le document US 6 674 214 décrit une machine électrique à flux axial avec un rotor comprenant des pôles d'aimants noyés dans un support en matériau composite de sorte que la masse du rotor peut être relativement faible. Les pôles surmoulés participent à la rigidité radiale du rotor dont le matériau composite comporte un renfort de fibres, sans orientation privilégiée des fibres. Ce type de matériau peut cependant présenter une raideur radiale insuffisante. Des matériaux composites résistants peuvent être obtenus en utilisant des procédés tels que le procédé RTM (« Resin Transfer Moulding » en terminologie anglo-saxonne), qui est un procédé de moulage par compression-transfert qui doit ensuite être suivi d'un usinage. De tels processus de fabrication ne permettent cependant pas une production en grande série et à faible coût en raison de l'usinage et des pressions élevées du procédé RTM.For this purpose, rotors of composite material have been developed. For example, US 6,674,214 discloses an axial flow electric machine with a rotor comprising magnet poles embedded in a composite material support so that the mass of the rotor can be relatively small. The overmolded poles participate in the radial rigidity of the rotor, the composite material of which comprises a fiber reinforcement, without preferential orientation of the fibers. This type of material may, however, have insufficient radial stiffness. Resilient composite materials can be obtained using methods such as the RTM ("Resin Transfer Molding") process, which is a compression-transfer molding process which must then be followed by machining. Such manufacturing processes, however, do not allow mass production and low cost because of the machining and high pressures of the RTM process.
Il existe donc un besoin pour un rotor en matériau composite robuste, notamment axialement, qui puisse en outre être réalisé par un processus de fabrication simple, de préférence sans usinage. A cet effet, l'objet de l'invention concerne un rotor discoïde pour une machine électrique à flux axial comprenant : - une pluralité de pôles d'aimants disposés sur la partie périphérique dudit rotor, - un élément d'arbre pour entraîner un arbre en rotation, dans lequel l'élément d'arbre et la pluralité de pôles d'aimants sont au moins partiellement noyés dans un matériau composite comprenant une matrice polymère et des fibres disposées de façon aléatoire ou sans direction privilégiée, le rotor comprenant en outre une pluralité d'éléments de renfort radial disposés entre les pôles d'aimants et agencés symétriquement par rapport à l'axe du rotor et par rapport à un plan médian radial du rotor, chaque élément de renfort radial comprenant une pluralité de fibres continues unidirectionnelles orientées radialement ou sensiblement radialement, la longueur des fibres continues étant notamment au moins égale à la longueur radiale des pôles d'aimants, dans lequel chaque élément de renfort radial est au moins partiellement noyé dans ledit matériau composite. Par « fibres continues unidirectionnelles » on entend des fibres continues juxtaposées. Ces fibres continues peuvent être des fibres longues, par exemple de longueur au moins égale à la longueur radiale des pôles d'aimant mais peuvent également être moins longues, l'important étant qu'elles soient toutes orientées dans le même sens. Leur longueur peut ainsi être déterminée de manière à obtenir une raideur axiale prédéterminée du rotor. L'agencement particulier du rotor et la présence d'éléments de renfort radial à fibres continues dont l'orientation est privilégiée permet de renforcer la raideur du rotor, notamment sa raideur axiale. Un tel renforcement radial du rotor permet en effet d'éviter une flexion du rotor sous l'effet de la force magnétique axiale subie par les pôles d'aimants lorsqu'ils sont en regard des bobinages du ou des stators.There is therefore a need for a rotor of robust composite material, especially axially, which can also be achieved by a simple manufacturing process, preferably without machining. To this end, the subject of the invention relates to a disc rotor for an axial flow electrical machine comprising: a plurality of magnet poles disposed on the peripheral portion of said rotor; a shaft element for driving a shaft; in rotation, wherein the shaft element and the plurality of magnet poles are at least partially embedded in a composite material comprising a polymer matrix and fibers arranged randomly or without preferred direction, the rotor further comprising a a plurality of radial reinforcing elements disposed between the magnet poles and arranged symmetrically with respect to the axis of the rotor and with respect to a radial median plane of the rotor, each radial reinforcing element comprising a plurality of radially oriented unidirectional continuous fibers or substantially radially, the length of the continuous fibers being in particular at least equal to the radial length of the magnet poles, da ns wherein each radial reinforcing element is at least partially embedded in said composite material. By "unidirectional continuous fibers" is meant continuous fibers juxtaposed. These continuous fibers may be long fibers, for example of length at least equal to the radial length of the magnet poles but may also be shorter, the important thing being that they are all oriented in the same direction. Their length can thus be determined so as to obtain a predetermined axial stiffness of the rotor. The particular arrangement of the rotor and the presence of radial reinforcing elements with continuous fibers whose orientation is preferred makes it possible to reinforce the stiffness of the rotor, in particular its axial stiffness. Such radial reinforcement of the rotor makes it possible to avoid bending the rotor under the effect of the axial magnetic force experienced by the magnet poles when facing the windings of the stator or stators.
En particulier, l'agencement symétrique des éléments de renfort radial par rapport à l'axe du rotor et par rapport à un plan médian radial du rotor permet d'équilibrer la masse du rotor pour une rotation régulière et sans à coups du rotor. Cet équilibrage peut être facilité en utilisant une pluralité d'éléments de renfort radial identiques. L'élément d'arbre peut être un moyeu, ou bien encore l'arbre lui-même.In particular, the symmetrical arrangement of the radial reinforcing elements with respect to the axis of the rotor and with respect to a radial median plane of the rotor makes it possible to balance the mass of the rotor for a smooth and smooth rotation of the rotor. This balancing can be facilitated by using a plurality of identical radial reinforcing elements. The shaft member may be a hub, or the shaft itself.
La matrice polymère du matériau composite peut être thermodurcissable. Avantageusement, elle peut résister aux températures d'utilisation du rotor. Il peut s'agir par exemple de résine thermodurcissable, par exemple les polyesters insaturés (UP), vinylesters ou époxydes (EP), mais également de certaines matrices thermoplastiques comme le polyamide (PA) ou le poly(sulfure de phénylène) (PPS). Cette matrice peut être renforcée par des fibres de carbone ou de verre, les fibres de verre étant préférées. Avantageusement et de manière non limitative, la longueur des fibres continues de chaque élément de renfort radial peut être supérieure à la longueur radiale des pôles d'aimants et les fibres continues dépassent les pôles d'aimants en direction de l'élément d'arbre. Cette disposition permet d'améliorer la résistance mécanique du rotor, notamment des parties du rotor situées entre les pôles d'aimants. Les fibres continues peuvent éventuellement s'étendre jusqu'à l'élément d'arbre du rotor. Les fibres continues de chaque élément de renfort radial peuvent éventuellement être tissées avec des fibres courtes, ce qui permet d'améliorer la résistance mécanique du rotor. Avantageusement et de manière non limitative, chaque élément de renfort radial peut s'étendre dans un plan radial du rotor et former une couche d'épaisseur inférieure à l'épaisseur du rotor. Une couche peut notamment affleurer une surface radiale du rotor ou être disposée entre deux couches adjacentes de matériau composite, à l'intérieur de ce dernier. Les différentes couches de matériau composite ou d'élément de renfort radial s'étendent ainsi dans des plans radiaux du rotor. Une disposition de chaque couche élément de renfort à la surface ou au plus près de la surface, peut permettre d'améliorer la résistance mécanique. Cette dernière peut cependant être également améliorée en disposant les éléments de renfort radial entre des couches de matériau composite, éventuellement entre chaque couche de matériau composite. Le procédé de fabrication du rotor peut alors cependant être plus long.The polymer matrix of the composite material may be thermosetting. Advantageously, it can withstand the operating temperatures of the rotor. It may be for example thermosetting resin, for example unsaturated polyesters (UP), vinylesters or epoxides (EP), but also some thermoplastic matrices such as polyamide (PA) or polyphenylene sulfide (PPS). . This matrix may be reinforced with carbon or glass fibers, glass fibers being preferred. Advantageously and in a nonlimiting manner, the length of the continuous fibers of each radial reinforcing element may be greater than the radial length of the magnet poles and the continuous fibers exceed the magnet poles in the direction of the shaft element. This arrangement makes it possible to improve the mechanical strength of the rotor, in particular parts of the rotor located between the magnet poles. The continuous fibers may optionally extend to the rotor shaft member. The continuous fibers of each radial reinforcing element may optionally be woven with short fibers, which makes it possible to improve the mechanical strength of the rotor. Advantageously and in a nonlimiting manner, each radial reinforcing element may extend in a radial plane of the rotor and form a layer of thickness less than the thickness of the rotor. A layer may in particular be flush with a radial surface of the rotor or be arranged between two adjacent layers of composite material, inside the latter. The different layers of composite material or radial reinforcing element thus extend in radial planes of the rotor. An arrangement of each reinforcing element layer at the surface or closer to the surface, can improve the mechanical strength. The latter can however also be improved by arranging the radial reinforcing elements between layers of composite material, possibly between each layer of composite material. The rotor manufacturing process can however be longer.
Les éléments de renfort radial peuvent s'étendre chacun dans un plan radial ou axial du rotor. Toutefois, leur positionnement suivant des plans axiaux peut rendre complexe la fabrication du rotor. Avantageusement, chaque élément de renfort radial peut s'étendre dans un plan radial du rotor afin de faciliter la fabrication du rotor. Notamment, chaque élément de renfort radial peut occuper tout l'espace ou sensiblement tout l'espace séparant deux pôles d'aimants adjacents. Autrement dit, chaque élément de renfort peut s'étendre d'un pôle d'aimant jusqu'au pôle d'aimant adjacent. Ainsi, par exemple, pour des pôles d'aimants séparés par un espace de forme sensiblement rectangulaire ou trapézoïdale, les éléments de renfort présentent la même forme sensiblement rectangulaire ou trapézoïdale. Pour une meilleure résistance mécanique, au moins un élément de renfort radial peut être disposé entre chaque paire de pôles d'aimants adjacents. Lorsque plusieurs éléments de renfort sont disposés entre chaque paire de pôles d'aimants adjacents, notamment dans des plans radiaux du rotor, ils peuvent être avantageusement séparés les uns des autres par une couche de matériau composite.The radial reinforcing elements may each extend in a radial or axial plane of the rotor. However, their positioning along axial planes can make the manufacture of the rotor complex. Advantageously, each radial reinforcing element may extend in a radial plane of the rotor to facilitate the manufacture of the rotor. In particular, each radial reinforcing element can occupy all the space or substantially all the space separating two adjacent magnet poles. In other words, each reinforcing element can extend from a magnet pole to the adjacent magnet pole. Thus, for example, for magnet poles separated by a substantially rectangular or trapezoidal space, the reinforcing elements have the same substantially rectangular or trapezoidal shape. For better mechanical strength, at least one radial reinforcing element may be disposed between each pair of adjacent magnet poles. When several reinforcing elements are arranged between each pair of adjacent magnet poles, in particular in radial planes of the rotor, they can be advantageously separated from each other by a layer of composite material.
Le rotor discoïde peut également comprendre des éléments de renfort axial disposés entre les pôles d'aimants et agencés symétriquement par rapport à l'axe du rotor et par rapport à un plan médian radial du rotor, chaque élément de renfort axial s'étendant dans un plan axial du rotor et comprenant une pluralité de fibres continues unidirectionnelles orientées axialement, la longueur des fibres continues étant égale au moins à la moitié de l'épaisseur du rotor, dans lequel chaque élément de renfort axial est entièrement noyé dans ledit matériau composite. De tels éléments de renfort axial peuvent permettre de renforcer davantage la résistance mécanique du rotor.The disc rotor may also comprise axial reinforcing elements arranged between the magnet poles and arranged symmetrically with respect to the axis of the rotor and with respect to a radial median plane of the rotor, each axial reinforcing element extending in a axial plane of the rotor and comprising a plurality of axially oriented unidirectional continuous fibers, the length of the continuous fibers being equal to at least half the thickness of the rotor, wherein each axial reinforcing member is fully embedded in said composite material. Such axial reinforcing elements may further enhance the mechanical strength of the rotor.
Avantageusement, les éléments de renfort axial sont solidaires, par exemple réalisés d'une pièce, avec les éléments de renfort radial. Cette solidarisation peut être obtenue par pultrusion avec un matériau composite, par exemple le même que celui formant le rotor. Avantageusement et de manière non limitative, les fibres des éléments de renfort radial ou des éléments de renfort axial peuvent être choisies parmi les fibres de verre, les fibres de carbone, les fibres de verre pultrudées ou pré-imprégnées et les fibres de carbone pultrudées ou pré-imprégnées. Avantageusement, on utilise des fibres de verre, non conductrices. Les fibres pré-imprégnées sont des fibres imprégnées d'un matériau polymère, avantageusement le même que celui du matériau composite avant leur intégration au matériau composite du rotor. Les fibres pultrudées sont des fibres imprégnées d'une résine thermodurcissable par passage dans un bain et tirées à travers une filière chauffée. Les familles de résine thermodurcissable qui peuvent être employées sont par exemple les polyesters insaturés (UP), vinylesters et époxydes (EP), mais également certaines matrices thermoplastiques comme le polyamide (PA) ou le poly(sulfure de phénylène) (PPS). Lorsque les fibres sont pultrudées, les éléments de renfort se présentent sous forme d'éléments allongés, similaires à des barreaux, qui présentent l'avantage d'être plus faciles à manipuler que des mèches de fibres. De manière similaire, les fibres imprégnées peuvent également être plus faciles à manipuler lors de la fabrication du rotor. L'invention concerne également une machine électrique tournante à flux axial comprenant au moins un stator et un rotor discoïde tel que décrit ci-dessus. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un rotor discoïde pour une machine électrique à flux axial, notamment un rotor discoïde selon l'invention, le procédé comprenant : (i) prévoir un élément d'arbre pour entrainer un arbre en rotation, une pluralité de pôles d'aimants et une pluralité d'éléments de renfort radial, chaque élément de renfort radial comprenant une pluralité de fibres continues unidirectionnelles orientées radialement ou sensiblement radialement, la longueur des fibres continues étant au moins égale à la longueur radiale des pôles d'aimants, (ii) installer dans un moule la pluralité de pôles d'aimants et l'élément d'arbre, de sorte que la pluralité de pôles d'aimants soit disposée en périphérie de l'élément d'arbre, (iii) installer dans le moule la pluralité d'éléments de renfort radial de sorte que lesdits éléments de renfort radial soient disposés radialement entre les pôles d'aimants et agencés symétriquement par rapport à l'axe du rotor et par rapport à un plan médian radial du rotor, (iv) surmouler un matériau composite comprenant une matrice polymère et des fibres disposées de façon aléatoire ou sans direction privilégiée, de sorte que : - l'élément d'arbre et la pluralité de pôles d'aimants soient au moins partiellement noyés dans ledit matériau composite, - chaque élément de renfort radial soit au moins partiellement noyé dans ledit matériau composite. L'étape (iv) de surmoulage peut être réalisée suivant une technique de moulage par compression consistant à placer le matériau composite à l'intérieur du moule chaud, fermer le moule puis appliquer une pression sur le composite. Une telle technique peut être mise en oeuvre facilement et rapidement et permet ainsi de fabriquer un grand nombre de pièces à moindre coût. Ce surmoulage pourrait éventuellement être réalisé suivant une technique de moulage par compression transfert (RTM) mais cette technique n'est pas préférée car elle nécessite un usinage ultérieur. Le rotor peut être composé de plusieurs couches radiales superposées de matériau composite : dans ce cas l'étape (iv) de surmoulage peut être répétée plusieurs fois, éventuellement précédée de l'étape (iii) pour insérer des éléments de renfort radial entre des couches successives de matériau composite. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation en perspective éclatée d'un rotor pour une machine électrique à flux axial, - la figure 2 est une représentation schématique partielle de face d'un rotor selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une représentation schématique partielle de face d'un rotor selon un autre mode de réalisation de l'invention, la figure 4 est une vue en perspective d'une partie du rotor représenté figure 3, - la figure 5 est une vue en perspective d'une partie de rotor selon un autre mode de réalisation, - les figures 6 à 8 sont des vues en coupe axiale du rotor montrant un exemple d'empilement des couches de matériau composite et d'éléments de renfort entre deux pôles d'aimants.Advantageously, the axial reinforcing elements are integral, for example made in one piece, with the radial reinforcing elements. This attachment can be obtained by pultrusion with a composite material, for example the same as that forming the rotor. Advantageously and in a nonlimiting manner, the fibers of the radial reinforcing elements or axial reinforcing elements may be chosen from glass fibers, carbon fibers, pultruded or pre-impregnated glass fibers and pultruded carbon fibers or prepregs. Advantageously, non-conductive glass fibers are used. The pre-impregnated fibers are fibers impregnated with a polymeric material, advantageously the same as that of the composite material prior to their integration with the composite material of the rotor. The pultruded fibers are fibers impregnated with a thermosetting resin by passing through a bath and drawn through a heated die. The families of thermosetting resin that can be used are, for example, unsaturated polyesters (UP), vinyl esters and epoxides (EP), but also certain thermoplastic matrices such as polyamide (PA) or polyphenylene sulfide (PPS). When the fibers are pultruded, the reinforcing elements are in the form of elongated elements, similar to bars, which have the advantage of being easier to handle than strands of fibers. Similarly, the impregnated fibers may also be easier to handle during the manufacture of the rotor. The invention also relates to an axial flow rotating electrical machine comprising at least one stator and a disc rotor as described above. The invention furthermore relates to a method of manufacturing a discoid rotor for an axial flow electrical machine, in particular a disc rotor according to the invention, the method comprising: (i) providing a shaft element for driving a shaft in rotation, a plurality of magnet poles and a plurality of radial reinforcing elements, each radial reinforcing element comprising a plurality of unidirectional continuous fibers oriented radially or substantially radially, the length of the continuous fibers being at least equal to the radial length magnetic poles, (ii) installing in a mold the plurality of magnet poles and the shaft element, so that the plurality of magnet poles are disposed at the periphery of the shaft element, (iii) installing in the mold the plurality of radial reinforcing elements so that said radial reinforcing elements are arranged radially between the magnet poles and arranged symmetrically; with respect to the axis of the rotor and with respect to a radial median plane of the rotor, (iv) overmolding a composite material comprising a polymer matrix and fibers arranged randomly or without preferred direction, so that: shaft element and the plurality of magnet poles are at least partially embedded in said composite material, each radial reinforcing element is at least partially embedded in said composite material. The overmoulding step (iv) may be carried out according to a compression molding technique of placing the composite material inside the hot mold, closing the mold and then applying pressure to the composite. Such a technique can be implemented easily and quickly and thus makes it possible to manufacture a large number of parts at a lower cost. This overmoulding could possibly be carried out using a transfer compression molding technique (RTM) but this technique is not preferred because it requires subsequent machining. The rotor may be composed of several superimposed radial layers of composite material: in this case the overmolding step (iv) may be repeated several times, possibly preceded by step (iii) to insert radial reinforcement elements between layers. successive composite material. The invention is now described with reference to the accompanying non-limiting drawings, in which: FIG. 1 is an exploded perspective representation of a rotor for an axial flow electric machine; FIG. 2 is a partial schematic representation of FIG. 3 is a partial diagrammatic front view of a rotor according to another embodiment of the invention, FIG. 4 is a perspective view of the invention. FIG. 1 of the rotor shown in FIG. 3; FIG. 5 is a perspective view of a rotor portion according to another embodiment; FIGS. 6 to 8 are axial sectional views of the rotor showing an example of stacking layers of composite material and reinforcing elements between two magnet poles.
Dans la présente demande, on entend par direction « axiale », la direction supposée être celle de l'axe de l'arbre, c'est-à-dire la direction normale au plan du disque du rotor. La direction radiale est définie par rapport à cette direction axiale. Les épaisseurs sont définies comme les dimensions suivant la direction axiale. En référence à la figure 1, un rotor discoïde 10 peut être installé sur un arbre non représenté autour duquel est ou sont également montés un ou deux stators. Lorsque deux stators sont prévus, ces deux stators peuvent être disposés de part et d'autre du rotor 10. Le rotor 10 et le ou les stators peuvent former une machine électrique à flux axial, par exemple un moteur à flux axial. En particulier, ce dispositif de rotor discoïde 10 peut être utilisé pour former un moteur à flux axial de traction d'un véhicule électrique ou hybride, par exemple un véhicule automobile.In this application, the term "axial" direction, the direction assumed to be that of the axis of the shaft, that is to say the normal direction to the plane of the rotor disk. The radial direction is defined with respect to this axial direction. The thicknesses are defined as the dimensions in the axial direction. Referring to Figure 1, a disc rotor 10 may be installed on a shaft not shown around which is or are also mounted one or two stators. When two stators are provided, these two stators can be arranged on either side of the rotor 10. The rotor 10 and the stator or stators can form an axial flow electric machine, for example an axial flow motor. In particular, this disc-shaped rotor device 10 can be used to form an axial-flow traction motor of an electric or hybrid vehicle, for example a motor vehicle.
Le rotor discoïde 10 comprend une pluralité de pôles d'aimants 12 disposés sur la partie périphérique du rotor 10 autour d'un élément d'arbre ou moyeu 14. Ces pôles d'aimants 12 sont intégrés à un support ou cage 16 en matériau isolant et rigide afin d'assurer la tenue mécanique de l'ensemble. Le matériau utilisé à cet effet est un matériau composite comprenant une matrice polymère et des fibres disposées de façon aléatoire ou sans direction privilégiée. Un tel support 16 en matériau isolant permet de réduire les pertes dans le rotor dues aux courants de Foucault. On pourra relever que le rotor discoïde 10 est agencé de sorte que le support composite 16 n'enrobe les pôles d'aimants 12 que sur leur surface latérale et n'enrobe le moyeu 14 qu'au niveau de la périphérie de ce moyeu 14. Sur la figure 1, les pôles d'aimants 12 sont représentés en dehors du support 16 pour plus de clarté mais sont en réalité intégrés à ce support.The disc rotor 10 comprises a plurality of magnet poles 12 disposed on the peripheral portion of the rotor 10 around a shaft element or hub 14. These magnet poles 12 are integrated in a support or cage 16 made of insulating material and rigid to ensure the mechanical strength of the assembly. The material used for this purpose is a composite material comprising a polymer matrix and fibers arranged randomly or without preferred direction. Such a support 16 of insulating material makes it possible to reduce the losses in the rotor due to the eddy currents. It can be noted that the disc rotor 10 is arranged so that the composite support 16 only closes the magnet poles 12 on their lateral surface and does not cover the hub 14 at the periphery of this hub 14. In Figure 1, the magnet poles 12 are shown outside the support 16 for clarity but are actually integrated with this support.
Un rotor discoïde 10 comporte en outre une couronne ou frette 18. La couronne 18 est réalisée en un matériau avec des fibres continues. Ces fibres continues juxtaposées sont par exemple de longueur totale supérieure à 50mm. Il peut par exemple s'agir de fibres de verre, de carbone, de fibres polymères ou minérales. Cette couronne 18 peut permettre de renforcer l'ensemble du rotor discoïde 10, et notamment d'absorber les forces centrifuges.A disc rotor 10 further comprises a ring or ring 18. The ring 18 is made of a material with continuous fibers. These juxtaposed continuous fibers are for example of total length greater than 50 mm. It may for example be glass fibers, carbon, polymer or mineral fibers. This ring 18 may make it possible to strengthen the entire disc rotor 10, and in particular to absorb the centrifugal forces.
Dans l'exemple représenté sur la figure 2, chaque pôle d'aimant 12 est composé d'une pluralité de parties d'aimants 12A, 12B, 12C, 12D, 12E, 12F, 12G, 12H, 121, 12J. Chacune de ces parties de pôle d'aimant 12A,...., 12J, comporte une barrette en matériau magnétisable, par exemple en NdFeB. Ainsi chaque pôle d'aimant 12 est segmenté en barrettes. On peut par exemple prévoir 10 barrettes comme dans l'exemple ci-dessus, ce qui peut permettre de réduire les pertes par courants de Foucault. Chacune des barrettes 12A à 12J définit des contours rectilignes de sorte que la fabrication de ces barrettes est relativement simple à mener et économique en ce sens qu'elle permet d'éviter les rebus de matériau. Néanmoins des pôles d'aimants trapézoïdaux peuvent aussi être utilisés.In the example shown in Figure 2, each magnet pole 12 is composed of a plurality of magnet portions 12A, 12B, 12C, 12D, 12E, 12F, 12G, 12H, 121, 12J. Each of these magnet pole portions 12A, ...., 12J comprises a strip of magnetizable material, for example NdFeB. Thus each magnet pole 12 is segmented into bars. For example, 10 arrays can be provided as in the example above, which can reduce the eddy current losses. Each of the strips 12A to 12J defines rectilinear contours so that the manufacture of these strips is relatively simple to carry and economical in that it avoids material scrap. Nevertheless trapezoidal magnet poles can also be used.
Dans cet exemple, les barrettes sont réparties en trois groupes de barrettes, chaque groupe correspondant à une longueur de barrette particulière. Les barrettes les plus courtes sont disposées le plus près de l'arbre. Le pôle d'aimant 12 représenté figure 2 comporte en outre un élément de cale 13 disposé contre la barrette la plus excentrée 12A. Cet élément de cale 13 définit un contour périphérique arrondi, ce qui peut permettre de limiter les contraintes mécaniques sur le support 16. On peut prévoir de concevoir chacun des éléments de cale 13 de sorte que la force centrifuge soit mieux répartie, en particulier ceci peut permettre d'éviter les zones supportant des fortes contraintes, notamment aux coins de la barrette 12A, ce qui peut être intéressant notamment en cas de freinage, d'accélération, ou lorsque la vitesse de rotation du rotor est relativement élevée. L'élément de cale 13 peut être réalisé en un matériau composite à base de résine époxyde. Cet élément de cale peut être collé à l'extrémité du pôle d'aimant 12, c'est-à-dire sur la barrette 12A. Le moyeu 14 peut être réalisé en acier, par exemple en acier ordinaire, en acier inoxydable, en acier avec une phase austénitique, ou autre. Ce moyeu 14 peut être configuré pour transférer le couple à l'arbre. A cet effet, le moyeu peut définir des cannelures 14a. Selon l'invention, le rotor 10 comprend en outre des éléments de renfort radial 20 disposés radialement entre les pôles d'aimants 12.In this example, the bars are divided into three groups of bars, each group corresponding to a particular bar length. The shorter bars are arranged closest to the tree. The magnet pole 12 shown in Figure 2 further comprises a wedge element 13 disposed against the most eccentric bar 12A. This wedge element 13 defines a rounded peripheral contour, which can make it possible to limit the mechanical stresses on the support 16. It can be envisaged to design each of the wedge members 13 so that the centrifugal force is better distributed, in particular this can to avoid areas with high stresses, especially at the corners of the bar 12A, which can be interesting especially in case of braking, acceleration, or when the rotational speed of the rotor is relatively high. The shim member 13 may be made of a composite material based on epoxy resin. This wedge member can be glued to the end of the magnet pole 12, that is to say on the bar 12A. The hub 14 may be made of steel, for example ordinary steel, stainless steel, steel with an austenitic phase, or the like. This hub 14 can be configured to transfer torque to the shaft. For this purpose, the hub can define grooves 14a. According to the invention, the rotor 10 further comprises radial reinforcing elements 20 arranged radially between the magnet poles 12.
Dans l'exemple représenté, ces éléments de renfort radial s'étendent dans chacun dans un plan radial du rotor 10, c'est-à-dire dans un plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor. Chaque élément de renfort 20 comprend une pluralité de fibres continues unidirectionnelles orientées radialement ou sensiblement radialement, la longueur des fibres continues étant notamment au moins égale à la longueur radiale des pôles d'aimants. Par sensiblement radialement, on entend que les fibres peuvent former un angle d'au plus 5°, notamment d'au plus 3°, voire d'au plus 1° avec la direction radiale. C'est par exemple le cas lorsque les fibres sont agencées parallèlement entre elles en une couche de forme sensiblement rectangulaire : les fibres disposées latéralement peuvent être décalées d'un angle d'au plus 3° par rapport à une direction radiale. De préférence, les fibres d'un élément de renfort radial 20 s'étendent dans un même plan radial du rotor.In the example shown, these radial reinforcing elements extend in each in a radial plane of the rotor 10, that is to say in a plane orthogonal to the axis of rotation of the rotor. Each reinforcing element 20 comprises a plurality of unidirectional continuous fibers oriented radially or substantially radially, the length of the continuous fibers being in particular at least equal to the radial length of the magnet poles. By substantially radially is meant that the fibers can form an angle of at most 5 °, in particular at most 3 °, or even at most 1 ° with the radial direction. This is for example the case when the fibers are arranged parallel to each other in a substantially rectangular layer: the laterally arranged fibers can be shifted by an angle of at most 3 ° with respect to a radial direction. Preferably, the fibers of a radial reinforcing element 20 extend in the same radial plane of the rotor.
Dans l'exemple représenté figure 2, chaque élément de renfort radial 20 est au moins partiellement noyé dans le support 16. En particulier, l'élément de renfort radial 20 forme une couche d'épaisseur inférieure à l'épaisseur du rotor 10 dont une surface affleure une surface radiale du rotor 10. On notera ainsi que le support composite 16 n'enrobe que les surfaces latérales de l'élément de renfort radial 20 et la surface de l'élément de renfort radial 20 opposée à la surface en affleurement. Les différents éléments de renfort radial 20 sont disposés symétriquement par rapport à l'axe du rotor 10 et par rapport à un plan médian radial du rotor, ceci afin que les masses du rotor 10 soient équilibrées autour de son axe. Ainsi, dans l'exemple de la figure 2, un élément de renfort radial 20 est disposé radialement entre chaque paire de pôles d'aimants 12 adjacents, sur chaque face radiale du rotor 10. Tel que visible sur la figure 2, les éléments de renfort radial 20 s'étendent sur une longueur au moins égale à la longueur radiale des pôles d'aimants 12, les fibres des éléments de renfort radial 20 s'étendant de manière continue sur toute la longueur de chaque élément de renfort 20. La longueur radiale d'un pôle d'aimant 12 peut être définie comme la différence entre les rayons maximal Rmax et minimal Rmin d'un pôle d'aimant 12 (figure 2).In the example shown in FIG. 2, each radial reinforcing element 20 is at least partially embedded in the support 16. In particular, the radial reinforcing element 20 forms a layer of thickness less than the thickness of the rotor 10, one of which surface is flush with a radial surface of the rotor 10. It will thus be noted that the composite support 16 only covers the lateral surfaces of the radial reinforcing element 20 and the surface of the radial reinforcing element 20 opposite to the surface flush with it. The various radial reinforcing elements 20 are arranged symmetrically with respect to the axis of the rotor 10 and with respect to a radial median plane of the rotor, so that the masses of the rotor 10 are balanced about its axis. Thus, in the example of FIG. 2, a radial reinforcing element 20 is disposed radially between each pair of adjacent magnet poles 12, on each radial face of the rotor 10. As can be seen in FIG. radial reinforcement 20 extend over a length at least equal to the radial length of the magnet poles 12, the fibers of the radial reinforcing elements 20 extending continuously over the entire length of each reinforcing element 20. The length Radial of a magnet pole 12 can be defined as the difference between the maximum Rmax and minimum Rmin radii of a magnet pole 12 (FIG. 2).
Dans l'exemple de la figure 2, du fait de la forme étagée des pôles d'aimants 12, les éléments de renfort radial 20 présentent une largeur inférieure à la distance séparant deux pôles d'aimants 12 adjacents. Les figures 3 et 4 représentent un rotor discoïde 10' selon un autre mode de réalisation, qui ne diffère du mode de réalisation décrit figure 2 que par la forme des pôles d'aimants 12' et des éléments de renfort radial 20'. Dans ce mode de réalisation, les pôles d'aimants 12' présentent une forme sensiblement trapézoïdale et le support composite 16' définit des branches ou piges 17' entre chaque pôle d'aimant 12', ces branches 17' présentant un rayon maximal égal au rayon maximal de chaque pôle d'aimant 12'. Tel que visible sur la figure 4, le support 16' présente ainsi une forme étoilée. Les pôles d'aimants 12' sont alors maintenus radialement par la couronne extérieure 18' contre laquelle ils sont directement en contact.In the example of FIG. 2, because of the stepped shape of the magnet poles 12, the radial reinforcing elements 20 have a width smaller than the distance separating two adjacent magnet poles 12. Figures 3 and 4 show a discoid rotor 10 'according to another embodiment, which differs from the embodiment described in Figure 2 only by the shape of the magnet poles 12' and radial reinforcing elements 20 '. In this embodiment, the magnet poles 12 'have a substantially trapezoidal shape and the composite support 16' defines branches or rods 17 'between each magnet pole 12', these branches 17 'having a maximum radius equal to maximum radius of each magnet pole 12 '. As can be seen in FIG. 4, the support 16 'thus has a star shape. The magnet poles 12 'are then held radially by the outer ring 18' against which they are directly in contact.
Avec cette configuration, les éléments de renfort radial 20' peuvent s'étendre d'un pôle d'aimant 12' jusqu'au pôle d'aimant 12' adjacent, autrement dit sur toute la largeur de chaque branche 12', selon une forme légèrement trapézoïdale. Comme dans l'exemple précédemment décrit, un élément de renfort radial 20' s'étend latéralement entre chaque paire de pôles d'aimants 12' adjacents et sur chaque face radiale du rotor 10' (figure 4). Chaque élément de renfort radial 20' s'étend dans un plan radial, ses fibres continues étant sensiblement radiales. Dans cet exemple, la longueur des éléments de renfort 20' est en outre supérieure à la longueur radiale des pôles d'aimants 12' et les fibres continues dépassent les pôles d'aimants 12' en direction du moyeu 14'. Autrement dit, une extrémité d'un élément de renfort 20' est plus proche du moyeu que l'extrémité du pôle d'aimant 12' la plus proche du moyeu 14'.With this configuration, the radial reinforcing elements 20 'can extend from one magnet pole 12' to the adjacent magnet pole 12 ', ie over the entire width of each leg 12', in a form slightly trapezoidal. As in the example described above, a radial reinforcing element 20 'extends laterally between each pair of adjacent magnet poles 12' and on each radial face of the rotor 10 '(FIG. 4). Each radial reinforcing element 20 'extends in a radial plane, its continuous fibers being substantially radial. In this example, the length of the reinforcing elements 20 'is in addition greater than the radial length of the magnet poles 12' and the continuous fibers exceed the magnet poles 12 'towards the hub 14'. In other words, one end of a reinforcing member 20 'is closer to the hub than the end of the magnet pole 12' closest to the hub 14 '.
Dans les modes de réalisation des figures 2 à 4, les éléments de renfort 20, 20' sont disposés uniquement sur les faces radiales externes du rotor 10, 10' respectivement. On peut cependant envisager d'autres configurations. La figure 5 montre ainsi un mode de réalisation dans lequel les éléments de renfort radial 20" sont entièrement noyés dans le matériau composite formant le support 16", deux couches d'éléments de renfort radial 20" étant disposées symétriquement à proximité de la surface du rotor. Le rotor représenté partiellement sur cette figure présente une forme similaire à celle du rotor représenté sur les figures 3 et 4. L'agencement décrit en référence à la figure 5 pourrait être envisagée pour toute forme de rotor, y compris celle représentée figure 2.In the embodiments of Figures 2 to 4, the reinforcing elements 20, 20 'are arranged only on the outer radial faces of the rotor 10, 10' respectively. However, we can consider other configurations. FIG. 5 thus shows an embodiment in which the radial reinforcing elements 20 "are entirely embedded in the composite material forming the support 16", two layers of radial reinforcing elements 20 "being arranged symmetrically close to the surface of the The rotor shown partially in this figure has a shape similar to that of the rotor shown in Figures 3 and 4. The arrangement described with reference to Figure 5 could be considered for any rotor shape, including that shown in Figure 2 .
L'invention n'est en effet pas limitée par la forme des pôles d'aimants ou du support du rotor. Selon d'autres modes de réalisation, on peut prévoir des éléments de renfort radial disposés entre des couches successives de matériau composite formant le support, on obtient alors un empilement de couches de matériau composite et de couches d'élément de renfort radial sur l'épaisseur du rotor entre des pôles d'aimants adjacents. Les figures 6 à 8 représentent des exemples d'empilement. Ainsi, la figure 6 représente un exemple d'empilement dans lequel une couche d'élément de renfort radial, désignée par la lettre R, est disposée sur chaque face radiale externe du rotor, puis une couche d'élément de renfort radial R est alternée avec deux couches de matériau composite, désignées chacune par les lettres MC, avec une symétrie par rapport au plan médian radial du rotor lequel est représenté par une couche d'élément de renfort radial R.The invention is not limited by the shape of the magnet poles or the rotor support. According to other embodiments, it is possible to provide radial reinforcing elements arranged between successive layers of composite material forming the support, a stack of layers of composite material and layers of radial reinforcing element is then obtained. rotor thickness between adjacent magnet poles. Figures 6 to 8 show examples of stacking. Thus, FIG. 6 represents an example of a stack in which a radial reinforcing element layer, denoted by the letter R, is disposed on each radial outer face of the rotor, and then a layer of radial reinforcing element R is alternated. with two layers of composite material, each designated by the letters MC, with a symmetry with respect to the radial median plane of the rotor which is represented by a layer of radial reinforcing element R.
En variante, on pourrait alterner une couche d'élément de renfort radial R avec une couche de matériau composite MC, toujours en respectant la symétrie par rapport au plan médian radial du rotor. Dans l'exemple figurant sur la figure 7, quatre couches d'éléments de renfort radial R sont présentes en alternance avec quatre couches de matériau composite MC, le plan radial médian du rotor étant formé par deux couches de matériau composite MC adjacentes. Dans l'exemple figurant sur la figure 8, une couche d'élément de renfort radial R est située au niveau du plan médian radial du rotor et un élément de renfort axial 21 est rajouté. Cet élément de renfort axial 21 est de même structure qu'un élément de renfort radial mais ses fibres s'étendent axialement au lieu de s'étendre radialement. Dans l'exemple, l'élément de renfort axial 21 s'étend sur toute l'épaisseur du rotor et est rendu solidaire de l'élément de renfort radial 20 par exemple au moyen d'un matériau polymère. Cet ensemble en forme de croix peut notamment être réalisé par moulage ou par pultrusion.Alternatively, alternating a radial reinforcing element layer R with a layer of composite material MC, always respecting the symmetry with respect to the radial median plane of the rotor. In the example shown in FIG. 7, four layers of radial reinforcing elements R are alternately present with four layers of composite material MC, the median radial plane of the rotor being formed by two adjacent layers of composite material MC. In the example shown in FIG. 8, a radial reinforcing element layer R is located at the radial median plane of the rotor and an axial reinforcing element 21 is added. This axial reinforcing element 21 is of the same structure as a radial reinforcing element but its fibers extend axially instead of extending radially. In the example, the axial reinforcing element 21 extends over the entire thickness of the rotor and is secured to the radial reinforcing element 20 for example by means of a polymer material. This cross-shaped assembly can in particular be made by molding or by pultrusion.
Les agencements décrits en référence aux figures 2 à 8 peuvent être fabriqués de manière simple au moyen d'un procédé de moulage par compression, comprenant : (i) prévoir un moyeu 14, 14', des pôles d'aimants 12, 12' et une pluralité d'éléments de renfort radial 20, 20', 20" éventuellement des éléments de renfort axial 21, (ii) installer dans un moule les pôles d'aimants 12, 12' et le moyeu 14, 14', de sorte que les pôles d'aimants 12, 12' soit disposés en périphérie du moyeu 14, 14', (iii) installer dans le moule les éléments de renfort radial 20, 20', 20" de sorte que ces éléments de renfort radial 20, 20', 20" soient disposés radialement entre les pôles d'aimants 12, 12' et agencés symétriquement par rapport à l'axe du rotor et par rapport à un plan médian radial du rotor, (iv) surmouler, par exemple par moulage par compression, un matériau composite comprenant une matrice polymère et des fibres disposées de façon aléatoire ou sans direction privilégiée, de sorte que : - le moyeu 14, 14' et les pôles d'aimants 12, 12' soient au moins partiellement noyés dans le matériau composite formant le support 16, 16' du rotor 10, 10', - chaque élément de renfort radial 20, 20', 20" soit au moins partiellement noyé dans ce matériau composite.The arrangements described with reference to FIGS. 2 to 8 may be manufactured simply by means of a compression molding process, comprising: (i) providing a hub 14, 14 ', magnet poles 12, 12' and a plurality of radial reinforcing elements 20, 20 ', 20 "possibly axial reinforcing elements 21, (ii) installing in a mold the magnet poles 12, 12' and the hub 14, 14 ', so that the magnet poles 12, 12 'are arranged at the periphery of the hub 14, 14', (iii) installing in the mold the radial reinforcing elements 20, 20 ', 20 "so that these radial reinforcing elements 20, 20' ", 20" are arranged radially between the magnet poles 12, 12 'and arranged symmetrically with respect to the axis of the rotor and with respect to a radial median plane of the rotor, (iv) overmoulding, for example by compression molding , a composite material comprising a polymer matrix and fibers arranged randomly or without any direction vilified, so that: - the hub 14, 14 'and the magnet poles 12, 12' are at least partially embedded in the composite material forming the support 16, 16 'of the rotor 10, 10', - each element of radial reinforcement 20, 20 ', 20 "is at least partially embedded in this composite material.
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