FR3016486A1 - Machine a aimants permanents a commutation de flux avec une focalisation de flux amelioree - Google Patents

Abstract

Un stator (12) de machine (10) à aimants permanents à commutation de flux comprenant un arrangement annulaire d'aimants permanents (17) séparés par des modules (16) en forme de U. Chaque aimant permanent (17) du stator (12) comprend au moins deux segments (23, 24, 25, 26, 27) d'aimant permanent.

Description

Machine à aimants permanents à commutation de flux avec une focalisation de flux améliorée La présente invention se rapporte à un moteur électrique amélioré, et plus particulièrement à une machine électrique à aimant permanent à commutation de flux. Les machines électriques à aimants permanents à commutation de flux, noté par la suite machine FSPM pour « flux-switching permanent magnet » en anglais, sont connues dans le domaine des moteurs électriques et ont été utilisées pour de nombreuses applications. Comme cela est illustré sur la figure 1, une machine FSPM 1 comprend généralement un moteur synchrone comportant un simple rotor 2 sans balais, « brushless » en anglais, coopérant avec un stator 3. Le rotor 2 comprend un arrangement annulaire de dents 4 s'étendant vers l'extérieur, c'est-à-dire vers le stator 3, depuis sa surface externe. Le stator 3 comprend un arrangement annulaire d'aimants permanents 5 séparés par des modules 6 en forme de U ayant deux branches chacune solidaire d'une extrémité d'une portion intermédiaire. Chaque aimant permanent 5 est polarisé de sorte que la polarisation magnétique des aimants permanents 6 s'alterne le long de la circonférence du stator 3. Enfin, des enroulements 7 de stator sont prévus autour de chaque dent 8 de stator 3, une dent de stator 8 comprenant un aimant permanent 5 et une branche de chaque module 6 en forme de U adjacente à l'aimant permanent 5. Des moteurs électriques de ce genre sont particulièrement avantageux pour fournir une densité de couple importante avec une haute efficacité tout en conservant une construction simple et fiable. En particulier, la structure du rotor est relativement robuste et peu coûteuse à fabriquer. De plus, ces machines sont semblables aux machines à réluctance commutatives ce qui les rend plus appropriées pour des opérations à haute vitesse que des machines électriques à aimants permanents montés sur la surface du rotor.

Par conséquent, ces machines sont des candidats potentiels pour des applications de traction et dans l'aérospatiale. Cependant, les machines FSPM telles que représentées sur la figure 1 ont l'inconvénient de fournir un couple mécanique faible pour une tension d'alimentation donnée. De fait, la tension requise en entrée pour un couple spécifique requis et une utilisation à haute vitesse est très élevée. Cela a pour conséquence d'augmenter la taille de la batterie utilisée pour alimenter la machine FSPM. En outre, les applications de traction requièrent un meilleur rendement à haute vitesse que les machines FSPM telles qu'illustrées sur la figure 1. Etant donné l'effet limité de focalisation de flux de ces machines à aimants permanents, leur rendement à haute vitesse et leur capacité de couple sont faibles. La focalisation de flux est utilisée comme une mesure du flux utile généré par les aimants permanents d'une machine à aimants permanents à commutation de flux. Le flux utile correspond généralement au nombre de lignes de flux s'étendant entre le stator et le rotor via des chemins de réluctance minimum, le chemin de réluctance comprenant principalement des chemins d'entrefer. Les lignes de flux autres que les flux utiles sont considérées comme des flux de fuite. Dans les machines à commutation de flux, les lignes de flux s'étendant entre deux aimants sur la périphérie extérieure du stator et les lignes de flux s'étendant entre le stator et le rotor passant via des chemins de réluctance maximale sont considérées comme des flux de fuite. En un mot, augmenter l'effet de focalisation de flux signifie augmenter le flux utile en réduisant les flux de fuites dans les machines à aimants permanents à commutation de flux. Pour augmenter les performances de la machine électrique, différentes solutions sont déjà connues.

Le document EP 2 045 900 présente un stator avec des extrémités libres de dents qui sont inclinées au niveau de l'interface avec l'air afin de faciliter la formation de bobine en augmentant la taille du logement et la génération de couple.

Le document GB 2 480 229 décrit un stator comprenant des dents supplémentaires servant de séparateurs pour prévenir une mise en défaut de la machine en blindant chaque bobine de stator des bobines de stator voisines à l'aide d'une dent séparatrice. Les séparateurs induisent pour chaque pôle un profil d'induction propre plus important que le profil d'induction mutuelle avec les autres pôles. Le document US 2010/0072832 présente un stator avec une configuration alternée des bobinages de stator autour des pôles de manière à blinder les bobinages de stator, « armature windings » en anglais, les uns des autres à l'aide de l'interposition des dents de stator et de manière à réduire ainsi l'induction mutuelle d'un bobinage d'induction avec le bobinage d'induction voisin le plus proche. Le document GB 2 485 301 décrit un stator comprenant un couvercle circonférentiel de stator déplaçable par rapport au stator pour réduire les fuites de flux magnétique vers le cadre du moteur. En particulier, le mouvement de la portion magnétique du couvercle de stator vers les aimants permanents du stator résulte en une interaction de flux magnétique entre les aimants permanents et la portion magnétique du couvercle de stator qui aide à améliorer les performances du moteur. Cependant, dans les solutions connues divulguées dans les documents ci-dessus, aucune tentative n'a été faite pour augmenter l'effet de focalisation de flux et ainsi augmenter le rendement à haute vitesse et le couple qui peut être délivré.

L'invention propose un stator amélioré d'une machine à aimants permanents à commutation de flux dans lequel l'effet de focalisation de flux a été augmenté, améliorant ainsi le couplage de flux de la machine à aimants permanents à commutation de flux en ce qui concerne l'angle de rotor, et fournissant ainsi une machine à aimants permanents à commutation de flux ayant un fonctionnement amélioré à haute vitesse, et une capacité de couple accrue en fonction de la tension d'entrée. Selon un premier aspect de l'invention, il est prévu un stator de machine à aimants permanents à commutation de flux comportant un arrangement annulaire d'aimants permanents séparés par des modules en forme de U. Selon une caractéristique générale de l'invention, chaque aimant permanent du stator comprend au moins deux segments d'aimant permanent. La segmentation des aimants permanents contribue à réduire les pertes d'énergie par effet Joule dans les aimants permanents de la machine à aimants permanents à commutation de flux. De préférence, au moins un segment d'un aimant permanent possède une direction d'aimantation, ou de magnétisation, différente de la direction d'aimantation de l'autre (ou des autres) segment(s) de l'aimant permanent. Les directions d'aimantation des segments d'aimants permanents sont réparties symétriquement de part et d'autre de l'axe radial central de l'aimant permanent, l'axe radial central correspondant à la direction radiale passant par le milieu de l'aimant permanent. Dans chaque ensemble de segments formant un aimant permanent, les orientations magnétiques individuelles sont choisies de telle sorte que l'effet collectif est une orientation pseudo- circonférentielle. Les orientations magnétiques pseudo-circonférentielles des aimants contribuent à augmenter l'effet de focalisation de flux de la machine à aimants permanents à commutation de flux, en augmentant ainsi la plage de fonctionnement étendue, la vitesse et la capacité de couple de la machine à aimants permanents à commutation de flux. Ainsi, l'orientation magnétique pseudo-circonférentielle des aimants aide à réduire les pulsations de couple de la machine à aimants permanents à commutation de flux. De préférence, les deux segments d'aimants permanents adjacents à un module en forme de U ont des directions d'aimantation qui sont symétriquement opposées par rapport à un axe radial du stator passant par le milieu dudit module en forme de U. Dans un mode de réalisation, chaque aimant permanent peut avantageusement comporter un nombre pair de segments, chaque segment ayant une direction d'aimantation définie par un angle optimal a de préférence inférieur à 90° par rapport à l'axe radial central de l'aimant permanent. En variante, dans un autre mode de réalisation, chaque aimant permanent peut comporter un nombre impair de segments, chaque aimant permanent comprenant un segment médian ayant une direction d'aimantation perpendiculaire à l'axe radial central de l'aimant permanent, et un nombre pair de segments latéraux ayant une direction d'aimantation définie par un angle optimal a inférieur à 90° par rapport à l'axe radial central de l'aimant permanent. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une machine à aimants permanents à commutation de flux comprenant un stator tel que défini ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation, nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une machine électrique à aimants permanents à commutation de flux selon l'état de la technique ; la figure 2 illustre, de manière schématique, une machine électrique à aimants permanents à commutation de flux selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 présente un agrandissement d'un machine électrique à aimants permanents selon un second mode de réalisation ; la figure 4 présente un agrandissement d'une machine électrique à aimants permanents selon un second mode de réalisation. Sur la figure 2 est représentée schématiquement une machine synchrone à aimants permanents à commutation de flux, notée machine FSPM par la suite, selon un premier mode de réalisation de l' invention. La machine FSPM 10 comprend un rotor 11 et un stator 12. Le rotor 11 forme un élément entraîné destiné à tourner autour d'un axe et à transmettre un couple mécanique aux roues à l'aide d'un arbre de transmission. Le stator 12 forme un élément d'entraînement, ou élément moteur, destiné à être maintenu fixe et à générer un champ électromagnétique apte à faire tourner le rotor 11.

Le rotor 11 comprend une portion annulaire centrale 13 et un arrangement annulaire de dents périphériques 14 disposées sur la surface circulaire externe 15 de la portion annulaire centrale 13. Les dents périphériques 14 s'étendent en saillie vers l'extérieur selon une direction radiale depuis le périmètre circulaire externe 15 de la portion annulaire centrale 13 vers le stator 12. Le stator 12 comprend un arrangement annulaire de modules 16 stratifiés en forme de U et d'aimants permanents 17. Deux modules 16 adjacents sont séparés l'un de l'autre par l'un des aimants permanents 17.

Chaque module 16 en forme de U comporte deux branches 18 séparées par une portion intermédiaire 19 s'étendant entre les deux branches 18 selon une direction curviligne. Chaque branche 18 comporte une extrémité libre 18a et une extrémité 18b de base solidaire d'une extrémité de la portion intermédiaire 19.

Les branches 18 des modules 16 en forme de U s'étendent dans une direction radiale vers le périmètre circulaire interne 12i du stator 12, c'est-à-dire vers le rotor 11. Les deux branches 18 et la portion intermédiaire 19 d'un module 16 en forme de U définissent un logement 20 destiné à recevoir des enroulements compacts 21 bobiné autour d'un pôle 22, ou dent, du stator 12, un pôle 22 comprenant un aimant permanent 17 et la branche adjacente 18 de chacun des deux modules 16 adjacents comme cela est illustré sur la figure 2. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, chaque aimant permanent 17 compris entre deux modules 16 en forme de U comporte deux segments d'aimant 23. Les deux segments d'aimant 23 d'un aimant permanent 17 sont disposés de part et d'autre d'un axe radial du stator passant par le milieu de l'aimant permanent 17, qui sera considéré par la suite comme l'axe radial central A de l'aimant.

Comme montré par les flèches à l'intérieur de chaque segment d'aimant 23 d'un aimant permanent 17, chaque segment d'aimant 23 d'un aimant permanent 17 possède une direction d'aimantation orientée selon un angle optimal a de 40° par rapport à l'axe radial central A de l'aimant. Dans un aimant permanent 17, les segments d'aimant 23 d'un côté de l'axe radial central A ont une direction d'aimantation axialement symétrique à la direction d'aimantation des segments d'aimant 23 de l'autre côté de l'axe radial central A. Par conséquent, les directions d'aimantation des segments d'aimant 23 d'un aimant permanent 17 sont symétriques par rapport à l'axe radial central A de l'aimant permanent 17. Les directions d'aimantation individuelles des segments d'aimants 23 de chaque aimant permanent 17 induisent une direction d'aimantation collective pseudo-circulaire en ce qui concerne tous les aimants permanents 17, avec une alternance de sens d'aimantation circulaire. La figure 3 illustre schématiquement une machine FSPM 10 selon un second mode de réalisation de l'invention, et en particulier un agrandissement d'une machine FSPM 10 sur lequel on peut voir l'arrangement d'un aimant permanent 17 entre deux modules 16 en forme de U selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans le second mode de réalisation, chaque aimant permanent 17 intercalé entre deux modules 16 en forme de U comprend trois segments d'aimant 24 et 25. Deux segments d'aimants latéraux 24 d'un aimant permanent 17 s'étendent de part et d'autre d'un segment d'aimant central 25 au travers duquel passe l'axe radial central A de l'aimant permanent 17. Comme montré par les flèches à l'intérieur de chaque segment d'aimant 24 et 25 de l'aimant permanent 17, chaque segment d'aimant latéral 24 d'un aimant permanent 17 possède une direction d'aimantation orientée selon un angle optimal a par rapport à l'axe radial central A de l'aimant. Dans un aimant permanent 17, les segments d'aimant latéraux 24 d'un côté du segment central 25 ont une direction d'aimantation axialement symétrique à la direction d'aimantation des segments d'aimant 23 de l'autre côté de l'aimant central 25. L'axe de symétrie est l'axe radial central A de l'aimant 17. Et le segment central 25 de l'aimant possède une direction d'aimantation orientée perpendiculairement à l'axe radial central A de l'aimant permanent 17. Pour un aimant permanent 17, si l'on considère un axe perpendiculaire à l'axe radial central A de l'aimant, les composantes des directions d'aimantation de chaque segment d'aimant 24 et 25 de l'aimant permanent 17 sont toutes orientées dans une même direction circulaire générale, c'est-à-dire dans selon un sens horaire ou anti- horaire. Par conséquent, les directions d'aimantation des segments d'aimants 24 et 25 d'un aimant permanent 17 sont symétriques par rapport à l'aimant central axe A de l'aimant permanent 17.

Ces directions d'aimantation individuels des segments d'aimants 24 et 25 de chaque aimant permanent 17 induisent une pseudo-direction d'aimantation circonférentielle collective en ce qui concerne tous les aimants permanents 17 dans des directions opposées. La figure 4 illustre schématiquement une machine FSPM 10 selon un troisième mode de réalisation de l'invention, et en particulier un agrandissement d'une machine FSPM 10 sur lequel on peut voir un aimant permanent 17 entre deux modules 16 en forme de U selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Dans le troisième mode de réalisation, chaque aimant permanent 17 intercalé entre deux modules 16 en forme de U se compose de quatre segments d'aimants 26 et 27. Deux premiers segments d'aimant 26 d'un aimant permanent 17 s'étendent d'un côté de l'axe radial central A de l'aimant permanent 17, et deux seconds segments d'aimant 27 s'étendent de l'autre côté de l'axe radial central A de l'aimant permanent 17. Comme montré par les flèches à l'intérieur de chaque segment d'aimant 26 et 27 de l'aimant permanent 17, chaque segment d'aimant 26 et 27 d'un aimant permanent 17 possède une direction d'aimantation orientée selon un angle optimal a de 40° par rapport à l'axe radial central A. Par conséquent, les directions d'aimantation des segments d'aimants 26 et 27 d'un aimant permanent 17 sont symétriques par rapport à l'axe radial central A de l'aimant permanent 17. Les directions d'aimantation individuels des segments d'aimants 26 et 27 de chaque aimant permanent 17 induisent une direction d'aimantation collective pseudo-circulaire en ce qui concerne tous les aimants permanents 17, avec une alternance de sens d'aimantation circulaire. L'invention fournit un stator amélioré d'une machine à aimants permanents à commutation de flux dans lequel l'effet de focalisation de flux a été augmenté, améliorant ainsi le couplage de flux de la machine à aimants permanents à commutation de flux en ce qui concerne l'angle de rotor, et fournissant ainsi une machine à aimants permanents à commutation de flux ayant un fonctionnement amélioré à haute vitesse, et une capacité de couple accrue en fonction de la tension d'entrée.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Stator (12) de machine (10) à aimants permanents commutation de flux comprenant un arrangement annulaire d'aimants permanents (17) séparés par des modules (16) en forme de U, caractérisé en ce que, chaque aimant permanent (17) du stator (12) comprend au moins deux segments (23, 24, 25, 26, 27) d'aimant permanent.
2. 2. Stator (12) selon la revendication 1, dans lequel au moins un segment (23, 24, 25, 26, 27) d'un aimant permanent (17) possède une direction d'aimantation différente de la direction d'aimantation de l'autre (ou des autres) segment(s) de l'aimant permanent (17)
3. 3. Stator (12) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les directions d'aimantation des segments (23, 24, 25, 26, 27) d'aimants permanents (17) sont réparties symétriquement de part et d'autre de l'axe radial central (A) de l'aimant permanent (17), l'axe radial central (A) correspondant à la direction radiale passant par le milieu de l'aimant permanent (17).
4. 4. Stator (12) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les deux segments (23, 24, 26, 27) d'aimants permanents (17) adjacents à un module (16) en forme de U ont des directions d'aimantation qui sont symétriquement opposés par rapport à un axe radial du stator (12) passant par le milieu dudit module (16) en forme de U.
5. 5. Stator (12) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel chaque aimant permanent (17) comporte un nombre pair de segments (23, 26, 27), chaque segment (23, 26, 27) ayant une direction d'aimantation définie par un angle optimal a de préférence inférieur à 90° par rapport à l'axe radial central (A) de l'aimant permanent (17).
6. 6. Stator (12) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel chaque aimant permanent (17) comporte un nombre impair de segments (24, 25), chaque aimant permanent (17) comprenant un segment médian (25) ayant une direction d'aimantation perpendiculaire à l'axe radial central (A) de l'aimant permanent (17), et un nombre pair de segments latéraux (24) ayant une direction d'aimantation définie parun angle optimal a inférieur à 90° par rapport à l'axe radial central (A) de l'aimant permanent (17).
7. 7. Machine (10) à aimants permanents à commutation de flux comprenant un stator (12) selon l'une des revendications 1 à 5.