FR3044484A1 - Rotor a griffes de machine electrique tournante a performances magnetiques ameliorees - Google Patents

Abstract

L'invention porte principalement sur un rotor de machine électrique tournante de véhicule automobile comportant: - au moins une roue polaire comprenant une pluralité de griffes (29), chaque griffe (29) comportant deux bords latéraux (51, 52) s'étendant entre une base (53) et une extrémité libre (54), ledit rotor étant caractérisé en ce qu'un ratio - du plus petit angle (A), exprimé en degrés, que forme un bord latéral (51, 52) d'une griffe (29) par rapport à une droite (M) perpendiculaire à ladite base (53) de la griffe (29) correspondante sur - un ratio intermédiaire - est compris entre 15 et 24, ledit ratio intermédiaire étant défini par une largeur (Lb) de ladite griffe (29) sur un pas polaire (Tp).

Description

ROTOR A GRIFFES DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A PERFORMANCES MAGNETIQUES AMELIOREES

La présente invention porte sur un rotor de machine électrique à performances magnétiques améliorées. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des alternateurs et des machines électriques réversibles pour véhicule automobile. Un alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique. Une machine réversible permet également de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique, notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule.

De façon connue en soi, un alternateur tel que décrit dans le document EP0762617 comporte un carter et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes, solidaire en rotation de manière directe ou indirecte d'un arbre, et un stator qui entoure le rotor avec présence d'un entrefer. Une poulie est fixée sur l'extrémité avant de l'arbre.

Le stator comporte un corps en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches équipées d'isolant d'encoches pour le montage du bobinage du stator. Le bobinage comporte une pluralité d’enroulements de phase traversant les encoches du corps et formant, avec tous les enroulements de phase, un chignon avant et un chignon arrière de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme de barre, tels que des épingles en forme de U dont les extrémités sont reliées entre elles par exemple par soudage.

Ces enroulements de phase sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle, dont les sorties sont reliées à au moins un module électronique de redressement comportant des éléments redresseurs, tels que des diodes ou des transistors.

Par ailleurs, le rotor comporte deux roues polaires. Chaque roue présente un flasque d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes d'une roue sont dirigées axialement vers le flasque de l'autre roue. Chaque griffe d'une roue polaire pénètre dans l'espace existant entre deux griffes voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les griffes des roues polaires sont imbriquées les unes par rapport aux autres. Un noyau cylindrique est intercalé axialement entre les flasques des roues. Ce noyau porte à sa périphérie externe un bobinage d'excitation bobiné dans un isolant intercalé radialement entre le noyau et ce bobinage. L’invention vise à maximiser le courant de sortie débité par la machine électrique en proposant un rotor de machine électrique tournante de véhicule automobile comportant : au moins une roue polaire comprenant une pluralité de griffes, chaque griffe comportant deux bords latéraux s'étendant entre une base et une extrémité libre, ledit rotor étant caractérisé en ce qu'un ratio du plus petit angle, exprimé en degrés, que forme un bord latéral d'une griffe par rapport à une droite perpendiculaire à ladite base de la griffe correspondante sur un ratio intermédiaire est compris entre 15 et 24, ledit ratio intermédiaire étant défini par une largeur de ladite griffe sur un pas polaire.

Une telle configuration de griffe permet de limiter les fuites magnétiques tout en optimisant la surface de la griffe au contact de l'entrefer, ce qui permet d'augmenter l'intensité du courant de sortie débité par la machine électrique.

Selon une réalisation, ledit ratio est compris entre 15 et 20 pour une machine électrique à 8 paires de pôles.

Selon une réalisation, ledit ratio est compris entre 20 et 24 pour une machine électrique à 6 paires de pôles.

Selon une réalisation, un chanfrein est réalisé dans un bord latéral de fuite d'au moins une griffe.

Selon une réalisation, un chanfrein est réalisé dans un bord latéral d'attaque d'au moins une griffe.

Selon une réalisation, une surface dudit chanfrein décroît lorsque l'on se déplace vers l'extrémité libre de ladite griffe correspondante.

Selon une réalisation, ladite surface dudit chanfrein est sensiblement nulle au niveau de l'extrémité libre de ladite griffe correspondante.

Selon une réalisation, un ratio d'une largeur maximale dudit chanfrein sur un pas polaire est compris entre 0,16 et 0,37.

Selon une réalisation, lesdites griffes de ladite roue polaire sont symétriques.

Selon une réalisation, lesdites griffes de ladite roue polaire sont dissymétriques.

Selon une réalisation, les angles que forment les bords latéraux d'une même griffe par rapport à la droite perpendiculaire à la base de ladite griffe sont différents l'un de l'autre.

Selon une réalisation, ledit rotor comporte des aimants interpolaires positionnés chacun à l'intérieur d'un espace séparant deux griffes successives.

Selon une réalisation, une longueur minimale d'une griffe est égale au rapport entre la plus grande largeur de ladite griffe et le double de la tangente de l'angle entre le bord latéral et la droite perpendiculaire à ladite base. En sélectionnant la plus petite longueur de griffe possible, on peut améliorer les performances en centrifugation de la machine.

Selon une réalisation, ledit ratio intermédiaire est compris entre 0.9 et 1.1. L'invention a également pour objet une machine électrique tournante de type alternateur ou une machine réversible caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor tel que précédemment défini. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.

La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un alternateur selon la présente invention;

La figure 2 est une vue schématique de dessus d'une griffe de roue polaire selon la présente invention;

Les figures 3a et 3b montrent deux courbes représentant l'intensité du courant de sortie d'un alternateur en fonction d'un ratio tel que défini ci-après respectivement pour une machine électrique à six et huit paires de pôles;

Les figures 4a et 4b sont des variantes de réalisation schématique du rotor selon la présente invention comportant respectivement un chanfrein ou deux chanfreins dans au moins une de ses griffes;

La figure 5 est une vue schématique de dessus illustrant un mode de réalisation d'une griffe dissymétrique.

Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. Dans la suite de la description, on considère qu'un élément "avant" est situé du côté de la poulie de la machine et qu'un élément "arrière" est situé du côté opposé.

On a représenté sur la figure 1 un alternateur 10 compact et polyphasé, notamment pour véhicule automobile. Cet alternateur 10 transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible. Un tel alternateur 10 réversible, appelé alterno-démarreur, permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule.

Cet alternateur 10 comporte un carter 11 et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes 12 monté sur un arbre 13, et un stator 16, qui entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer 17. Une poulie 14 est fixée sur l'arbre 13. Cette poulie appartient à un dispositif de transmission de mouvement à courroie entre l'alternateur 10 et le moteur thermique du véhicule automobile. L'axe X de l'arbre 13 forme l'axe de rotation du rotor 12.

Le stator 16 comporte un corps 19 en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi-fermées, équipées d'isolant d'encoches pour le montage des phases du stator 16. Chaque phase comporte au moins un enroulement traversant les encoches du corps 19 du stator 16 et forme, avec toutes les phases, un chignon avant 20 et un chignon arrière 21 de part et d'autre du corps de stator 19.

Les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme de barre, tels que des épingles reliées entre elles par exemple par soudage. Ces enroulements sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle, dont les sorties sont reliées à au moins un pont redresseur comportant des éléments redresseurs tels que des diodes ou des transistors du type MOSFET, notamment lorsqu'il s'agit d'un alterno-démarreur comme décrit par exemple dans le document FR2745445.

Le rotor 12 comporte deux roues polaires 24, 25 présentant chacune un flasque 28 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes 29 par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes 29 d'une roue 24, 25 sont dirigées axialement vers le flasque 28 de l'autre roue. Chaque griffe 29 d'une roue polaire 24, 25 pénètre dans l'espace existant entre deux griffes 29 voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont imbriquées les unes par rapport aux autres.

La périphérie externe des griffes 29 définit avec la périphérie interne du corps 19 du stator 16 l'entrefer 17 entre le stator 16 et le rotor 12. La périphérie interne des griffes 29 est inclinée, en sorte que les griffes 29 sont moins épaisses du côté de leur extrémité libre 54.

Un noyau cylindrique 30 est intercalé axialement entre les flasques 28 des roues 24, 25. En l'occurrence, le noyau 30 consiste en deux demi-noyaux appartenant chacun à l'un des flasques 28. Ce noyau 30 porte à sa périphérie externe une bobine d'excitation 31 bobinée dans un isolant 32 intercalé radialement entre le noyau 30 et la bobine 31.

Par ailleurs, le carter 11 comporte des paliers avant 35 et arrière 36 assemblés ensemble. Les paliers 35, 36 sont de forme creuse et portent chacun centralement un roulement 37, 38 à billes pour le montage à rotation de l'arbre 13 du rotor. Le palier arrière 36 porte un porte-balais 40 muni de balais 41 destinés à venir frotter contre des bagues 44 d'un collecteur 45 reliées par des liaisons filaires au bobinage d'excitation 31. Les balais 41 sont reliés électriquement à un régulateur de tension monté à l'extérieur de la machine.

Les paliers avant et arrière comportent des ouvertures sensiblement latérales avant 60 et arrière 61 en vue de permettre le refroidissement de l'alternateur 10 par circulation d'air engendrée par la rotation d'un ventilateur 62 positionné sur la face avant du rotor et d'un autre ventilateur 63 positionné sur la face arrière du rotor. Chaque ventilateur 62, 63 est pourvu d'une pluralité de pales 64. Les ouvertures latérales avant 60 et arrière 61 sont en regard des chignons respectivement avant 20 et arrière 21.

Plus précisément, comme on peut le voir sur la figure 2, chaque griffe 29 de forme trapézoïdale comporte un bord d'attaque 51 entrant le premier en contact avec l'air suivant le sens de rotation du rotor 12 indiqué par la flèche SR et un bord de fuite 52 situé du côté opposé par rapport au bord d'attaque 51. Ces bords 51,52 s'étendent entre la base 53 de la griffe 29, qui coïncide localement avec la périphérie externe du flasque 28 correspondant, et l'extrémité libre 54 de la griffe 29.

On définit un ratio Lg entre la plus grande largeur Lb de la griffe mesurée suivant une direction circonférentielle et un pas polaire Tp, soit Lg=Lb/Tp. Le pas polaire Tp est égal au rapport entre la circonférence interne du stator 16 et le nombre de pôles de la machine, soit Tp= πϋ/2ρ avec D étant le diamètre interne du stator 16 et p étant le nombre de paires de pôles de la machine électrique. Le ratio Lg est de préférence compris entre 0.9 et 1.1. Autrement dit, la largeur Lb de la griffe 29 est proche du pas polaire Tp.

On définit en outre un ratio R entre l'angle A exprimé en degrés et le ratio Lg, soit R=A/Lg. On précise que l'angle A correspond au plus petit angle que forme un bord latéral 51, 52 d'une griffe 29 par rapport à une droite M perpendiculaire à la base 53 de la griffe 29 correspondante. La droite M correspond ici à la droite médiane de la griffe 29 passant par le centre de la base 53, mais pourrait être en variante toute autre droite parallèle à cette droite de référence. Le ratio R est compris entre 15 et 24.

Plus précisément, comme cela est illustré par la courbe de la figure 3a qui montre l'évolution du courant de sortie Is de l'alternateur en fonction du ratio R pour une machine à six paires de pôles, le ratio optimal R est compris entre 20 et 24 pour une telle machine électrique.

Comme cela est illustré par la courbe de la figure 3b qui montre l'évolution du courant de sortie Is de l'alternateur en fonction du ratio R pour une machine à huit paires de pôles, le ratio optimal R est compris entre 15 et 20 pour une telle machine électrique. L'obtention d'un ratio R optimal s'explique par le fait que pour une largeur de pôle donnée, lorsque l'angle A augmente, les fuites magnétiques diminuent dans un premier temps, ce qui entraîne une augmentation du courant de sortie Is. Le courant de sortie Is atteint une valeur maximum pour diminuer ensuite en raison de la diminution de la surface de la griffe 29, laquelle entraîne une réduction de flux qui devient plus importante que la réduction des fuites magnétiques.

En outre, une longueur minimale Lz d'une griffe 29 mesurée suivant une direction axiale est égale au rapport entre la plus grande largeur Lb de la griffe 29 et le double de la tangente de l'angle A. Ainsi, on a Lz=Lb/(2xtan(A)). En sélectionnant la plus petite longueur Lz de griffe possible, on peut améliorer les performances en centrifugation du rotor 12.

Dans l'exemple de réalisation, les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont symétriques, c’est-à-dire que la droite médiane M passant par le centre de la base 53 passe également par l'extrémité libre 54 de la griffe 29. Dans ce cas, les angles A que forment les bords latéraux d'une même griffe 29 par rapport à la droite perpendiculaire D1 à la base 53 de la griffe 29 sont égaux.

En variante, comme cela est illustré par la figure 5, les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont dissymétriques, c’est-à-dire que la médiane M passant par le centre de la base 53 est décalée par rapport à une droite parallèle D1 passant par l'extrémité libre 54 de la griffe 29 correspondante. Une griffe 29 dissymétrique peut être penchée dans le sens de rotation SR comme c'est le cas sur la figure 5 (cf. flèche F1) ou dans le sens opposé au sens de rotation SR. Dans tous les cas, les angles A que forment les bords latéraux d'une même griffe 29 par rapport à la droite perpendiculaire D1 à la base 53 de la griffe 29 sont différents. Ainsi, l'angle A situé du côté du bord d'attaque 51 est différent par rapport à l'angle A' situé du côté du bord de fuite 52 de la griffe 29 correspondante. De préférence, les ratios liés respectivement aux angles A et A sont compris entre 15 et 24.

Par ailleurs, comme cela est illustré par la figure 4a, un chanfrein 57 pourra être réalisé dans le bord de fuite 52 de chaque griffe 29 des roues polaires 24, 25. La surface du chanfrein 57 en l'occurrence de forme globalement triangulaire décroît lorsque l'on se déplace vers une extrémité libre 54 de la griffe 29. La surface du chanfrein 57 est sensiblement nulle au niveau de l'extrémité libre 54 de la griffe 29.

On définit un ratio R' entre une largeur maximale Chb_max du chanfrein 57 et le pas polaire Tp, soit R'= Chb_max/Tp. La largeur maximale Chb_max est mesurée suivant une direction circonférentielle. Le ratio optimal R' est compris entre 0,16 et 0,37. En variante, comme on peut le voir sur la figure 4b, les chanfreins 57 sont réalisés dans les bords de fuite 52 et les bords d'attaque des griffes 29. Cette configuration de chanfrein permet de diminuer le bruit de la machine électrique.

Le rotor 12 pourra le cas échéant comporter des aimants interpolaires 46 positionnés chacun à l'intérieur d'espaces 66 séparant deux griffes 29 successives (cf. figure 4b). Les aimants 46 pourront être positionnés à l'intérieur de tous les espaces 66 interpolaires ou uniquement à l'intérieur de certains d'entre eux et répartis de façon régulière suivant la circonférence du rotor 12. Les aimants 46 pourront être réalisés en terres rare NeFeB (Neodyme-Fer-Bore) ou SmCo (Samarium-Cobalt). Le choix du matériau et du nombre d'aimants interpolaires 46 permettent d'ajuster aisément les propriétés magnétiques du rotor 12 à la puissance recherchée de l'alternateur.

Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS

   1. Rotor (12) de machine électrique tournante de véhicule automobile comportant : au moins une roue polaire (24, 25) comprenant une pluralité de griffes (29), chaque griffe (29) comportant deux bords latéraux (51, 52) s'étendant entre une base (53) et une extrémité libre (54), ledit rotor étant caractérisé en ce qu'un ratio (R) du plus petit angle (A), exprimé en degrés, que forme un bord latéral (51, 52) d'une griffe (29) par rapport à une droite (M) perpendiculaire à ladite base (53) de la griffe (29) correspondante sur un ratio intermédiaire (Lg) est compris entre 15 et 24, ledit ratio intermédiaire (Lg) étant défini par une largeur (Lb) de ladite griffe (29) sur un pas polaire (Tp).
2. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ratio (R) est compris entre 15 et 20 pour une machine électrique à 8 paires de pôles.
3. 3. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ratio (R) est compris entre 20 et 24 pour une machine électrique à 6 paires de pôles.
4. 4. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un chanfrein (57) est réalisé dans un bord latéral de fuite (52) d'au moins une griffe (29).
5. 5. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un chanfrein (57) est réalisé dans un bord latéral d'attaque (51) d'au moins une griffe (29).
6. 6. Rotor selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'une surface dudit chanfrein (57) décroît lorsque l'on se déplace vers l'extrémité libre (54) de ladite griffe (29) correspondante.
7. 7. Rotor selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite surface dudit chanfrein (29) est sensiblement nulle au niveau de l'extrémité libre (54) de ladite griffe (29) correspondante.
8. 8. Rotor selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'un ratio (R') d'une largeur maximale (chb_max) dudit chanfrein (57) sur un pas polaire (Tp) est compris entre 0,16 et 0,37.
9. 9. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites griffes (29) de ladite roue polaire (24, 25) sont symétriques.
10. 10. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites griffes (29) de ladite roue polaire (24, 25) sont dissymétriques.
11. 11. Rotor selon la revendication 10, caractérisé en ce que les angles (A) que forment les bords latéraux (51, 52) d'une même griffe (29) par rapport à la droite (M) perpendiculaire à la base (53) de ladite griffe (29) sont différents l'un de l'autre.
12. 12. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte des aimants interpolaires (46) positionnés chacun à l'intérieur d'un espace (66) séparant deux griffes (29) successives.
13. 13. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'une longueur minimale (Lz) d'une griffe (29) est égale au rapport entre la plus grande largeur (Lb) de ladite griffe (29) et le double de la tangente de l'angle (A) entre le bord latéral (51, 52) et la droite (M) perpendiculaire à ladite base (53).
14. 14. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ledit ratio intermédiaire (Lg) est compris entre 0.9 et 1.1.
15. 15. Machine électrique tournante de type alternateur ou machine réversible caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.