FR3080717A1 - Rotor de machine electrique tounante munie d'une repartition optimisee d'aimants interpolaires - Google Patents

Rotor de machine electrique tounante munie d'une repartition optimisee d'aimants interpolaires Download PDF

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Abstract

L'invention porte principalement sur un rotor (12) de machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant: - une première roue polaire (27.1) comportant une série de griffes (29.1), - une deuxième roue polaire (27.2) comportant une série de griffes (29.2), - les griffes (29.1) de la première roue polaire (27.1) et les griffes (29.2) de la deuxième roue polaire (27.2) étant imbriquées les unes par rapport aux autres, de sorte que deux griffes (29.1, 29.2) adjacentes appartiennent à deux roues polaires (27.1, 27.2) différentes, - deux griffes (29.1, 29.2) adjacentes étant séparées entre elles par un espace interpolaire (42), caractérisé en ce que des aimants permanents (43) sont disposés à l'intérieur d'une partie seulement des espaces interpolaires (42).

Description

ROTOR DE MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UNE RÉPARTITION OPTIMISÉE D'AIMANTS INTERPOLAIRES
La présente invention concerne les machines électriques tournantes, notamment de type alternateur ou alterno-démarreur, destinées aux véhicules automobiles.
Plus précisément, l'invention concerne les machines électriques tournantes dont le rotor comporte au moins un bobinage d'excitation, des pôles magnétiques, et des aimants permanents disposés entre les pôles magnétiques. Du fait de cette disposition, ces aimants sont appelés aimants interpolaires.
Typiquement, le rotor a une structure à griffes. Une telle structure est constituée de deux roues polaires, opposées et imbriquées, chacune comprenant des griffes. Chaque griffe d'une roue polaire s'étend en direction de l'autre roue polaire. De plus, chaque griffe s'insère entre deux griffes consécutives de la roue polaire opposée. En outre, le rotor comporte un bobinage d'excitation enroulé autour d'un noyau central.
Le rotor est entouré par un stator avec présence d'un entrefer entre la périphérie externe du rotor et la périphérie interne du stator. Lorsque la machine tournante est en fonctionnement, le rotor tourne autour de son axe, et un flux magnétique circule entre les pôles magnétiques adjacents, de polarités respectives opposées, en passant par les enroulements du stator. Les aimants interpolaires servent à empêcher le flux magnétique de passer directement d'un pôle à l'autre sans passer par le stator.
Cette fuite de flux d'un pôle à l'autre sans passer par le stator affecte en effet le rendement, et pénalise les performances en puissance de la machine électrique tournante. En effet, le flux passant directement d'une griffe à l'autre sans passer par le stator ne participe pas au fonctionnement de la machine. L'utilisation des aimants interpolaires permet de limiter ces fuites.
On connaît des aimants interpolaires de forme globalement parallélépipédique. Chacun est placé dans un espace interpolaire correspondant s'étendant entre deux griffes adjacentes du rotor, appartenant chacune, respectivement, à l'une des deux roues polaires. Généralement, le rotor comporte au moins un aimant à l'intérieur de chaque espace interpolaire.
En raison du coût de la matière première dans laquelle ils sont réalisés, par exemple en terres rares ou en ferrite, ces aimants interpolaires représentent une partie substantielle du coût du rotor. Les principales sources de matière première utilisées pour ces aimants sont limitées en nombre et contrôlées dans leur exploitation. La matière première est donc sujette à une spéculation financière qui a fait exploser son niveau de prix.
L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un rotor de machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant:
- une première roue polaire comportant une série de griffes,
- une deuxième roue polaire comportant une série de griffes,
- les griffes de la première roue polaire et les griffes de la deuxième roue polaire étant imbriquées les unes par rapport aux autres, de sorte que deux griffes adjacentes appartiennent à deux roues polaires différentes, deux griffes adjacentes étant séparées entre elles par un espace interpolaire, caractérisé en ce que des aimants permanents sont disposés à l'intérieur d'une partie seulement des espaces interpolaires.
L'invention permet ainsi, en réduisant le nombre total d'aimants interpolaires utilisés, d'obtenir un compromis optimal entre les performances magnétiques et le coût de revient du rotor.
Selon une réalisation, un espace interpolaire sur deux est rempli par au moins un aimant permanent.
Selon une réalisation, ledit rotor comporte une alternance circonférentielle d'un premier ensemble de deux espaces interpolaires successifs contenant chacun au moins un aimant permanent et d'un deuxième ensemble de deux espaces interpolaires successifs dépourvus d'aimant permanent.
Selon une réalisation, le premier ensemble de deux espaces interpolaires et le deuxième ensemble de deux espaces interpolaires sont consécutifs.
Selon une réalisation, le rotor comporte une alternance circonférentielle d'un espace interpolaire contenant au moins un aimant permanent et d'un espace interpolaire consécutif dépourvu d'aimant permanent.
Selon une réalisation, les aimants permanents sont de même nuance.
Selon une réalisation, la nuance des aimants permanents est choisie parmi les ferrites ou les terres rares.
Selon une réalisation, chaque aimant permanent est maintenu radialement par des lèvres chacune réalisée sur un des bords latéraux opposés des griffes entre lesquelles l'aimant permanent est situé.
Selon une réalisation, une laminette est interposé entre un aimant permanent et les lèvres de maintien correspondantes.
L'invention a également pour objet une machine électrique tournante caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor tel que précédemment défini.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante prend la forme d'un alternateur ou d'un alterno-démarreur.
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 montre une vue en coupe transversale d'une machine électrique tournante selon la présente invention;
Les figures 2a et 2b sont des vues de dessus et de face illustrant un premier mode de réalisation du rotor de machine électrique tournante selon la présente invention;
La figure 3 montre une vue de face illustrant un deuxième mode de réalisation du rotor de machine électrique tournante selon la présente invention.
Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d’une figure à l’autre.
On a représenté sur la figure 1 un alternateur 10 compact et polyphasé, notamment pour véhicule automobile. L'alternateur 10 est apte à transformer de l'énergie mécanique en énergie électrique et pourra être réversible. Un tel alternateur 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 15, qui entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer entre la périphérie externe du rotor 12 et la périphérie interne du stator 15. L'axe X suivant lequel s'étend l'arbre 13 forme l'axe de rotation du rotor 12.
Le carter 11 comporte des paliers avant 16 et arrière 17 portant le stator 15. Les paliers 16, 17 sont de forme creuse et portent chacun centralement un roulement à billes 18 pour le montage à rotation de l'arbre 13.
Le stator 15 comporte un corps 20 en forme de paquet de tôles doté d'encoches équipées d'isolant d'encoches pour le montage d'un bobinage
21. Le bobinage 21 comporte au moins un enroulement de phase traversant les encoches du corps de stator 20 et forme, avec tous les enroulements, un chignon avant 23 et un chignon arrière 24 de part et d'autre du corps de stator 20. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées électriquement entre elles par exemple par soudage. Les enroulements de phase sont reliés électriquement à un module électronique de puissance comportant notamment un pont redresseur.
Par ailleurs, le rotor 12 comporte une première roue polaire 27.1 et une deuxième roue polaire 27.2. La première roue polaire 27.1 présente un premier flasque 28.1 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe d'une série de griffes 29.1. La deuxième roue polaire 27.2 présente un deuxième flasque 28.2 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe d'une série de griffes 29.2.
Les griffes 29.1,29.2 sont par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes 29.1, 29.2 d'une roue polaire 27.1, 27.2 sont dirigées axialement vers le flasque de l'autre roue polaire 27.1, 27.2. Chaque griffe
29.1, 29.2 d'une roue polaire 27.1, 27.2 est insérée entre deux griffes consécutives de l'autre roue polaire 27.1, 27.2, de sorte que les griffes 29.1,
29.2 des roues polaires 27.1, 27.2 sont imbriquées les unes par rapport aux autres.
Un noyau cylindrique 31 est intercalé axialement entre les flasques 28.1,
28.2 des roues polaires 27.1,27.2. En l'occurrence, le noyau 31 consiste en deux demi-noyaux appartenant chacun à l'un des flasques 28.1,28.2.
Un bobinage d'excitation 33 est bobiné autour de la périphérie externe du noyau 31. Un élément isolant 34 pourra être intercalé radialement entre le noyau 31 et le bobinage 33. Le courant circulant dans le bobinage 33 génère un flux magnétique, de sorte que les griffes 29.1, 29.2 des roues polaires
27.1, 27.2 constituent des pôles magnétiques opposés l'un par rapport à l'autre.
L'arbre 13 pourra être emmanché à force dans l'alésage central des roues polaires 27.1, 27.2. Du côté de son extrémité avant, l'arbre 13 porte une poulie 35. La poulie 35 appartient à un dispositif de transmission de mouvements à au moins une courroie entre l'alternateur et le moteur thermique du véhicule automobile.
Le palier arrière 17 porte un porte-balais 37 muni de balais 38 destinés à venir frotter contre des bagues 39 d'un collecteur 40 pour assurer l'alimentation du bobinage du rotor 12.
Comme on peut le voir sur la figure 2a, deux griffes 29.1, 29.2 adjacentes appartenant à deux roues polaires 27.1,27.2 différentes sont séparées entre elles par un espace interpolaire 42. Afin de limiter les fuites magnétiques du rotor 12, des aimants permanents 43 sont disposés à l'intérieur d'une partie seulement des espaces interpolaires 42. Ces aimants permanents 43 sont disposés de façon régulière suivant une circonférence du rotor 12.
Avantageusement, un espace interpolaire 42 sur deux est rempli par un aimant permanent 43. Dans les exemples représentés, on dispose un seul aimant permanent 43 à l'intérieur d'un espace interpolaire 42 correspondant. En variante, il serait toutefois possible de disposer deux aimants permanents 43 ou plus à l'intérieur d'un espace interpolaire 42 donné.
Dans le mode de réalisation des figures 2a et 2b, le rotor 12 comporte une alternance circonférentielle d'un premier ensemble E1 de deux espaces interpolaires 42 successifs contenant chacun au moins un aimant 43 et d'un deuxième ensemble E2 de deux espaces interpolaires 42 successifs dépourvus d'aimant 43. Le premier ensemble E1 de deux espaces interpolaires 42 et le deuxième ensemble E2 de deux espaces interpolaires sont consécutifs. Les espaces interpolaires 42 de l'ensemble E1 remplis par un aimant 43 sont disposés de part et d'autre d'une griffe 29.1 ou 29.2 d'une des roues polaires. Une griffe sur deux de cette roue polaire est ainsi entourée par des aimants 43. Sur la figure 2b, il s'agit des griffes 29.1 de la roue polaire 27.1.
Autrement dit, si 1 désigne un espace interpolaire 42 contenant un aimant et 0 désigne un espace interpolaire 42 dépourvu d'aimant 43, le rotor 12 présente un motif d'aimants successifs du type 1-1-0-0 qui se répète suivant toute la circonférence du stator 15. Une telle configuration permet de faciliter l'indexage en rotation des roues polaires 27.1, 27.2 l'une par rapport à l'autre. En effet, une griffe sur deux d'une roue polaire 27.1 ou 27.2 présentant des aimants 43 de part et d'autre, cet ensemble pourra être plus facilement guidé entre les griffes adjacentes de l'autre roue polaire 27.1,27.2 lors du montage du rotor 12.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, le rotor 12 comporte une alternance circonférentielle d'un espace interpolaire 42 contenant au moins un aimant 43 et d'un espace interpolaire 42 consécutif dépourvu d'aimant 43. Autrement dit, si 1 désigne un espace interpolaire 42 contenant un aimant 43 et 0 désigne un espace interpolaire 42 dépourvu d'aimant 43, le rotor 12 présente un motif d'aimants successifs du type 1-0-1-0 qui se répète suivant toute la circonférence du stator 15. Une telle configuration permet de limiter les fuites magnétiques de façon uniforme suivant toute la circonférence du rotor 12, alors qu'avec une configuration de type 1-1-0-0 les fuites magnétiques sont limitées pour une griffe 29.1,29.2 sur deux.
Le tableau ci-dessous met en évidence le gain de performance obtenu avec une configuration de type 1-0-1-0 par rapport à une configuration du type 1-1-0-0.
Configuration d'aimants 1-1-0-0 1-0-1-0
Vitesse de rotation tr/min 2000 2000
Tension de batterie Vdc 13.5 13.5
Température ambiante °C 25 25
Température du bobinage °C 25 25
Température des aimants °C 25 25
Courant dans le rotor 12 Adc 15.0 15.0
Courant de sortie de la machine Adc 169.3 174.2
Différence absolue Adc +4.9
Différence relative +2.9%
La configuration de type 1-0-1-0 permet ainsi d'obtenir un gain en courant de près de 5A correspondant à une augmentation de près de 3% par rapport à une configuration de type 1-1-0-0.
Les aimants permanents 43 sont avantageusement de même nuance. Les aimants permanents 43 pourront ainsi être réalisés en ferrites ou en terres rares. En variante, les aimants permanents 43 pourront toutefois être de nuance différente les uns par rapport aux autres.
Un aimant permanent 43 pourra être maintenu par deux lèvres 45 chacune réalisée sur un des bords latéraux opposés des griffes 29.1, 29.2 entre lesquelles l'aimant 43 est situé. II est également possible de prévoir des laminettes 46 rapportées interposées chacune entre deux lèvres 45 et une périphérie externe d'un aimant permanent 43 correspondant.
Chaque laminette 46 prend la forme d'une plaquette réalisée dans un matériau moins rigide que le matériau des aimants 43. II pourra par exemple s'agir de fibres de verre noyées dans une matière plastique pré-imprégnée. La laminette 46 est une plaquette plate rectangulaire ayant les mêmes dimensions et la même forme que la face externe de l'aimant 43 qu'elle recouvre avec ses bords en coïncidence. Une couche de colle plus souple que l'aimant 43 est interposée entre l'aimant 43 et la laminette 46.
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 5 en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Rotor (12) de machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant:
    - une première roue polaire (27.1) comportant une série de griffes (29.1),
    - une deuxième roue polaire (27.2) comportant une série de griffes (29.2),
    - les griffes (29.1) de la première roue polaire (27.1) et les griffes (29.2) de la deuxième roue polaire (27.2) étant imbriquées les unes par rapport aux autres, de sorte que deux griffes (29.1, 29.2) adjacentes appartiennent à deux roues polaires (27.1,27.2) différentes,
    - deux griffes (29.1,29.2) adjacentes étant séparées entre elles par un espace interpolaire (42), caractérisé en ce que des aimants permanents (43) sont disposés à l'intérieur d'une partie seulement des espaces interpolaires (42).
  2. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un espace interpolaire sur deux est rempli par au moins un aimant permanent (43).
  3. 3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une alternance circonférentielle d'un premier ensemble (E1) de deux espaces interpolaires (42) successifs contenant chacun au moins un aimant permanent (43) et d’un deuxième ensemble (E2) de deux espaces interpolaires (42) successifs dépourvus d'aimant permanent (43).
  4. 4. Rotor selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier ensemble (E1) de deux espaces interpolaires (42) et le deuxième ensemble (E2) de deux espaces interpolaires (42) sont consécutifs.
  5. 5. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rotor (12) comporte une alternance circonférentielle d'un espace interpolaire (42) contenant au moins un aimant permanent (43) et d'un espace interpolaire (42) consécutif dépourvu d'aimant permanent (43).
  6. 6. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les aimants permanents (43) sont de même nuance.
  7. 7. Rotor selon la revendication 6, caractérisé en ce que la nuance des aimants permanents (43) est choisie parmi les ferrites ou les terres rares.
  8. 8. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque aimant permanent (43) est maintenu radialement par des
    5 lèvres (45) chacune réalisée sur un des bords latéraux opposés des griffes (29.1,29.2) entre lesquelles l'aimant est situé.
  9. 9. Rotor selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une laminette (46) est interposé entre un aimant permanent (43) et les lèvres (45) de maintien correspondantes.
    ίο
  10. 10. Machine électrique tournante (10) caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor (12) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  11. 11. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle prend la forme d'un alternateur 15 ou d'un alterno-démarreur.
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