FR3086119A1 - Machine electrique tournante munie d'un rotor a inertie reduite - Google Patents
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Abstract
L'invention porte principalement sur une machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor (11) et un stator (12), ledit rotor (11) comprenant: - un corps de rotor (27) comportant un paquet de tôles en matière ferromagnétique, - des pôles magnétique (PM) définis chacun par des aimants permanents (30) disposés à l'intérieur de deux uniques logements (28) par pôle magnétique présentant, dans une coupe suivant un plan orthogonal à un axe de rotation (X) du rotor, une forme en V, - des premières zones de retrait (Z1) de matière ferromagnétique s'étendant chacune, dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation (X) du rotor, entre deux aimants permanents (30) d'un même pôle magnétique (PM) et une périphérie externe du rotor (11), - des deuxièmes zones de retrait (Z2) de matière ferromagnétique s'étendant chacune, dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation (X) du rotor, entre deux aimants permanents (30) de deux pôles magnétiques (PM) différents adjacents et une périphérie interne du rotor (11).
Description
MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UN ROTOR À INERTIE RÉDUITE
La présente invention porte sur une machine électrique tournante munie d'un rotor à inertie réduite. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques utilisées dans les véhicules automobiles.
De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes.
Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans le corps de rotor.
Par ailleurs, le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre de rotor par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le stator comporte un corps muni d'une pluralité de dents définissant des encoches, et un bobinage inséré dans les encoches du stator. Le bobinage est obtenu par exemple à partir de fils continus recouverts d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, les phases de la machine sont formées à partir de bobines individuelles enroulées chacune autour d'une dent statorique.
Les machines électriques utilisées pour des applications de véhicule hybride ou électrique, notamment celles entraînées sans courroie de distribution, peuvent être introduites dans des systèmes dont le fonctionnement requiert des changements de vitesses brusques et rapides. Pour que le moteur électrique puisse fonctionner de façon optimale, il est important qu’il puisse être capable de changer de vitesse de rotation au moins aussi rapidement que les autres composants. Il existe donc le besoin de réduire l'inertie du rotor afin que la machine puisse réponse à ces changements de vitesse.
L'invention vise à combler efficacement ce besoin en proposant une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor et un stator, ledit rotor comprenant:
- un corps de rotor comportant un paquet de tôles en matière ferromagnétique,
- des pôles magnétiques définis chacun par des aimants permanents disposés à l'intérieur de deux uniques logements par pôle magnétique présentant, dans une coupe suivant un plan orthogonal à un axe de rotation du rotor, une forme en V,
- des premières zones de retrait de matière ferromagnétique s'étendant chacune, dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor, entre deux aimants permanents d'un même pôle magnétique et une périphérie externe du rotor,
- des deuxièmes zones de retrait de matière ferromagnétique s'étendant chacune, dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor, entre deux aimants permanents de deux pôles magnétiques différents adjacents et une périphérie interne du rotor.
L'invention permet ainsi, grâce à la réalisation des zones de retrait de matière dans le corps de rotor, de réduire l’inertie de celui-ci et ainsi améliorer les performances dynamiques de la machine électrique tournante. L'invention pourra également permettre de réduire les harmoniques de courant, notamment les harmoniques de rang 3, ainsi que les pertes Joules.
Selon une réalisation, les zones de retrait de matière ferromagnétique sont présentes sur au moins 80 % des tôles constituant le paquet de tôles.
Selon une réalisation, une distance minimale entre une première zone de retrait de matière ferromagnétique et une périphérie externe du rotor est comprise entre 0.2 fois une longueur d'un plus petit côté d'aimant permanent et 1.05 fois une longueur d'un plus petit côté d'aimant permanent dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor.
Selon une réalisation, une somme entre
- le double d'une distance minimale entre un bord d'une première zone de retrait de matière ferromagnétique et un bord du logement d'aimant le plus proche, et
- une distance minimale entre deux évidements situés de part et d'autre d'un axe de symétrie séparant un pôle magnétique en deux,
- est comprise entre 0.3 fois une longueur d'un plus grand côté d'aimant permanent et 0.75 fois la longueur d'un plus grand côté d'aimant permanent dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor.
Selon une réalisation, une distance minimale entre un bord d'une deuxième zone de retrait de matière ferromagnétique et un bord d'un logement d'aimant permanent le plus proche est compris entre 0.6 fois une longueur d'un plus petit côté d'aimant permanent et 5/4 fois la longueur d'un plus petit côté d'aimant permanent dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor.
Selon une réalisation, une distance minimale entre un bord d'une deuxième zone de retrait de matière ferromagnétique et une périphérie externe du rotor est comprise entre 0.5 fois une longueur d'un plus grand côté d'aimant permanent et 1.16 fois la longueur d'un plus grand côté d'aimant permanent dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor.
Selon une réalisation, une distance minimale entre un bord d'une deuxième zone de retrait de matière ferromagnétique et une périphérie interne du rotor est comprise entre 20 divisé par un nombre de paires de pôles du rotor et 60 divisé par le nombre de paires de pôles du rotor.
Selon une réalisation, une distance entre deux deuxièmes zones de retrait de matière ferromagnétique adjacentes est comprise entre 15 divisé par un nombre de paires de pôles du rotor et 40 divisé par le nombre de paires de pôles du rotor.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une configuration à flux radial.
Selon une réalisation, le stator comporte des enroulements couplés en triangle ou en double triangle ou en étoile ou en double étoile.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un nombre de pôles sélectionné parmi 4, 6, 8, 10, 12, 14 ou 16.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante est associée à un onduleur et une batterie ayant une tension de bus continue fonctionnant entre 24 et 60 Volts.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance comprise entre 10kW et 50kW.
Selon une réalisation, un diamètre externe du stator est compris entre 80mm et 180mm.
Selon une réalisation, un diamètre externe du stator est sélectionné parmi une des valeurs suivantes 90, 100, 110, 144, 153, 161mm.
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 partielle de la machine électrique tournante selon la présente invention;
La figure 2 est une vue détaillée du rotor selon l'invention montrant les différentes dimensions prises en compte pour définir les zones de retrait de matière;
Les figures 3a à 3d montrent des représentations graphiques normalisées d'un pourcentage d'inertie et d'un pourcentage de couple en fonction de paramètres dimensionnels d'un rotor;
La figure 4 est une vue en coupe transversale illustrant un mode de réalisation de l'invention dans lequel les zones de retrait de matière comportent chacune plusieurs évidements.
Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 comportant un rotor 11 ayant un axe de rotation X correspondant à l'axe de la machine. Le rotor 11 est destiné à être monté sur un arbre (non représenté). Un stator bobiné 12, qui est polyphasé, entoure coaxialement le rotor 11. Le stator 12 et le rotor 11 sont séparés entre eux par un entrefer 13. L'épaisseur de l'entrefer 13 pourra être constante ou variable suivant la circonférence du rotor 11, tel que montré en figure 4. La machine électrique 10 pourra être associée à un onduleur et une batterie ayant une tension de bus continue fonctionnant entre 24 et 60 Volts. La puissance maximale de la machine 10 est comprise entre 10kW et 50kW. La machine électrique 10 comporte un nombre de pôles sélectionné avantageusement parmi 4, 6, 8, 10, 12, 14 ou 16.
Plus précisément, le stator 12 montré partiellement sur la figure 1 comporte un corps 16 et un bobinage 17. Le corps de stator 16 consiste en un empilement axial de tôles planes. Le corps 16 comporte des dents 20 réparties angulairement de manière régulière. Ces dents 20 délimitent des encoches 24, de telle façon que chaque encoche 24 est délimitée par deux dents 20 successives. Les encoches 24 débouchent axialement dans les faces d'extrémité axiales du corps 16. Les encoches 24 sont également ouvertes radialement vers l'intérieur du corps 16.
Le stator 12 est muni de pieds de dent 25 du côté des extrémités libres des dents 20. Chaque pied de dent 25 s'étend circonférentiellement de part et d'autre d'une dent 20 correspondante. En variante, le stator 12 est dépourvu de pieds de dent.
Un diamètre externe du stator 12 est par exemple compris entre 80 et 180mm. Un diamètre externe du stator 12 est notamment sélectionné parmi une des valeurs suivantes: 90, 100, 110, 144, 153, 161mm.
Le bobinage 17 comporte des enroulements de phase couplés en triangle ou en double triangle ou en étoile ou en double étoile. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir de fils continus recouverts d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. De préférence, le bobinage est de type distribué. Avantageusement, la machine électrique 10 présente une configuration à flux magnétique radial, c'est à dire que les transferts de flux entre le rotor 11 et stator 12 s'effectuent majoritairement suivant une direction radiale par rapport à l'axe X de la machine électrique 10.
Par ailleurs, le rotor 11 comporte un corps 27 formé par un paquet de tôles planes afin de diminuer les courants de Foucault. Le corps 27 est réalisé dans un matériau ferromagnétique.
Le rotor 11 comporte en outre des logements 28 destinés à recevoir des aimants permanents 30 formant des pôles magnétiques PM.
Chaque pôle PM est formé par au moins deux aimants permanents 30 disposés dans deux logements 28 uniques qui définissent, dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation X du rotor 11, une forme en V. Ainsi, le rotor 11 comporte deux logements 28 uniques par pôle magnétique PM. Par forme en V, on entend le fait que dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation X du rotor 11, les axes longitudinaux X1, X2 des logements 28 des aimants 30 d'un pôle PM forment un angle A1 non nul entre eux. Les logements 28 correspondants sont en l'occurrence distincts l'un de l'autre. En variante, les logements 28 pourraient se rejoindre au niveau de la pointe du V. De préférence, chaque pôle PM comporte uniquement deux logements d'aimants 28, c’est-à-dire qu'il est dépourvu d'autres logements contenant des aimants. En outre, les pôles PM sont disposés suivant une seule couche circonférentielle d'aimants 30.
Les aimants permanents 30 pourront être réalisés en ferrite ou en terre rare selon les applications et la puissance recherchée de la machine 10. En variante, les aimants permanents 30 peuvent être de nuance différente pour réduire les coûts.
Avantageusement, le rotor 11 comporte des premières zones Z1 de retrait de matière s'étendant chacune, dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation X du rotor 11, entre deux aimants 30 d'un même pôle magnétique PM et une périphérie externe du rotor 11, ainsi que des deuxièmes zones Z2 de retrait de matière s'étendant chacune entre deux aimants 30 de deux pôles magnétiques PM différents adjacents et une périphérie interne du rotor 11.
Les zones de retrait de matière Z1, Z2 sont présentes sur au moins 80 % des tôles constituant le paquet de tôles. Une zone de retrait de matière Z1, Z2 consiste en un évidement 32, ou plusieurs évidements 32, pratiqués dans au moins une tôle du paquet de tôles du rotor 11, notamment chaque tôle. Un évidement 32 pourra être réalisé suivant une ou plusieurs formes régulières, de type cercle, polygone, ellipse, ou suivant un motif quelconque. Les formes, les positions, et les tailles des zones Z1 et Z2 sont déterminées de façon à obtenir une réduction significative de l’inertie du rotor 11 sans dégrader les performances de la machine électrique 10.
Les zones de retrait de matière Z1, Z2 sont définies à partir des dimensions indiquées ci-après et montrées sur la figure 2.
La longueur Lm est une longueur du plus grand côté d'un aimant 30 dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation X du rotor. La longueur Wm est une longueur du plus petit côté d'un aimant 30 dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation X du rotor.
La distance L1 correspond à la distance minimale entre une première zone Z1 de retrait de matière et une périphérie externe du rotor 11.
La distance L2 correspond à la distance minimale entre un bord d'une première zone Z1 de retrait de matière et un bord du logement 28 d'aimant 30 le plus proche.
La distance L3 correspond à la distance minimale entre deux évidements 32 situés de part et d'autre d'un axe de symétrie X3 séparant un pôle magnétique PM en deux.
La distance D1 correspond à la distance minimale entre un bord d'une deuxième zone Z2 de retrait de matière et un bord d'un logement 28 d'aimant 30 le plus proche.
La distance D2 correspond à la distance minimale entre un bord d'une deuxième zone Z2 de retrait de matière et une périphérie externe du rotor 11.
La distance Dint correspond à la distance minimale entre un bord d'une deuxième zone Z2 de retrait de matière et une périphérie interne du rotor 11.
La distance Db correspond à la distance entre deux deuxièmes zones Z2 de retrait de matière adjacentes.
La figure 3a montre des courbes représentant un pourcentage de couple %T et un pourcentage d'inertie %l en fonction du ratio D1/Wm.
Les courbes C1.1 et C1.2 ont été obtenues pour un premier type de machine et les courbes C2.1 et C2.2 ont été obtenues pour un deuxième type de machine. Il en ressort que pour garantir un couple supérieur à un couple minimal Tmin et une inertie inférieure à une inertie maximale Imax, la distance L1 est comprise entre 0.2 fois la longueur Wm et 1.05 fois la longueur Wm, soit 0.2xWm<L1 <1,05xWm.
La figure 3b montre des courbes représentant un pourcentage de couple %T et un pourcentage d'inertie %l en fonction du ratio (2xL2+L3)/Lm. Les courbes C1.3 et C1.4 ont été obtenues pour un premier type de machine et les courbes C2.3 et C2.4 ont été obtenues pour un deuxième type de machine. Il en ressort que pour garantir un couple supérieur à un couple minimal Tmin et une inertie inférieure à une inertie maximale Imax, une somme entre le double de la distance L2 et la distance L3 est comprise entre 0.3 fois la longueur Lm et 0.75 fois la longueur Lm, soit 0.3xLm<(2xL2+L3)/Lm<0.75xLm
La figure 3c montre des courbes représentant un pourcentage de couple %T et un pourcentage d'inertie %l en fonction du ratio D1/Wm. Les courbes C1.5 et C1.6 ont été obtenues pour un premier type de machine et les courbes C2.5 et C2.6 ont été obtenues pour un deuxième type de machine. Il en ressort que pour garantir un couple supérieur à un couple minimal Tmin et une inertie inférieure à une inertie maximale Imax, la distance D1 est comprise entre 0.6 fois la longueur Wm et 5/4 fois la longueur Wm, soit 0.6xWm<D1<5/4xWm.
La figure 3d montre des courbes représentant un pourcentage de couple %T (cf. courbe C1.7) et un pourcentage d'inertie %l (cf. courbe C.1.8) en fonction du ratio D2/Lm. Il en ressort que pour garantir un couple supérieur à un couple minimal Tmin et une inertie inférieure à une inertie maximale Imax, la distance D2 est comprise entre 0.5 fois la longueur Lm et 1.16 fois la longueur Lm, soit 0.5xLm<D2<1,16xLm.
Par ailleurs, la distance Dint est avantageusement comprise entre 20 divisé par le nombre de paires de pôles p de la machine et 60 divisé par le nombre de paires de pôles p, soit 20/p<Dint<60/p.
La distance Db est comprise entre 15 divisé par le nombre de paires de pôles p et 40 divisé par le nombre de paires de pôles p, soit 15/p<Db<40p.
La figure 4 représente le mode de réalisation dans lequel chaque zone de retrait de matière Z1, Z2 est constituée par plusieurs évidements 32.
Dans ce cas, la distance D2 est égale à la somme des longueurs minimales de portions de matière séparant deux évidements adjacents situés entre les aimants 30 de deux pôles PM différents et ce jusqu'à la périphérie externe du rotor 11, soit D2=D2.1 +D2.2+D2.3.
La distance L3 est égale à la somme des longueurs minimales de portions de matière séparant deux évidements adjacents situés entre les aimants 30 formant un pôle PM, soit L3=L3.1+L3.2+L3.3.
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.
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 (15)
- REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor (11) et un stator (12), ledit rotor (11 ) comprenant:- un corps de rotor (27) comportant un paquet de tôles en matière ferromagnétique,- des pôles magnétiques (PM) définis chacun par des aimants permanents (30) disposés à l'intérieur de deux uniques logements (28) par pôle magnétique présentant, dans une coupe suivant un plan orthogonal à un axe de rotation (X) du rotor, une forme en V,- des premières zones de retrait (Z1) de matière ferromagnétique s'étendant chacune, dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation (X) du rotor, entre deux aimants permanents (30) d'un même pôle magnétique (PM) et une périphérie externe du rotor (11 ),- des deuxièmes zones de retrait (Z2) de matière ferromagnétique s'étendant chacune, dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation (X) du rotor, entre deux aimants permanents (30) de deux pôles magnétiques (PM) différents adjacents et une périphérie interne du rotor (11).
- 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les zones de retrait (Z1, Z2) de matière ferromagnétique sont présentes sur au moins 80 % des tôles constituant le paquet de tôles.
- 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une distance minimale (L1) entre une première zone (Z1) de retrait de matière ferromagnétique et une périphérie externe du rotor (11) est comprise entre 0.2 fois une longueur (Wm) d'un plus petit côté d'aimant permanent (30) et 1.05 fois une longueur (Wm) d'un plus petit côté d'aimant permanent (30) dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation (X) du rotor.
- 4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'une somme entre- le double d'une distance minimale (L2) entre un bord d'une première zone (Z1) de retrait de matière ferromagnétique et un bord du logement (28) d'aimant (30) le plus proche, et- une distance minimale (L3) entre deux évidements (32) situés de part et d'autre d'un axe de symétrie (X3) séparant un pôle magnétique (PM) en deux,- est comprise entre 0.3 fois une longueur (Lm) d'un plus grand côté d'aimant permanent (30) et 0.75 fois la longueur (Lm) d'un plus grand côté d'aimant permanent (30) dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation (X) du rotor.
- 5. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'une distance minimale (D1) entre un bord d'une deuxième zone de retrait (Z2) de matière ferromagnétique et un bord d'un logement (28) d'aimant permanent (30) le plus proche est compris entre 0.6 fois une longueur (Wm) d'un plus petit côté d'aimant permanent (30) et 5/4 fois la longueur (Wm) d'un plus petit côté d'aimant permanent (30) dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation (X) du rotor (11 ).
- 6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'une distance minimale (D2) entre un bord d'une deuxième zone (Z2) de retrait de matière ferromagnétique et une périphérie externe du rotor (11) est comprise entre 0.5 fois une longueur (Lm) d'un plus grand côté d'aimant permanent (30) et 1.16 fois la longueur (Lm) d'un plus grand côté d'aimant permanent (30) dans une coupe suivant un plan orthogonal à l'axe de rotation (X) du rotor.
- 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'une distance minimale (Dint) entre un bord d'une deuxième zone de retrait (Z2) de matière ferromagnétique et une périphérie interne du rotor (11) est comprise entre 20 divisé par un nombre de paires de pôles (p) du rotor (11) et 60 divisé par le nombre de paires de pôles (p) du rotor (11 ).
- 8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'une distance (Db) entre deux deuxièmes zones (Z2) de retrait de matière ferromagnétique adjacentes est comprise entre 15 divisé par un nombre de paires de pôles (p) du rotor et 40 divisé par le nombre de paires de pôles (p) du rotor.
- 9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle présente une configuration à flux radial.
- 10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le stator (12) comporte des enroulements couplés en triangle ou en double triangle ou en étoile ou en double étoile.
- 11. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte un nombre de pôles sélectionné parmi 4, 6, 8, 10, 12, 14 ou 16.
- 12. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour être associée à un onduleur et une batterie ayant une tension de bus continue fonctionnant entre 24 et 60 Volts.
- 13. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle présente une puissance comprise entre 10kW et 50kW.
- 14. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'un diamètre externe du stator (12) est compris entre 80mm et 180mm.
- 15. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'un diamètre externe du stator (12) est sélectionné parmi une des valeurs suivantes 90, 100, 110, 144, 153, 161mm.
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