FR3098038A1 - ROTATING ELECTRIC MACHINE WITH CO-AXIAL CONFIGURATION - Google Patents
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Abstract
L’invention porte principalement sur une machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant: - un stator comportant un corps de stator et un bobinage inséré dans des encoches du corps de stator, - un rotor monté sur un arbre (14), ledit rotor comportant un corps de rotor et des pôles formés par des aimants permanents, caractérisée en ce que l'arbre de rotor (14) est creux de façon à délimiter une ouverture (17) traversant axialement ledit arbre de rotor (14) de part en part pour le passage d'un arbre (12) appartenant à une architecture de véhicule automobile. Figure pour abrégé : Figure 1The invention relates mainly to a rotary electrical machine (10), in particular for a motor vehicle, comprising: - a stator comprising a stator body and a winding inserted in notches of the stator body, - a rotor mounted on a shaft (14 ), said rotor comprising a rotor body and poles formed by permanent magnets, characterized in that the rotor shaft (14) is hollow so as to define an opening (17) axially passing through said rotor shaft (14) right through for the passage of a shaft (12) belonging to a motor vehicle architecture. Figure for abstract: Figure 1
Description
La présente invention porte sur une machine électrique tournante à configuration co-axiale. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques tournantes pour véhicules automobiles.The present invention relates to a rotary electrical machine with coaxial configuration. The invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application with rotating electrical machines for motor vehicles.
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.In a manner known per se, rotating electrical machines comprise a stator and a rotor secured to a shaft. The rotor may be integral with a driving and/or driven shaft and may belong to a rotating electric machine in the form of an alternator, an electric motor, or a reversible machine that can operate in both modes.
Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre par exemple par l'intermédiaire de roulements. 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, tel que des rivets traversant axialement le corps du rotor de part en part. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor, comme cela est décrit par exemple dans le document EP0803962. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor. La machine peut être asynchrone et synchro-reluctante.The stator is mounted in a housing configured to rotate the shaft, for example via bearings. The rotor comprises a body formed by a stack of sheet metal sheets held in the form of a package by means of a suitable fastening system, such as rivets passing axially through the body of the rotor right through. The rotor comprises poles formed for example by permanent magnets housed in cavities formed in the magnetic mass of the rotor, as described for example in document EP0803962. Alternatively, in a so-called "salient" pole architecture, the poles are formed by coils wound around the arms of the rotor. The machine can be asynchronous and synchro-reluctant.
Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face interne est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phases. Ces enroulements de phases traversent les encoches du corps du stator et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phases sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un onduleur de puissance.Furthermore, the stator comprises a body consisting of a stack of thin laminations forming a crown, the inner face of which is provided with slots open inwards to receive phase windings. These phase windings pass through the notches of the body of the stator and form buns protruding from either side of the body of the stator. The phase windings are obtained for example from a continuous wire covered with enamel. These windings are polyphase windings connected in star or in delta whose outputs are connected to a power inverter.
Dans certains types de chaînes de traction de véhicule automobile, une machine électrique tournante réversible de forte puissance est accouplée à la boîte de vitesses du véhicule ou à un train du véhicule automobile. La machine électrique est alors apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l’énergie à la batterie et/ou au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. Compte tenu de l'espace disponible réduit au niveau du train ou de la boîte de vitesses, il peut être difficile d'intégrer la machine électrique dans certaines configurations de véhicules automobiles.In certain types of motor vehicle traction chains, a high-power reversible rotating electrical machine is coupled to the vehicle gearbox or to a train of the motor vehicle. The electric machine is then able to operate in an alternator mode in particular to supply energy to the battery and/or to the on-board network of the vehicle, and in a motor mode, not only to ensure the starting of the combustion engine, but also to participate in the traction of the vehicle alone or in combination with the internal combustion engine. Given the reduced space available at the level of the train or the gearbox, it may be difficult to integrate the electric machine into certain configurations of motor vehicles.
L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant:
- un stator comportant un corps de stator et un bobinage inséré dans des encoches du corps de stator,
- un rotor monté sur un arbre, ledit rotor comportant un corps de rotor et des pôles formés par des aimants permanents,
caractérisée en ce que l'arbre de rotor est creux de façon à délimiter une ouverture traversant axialement ledit arbre de rotor de part en part pour le passage d'un arbre appartenant à une architecture de véhicule automobile.The invention aims to effectively remedy this drawback by proposing a rotating electrical machine, in particular for a motor vehicle, comprising:
- a stator comprising a stator body and a winding inserted in notches of the stator body,
- a rotor mounted on a shaft, said rotor comprising a rotor body and poles formed by permanent magnets,
characterized in that the rotor shaft is hollow so as to delimit an opening passing axially through said rotor shaft right through for the passage of a shaft belonging to a motor vehicle architecture.
La présente invention permet ainsi, en autorisant le passage d'un arbre de l'architecture de véhicule automobile, d'obtenir un ensemble compact donc facilement implantable dans un environnement du véhicule automobile, tel que sur un train du véhicule automobile ou à l'intérieur d'une boîte de vitesses.The present invention thus makes it possible, by authorizing the passage of a shaft of the motor vehicle architecture, to obtain a compact assembly which is therefore easily implantable in an environment of the motor vehicle, such as on a train of the motor vehicle or at the inside a gearbox.
Selon une réalisation, l'arbre de l'architecture de véhicule est un arbre de transmission destiné à être relié à au moins une roue.According to one embodiment, the shaft of the vehicle architecture is a transmission shaft intended to be connected to at least one wheel.
Selon une réalisation, l'arbre de l'architecture de véhicule automobile est un arbre de boîte de vitesses.According to one embodiment, the motor vehicle architecture shaft is a gearbox shaft.
Selon une réalisation, un onduleur de puissance est disposé suivant un côté radial de la machine électrique tournante. L’onduleur est disposé radialement au-dessus de la machine électrique. L’onduleur de puissance n’est pas dans l’espace dans lequel est disposé les arbres. En variante l’onduleur peut être disposé sur un côté axial de la machine. L’onduleur peut être troué et présenter une forme cylindrique creuse.According to one embodiment, a power inverter is arranged along a radial side of the rotating electrical machine. The inverter is arranged radially above the electrical machine. The power inverter is not in the space in which the trees are arranged. Alternatively, the inverter can be arranged on an axial side of the machine. The inverter can be perforated and have a hollow cylindrical shape.
Selon une réalisation, le bobinage est formé par des éléments conducteurs en forme d'épingles.According to one embodiment, the winding is formed by conductive elements in the form of pins.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un circuit de refroidissement par eau ou par huile.According to one embodiment, said rotary electrical machine comprises a water or oil cooling circuit.
Selon une réalisation, la machine électrique tournante présente une puissance nominale de 25 kW.According to one embodiment, the rotating electrical machine has a nominal power of 25 kW.
Selon une réalisation, les aimants permanents sont des aimants en terres rares.According to one embodiment, the permanent magnets are rare earth magnets.
Selon une réalisation, le corps de stator contient quatre conducteurs par encoche.According to one embodiment, the stator body contains four conductors per slot.
Selon une réalisation, un nombre de paires de pôles est compris entre 4 et 8 et vaut de préférence 5.According to one embodiment, a number of pole pairs is between 4 and 8 and is preferably 5.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 36 Volts minimum qui est de 16 kW.According to one embodiment, said rotating electrical machine has a transient mechanical power in motor mode for 30 seconds at a minimum of 36 volts, which is 16 kW.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 48 Volts minimum qui est de 21 kW.According to one embodiment, said rotating electrical machine has a transient mechanical power in motor mode for 30 seconds at a minimum of 48 volts, which is 21 kW.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 52 Volts minimum qui est de 26 kW.According to one embodiment, said rotating electrical machine has a transient mechanical power in motor mode for 30 seconds at a minimum of 52 volts, which is 26 kW.
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.The invention will be better understood on reading the following description and on examining the accompanying figures. These figures are given only by way of illustration but in no way limit the invention.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d’une figure à l’autre.Identical, similar or analogous elements retain the same reference from one figure to another.
La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 accouplée avec un différentiel 11 connecté à un arbre de transmission 12. Cet arbre de transmission 12 est destiné à être relié à chacune de ses extrémités à une roue d'un train du véhicule automobile.FIG. 1 shows a rotating electrical machine 10 coupled with a differential 11 connected to a transmission shaft 12. This transmission shaft 12 is intended to be connected at each of its ends to a wheel of an axle of the motor vehicle.
A cet effet, comme on peut le voir sur la figure 2a, l'arbre 14 du rotor 15 de la machine électrique 10 est creux de façon à délimiter une ouverture 17 traversant axialement ledit arbre 14 de part en part pour le passage de l'arbre de transmission 12. L'arbre de rotor 14 et l'arbre de transmission 12 sont co-axiaux suivant l'axe X du rotor 15.For this purpose, as can be seen in Figure 2a, the shaft 14 of the rotor 15 of the electric machine 10 is hollow so as to delimit an opening 17 passing axially through said shaft 14 from side to side for the passage of the transmission shaft 12. The rotor shaft 14 and the transmission shaft 12 are coaxial along the axis X of the rotor 15.
Un diamètre de l'ouverture 17 traversante pourra être compris entre 30mm et 45mm et valoir par exemple de l'ordre de 40mm. Par "de l'ordre de", on entend une variation de plus ou moins 10% autour de cette valeur.A diameter of the through opening 17 may be between 30mm and 45mm and for example be of the order of 40mm. By "of the order of" is meant a variation of plus or minus 10% around this value.
En variante, l'arbre 12 traversant l'ouverture 17 de l'arbre de la machine électrique 10 pourra être un arbre de boîte de vitesses, ou tout autre arbre de l'architecture d'un véhicule automobile. Un onduleur de puissance 19 est disposé suivant un côté radial de la machine électrique.As a variant, the shaft 12 passing through the opening 17 of the shaft of the electric machine 10 could be a gearbox shaft, or any other shaft of the architecture of a motor vehicle. A power inverter 19 is arranged along a radial side of the electric machine.
Plus précisément, la machine électrique 10 comporte un stator 18 polyphasé entourant le rotor 15 d'axe X correspondant à l'axe de la machine électrique 10. Le rotor 15 est monté sur l'arbre creux 14. Le stator 18 est monté à l'intérieur d'un carter 20 configuré pour porter à rotation l’arbre creux 14 via des roulements à billes. Le stator 18 entoure le rotor 15 avec présence d’un entrefer entre la périphérie interne du stator 18 et la périphérie externe du rotor 15. La machine électrique 10 pourra comporter un circuit de refroidissement par eau ou par huile.More specifically, the electric machine 10 comprises a polyphase stator 18 surrounding the rotor 15 of axis X corresponding to the axis of the electric machine 10. The rotor 15 is mounted on the hollow shaft 14. The stator 18 is mounted at the inside a casing 20 configured to carry the hollow shaft 14 in rotation via ball bearings. The stator 18 surrounds the rotor 15 with the presence of an air gap between the inner periphery of the stator 18 and the outer periphery of the rotor 15. The electric machine 10 may include a water or oil cooling circuit.
Comme on peut le voir sur les figures 2a et 2b, le rotor 15 comporte un corps de rotor 23 sous la forme d’un paquet de tôles pour diminuer les courants de Foucault, ainsi que des pôles constitués par des aimants permanents 25 en terres rares disposés à l'intérieur de cavités 26 de forme correspondante.As can be seen in FIGS. 2a and 2b, the rotor 15 comprises a rotor body 23 in the form of a stack of laminations to reduce eddy currents, as well as poles constituted by permanent magnets 25 made of rare earths. arranged inside cavities 26 of corresponding shape.
Un pôle est formé par des aimants 25 en terres rares implantés de préférence suivant une forme en V en périphérie externe du rotor 15. Le nombre de paires de pôles est compris entre 4 et 8, et vaut de préférence 5.A pole is formed by rare-earth magnets 25 preferably implanted in a V-shape on the outer periphery of the rotor 15. The number of pairs of poles is between 4 and 8, and is preferably 5.
Le rotor 15 est maintenu par des tirants 28 en un même nombre que le nombre de pôles du rotor 15. Ces tirants 28 traversent deux pièces d'équilibrages 29 ainsi que l'ensemble des tôles magnétiques du corps de rotor 23.The rotor 15 is held by tie rods 28 in the same number as the number of poles of the rotor 15. These tie rods 28 pass through two balancing parts 29 as well as all of the magnetic laminations of the rotor body 23.
Des organes de maintien 30, tels que des ressorts ou des languettes ou tout autre moyen équivalent, sont disposés de façon à maintenir en position les aimants permanents 25 à l'intérieur des cavités 26.Holding members 30, such as springs or tabs or any other equivalent means, are arranged so as to hold the permanent magnets 25 in position inside the cavities 26.
La forme des pôles du rotor 15 est définie de façon à obtenir un flux magnétique continu dans l'entrefer. Les pôles présentent avantageusement une forme arrondie avec un rayon minimum de 5 degrés. Cela permet de réduire les forces magnétiques dans l'entrefer ainsi que les bruits.The shape of the poles of the rotor 15 is defined so as to obtain a continuous magnetic flux in the air gap. The poles advantageously have a rounded shape with a minimum radius of 5 degrees. This reduces magnetic forces in the air gap as well as noise.
La configuration des pôles permet d'avoir un effet de réluctance (Ld different de Lq) compris typiquement entre 5 et 10%, ce qui permet d'augmenter le couple nominal de la machine électrique d'au moins 3%.The configuration of the poles makes it possible to have a reluctance effect (Ld different from Lq) typically comprised between 5 and 10%, which makes it possible to increase the nominal torque of the electric machine by at least 3%.
Il est possible de vriller le rotor 15, c’est-à-dire que des tôles du corps de rotor 23 pourront être décalées angulairement les unes par rapport aux autres suivant leur circonférence.It is possible to twist the rotor 15, that is to say that the plates of the rotor body 23 can be angularly offset relative to each other along their circumference.
Par ailleurs, comme cela est montré sur la figure 3, le stator 18 comporte un corps 32 en forme de paquet de tôles doté d'encoches 33, par exemple du type semi-fermées, équipées d'isolants d'encoches 31 pour le montage d'un bobinage 34. Le bobinage 34 comporte un ensemble d'enroulements de phases 35 réalisés à partir d'éléments conducteurs 36 en forme d'épingles reliées entre elles par exemple par soudage. Le stator 18 contient avantageusement quatre conducteurs par encoche 33, un conducteur correspondant à une branche d'une épingle de bobinage 34. Ces enroulements 35 sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle. Le stator 18 pourra également présenter une configuration vrillée suivant laquelle des tôles du corps de stator 32 sont décalées angulairement les unes par rapport aux autres suivant leur circonférence.Furthermore, as shown in Figure 3, the stator 18 comprises a body 32 in the form of a stack of laminations provided with notches 33, for example of the semi-closed type, equipped with notch insulators 31 for mounting of a winding 34. The winding 34 comprises a set of phase windings 35 made from conductive elements 36 in the form of pins connected together for example by welding. The stator 18 advantageously contains four conductors per slot 33, one conductor corresponding to a branch of a winding pin 34. These windings 35 are for example three-phase windings connected in a star or in a triangle. The stator 18 may also have a twisted configuration in which the laminations of the stator body 32 are angularly offset relative to each other along their circumference.
Les enroulements de phases 35 sont reliés à l'onduleur de puissance 19 comportant des composants électroniques, tels que des diodes ou des transistors par exemple de type MOSFET. Comme on peut le voir sur la figure 4, l'onduleur 19 pourra comporter un circuit de refroidissement par eau ayant une entrée d'eau 38 et une sortie d'eau 39, de sorte que l'eau peut circuler dans l'onduleur 19
suivant les flèches F1.The phase windings 35 are connected to the power inverter 19 comprising electronic components, such as diodes or transistors, for example of the MOSFET type. As can be seen in Figure 4, the inverter 19 may include a water cooling circuit having a water inlet 38 and a water outlet 39, so that water can circulate in the inverter 19
following the arrows F1.
Les performances recherchées de la machine électrique 10 sont indiquées ci-après. La machine électrique 10 présente un couple de l'ordre de 82 N.m à faible vitesse.The desired performances of the electric machine 10 are indicated below. The electric machine 10 has a torque of the order of 82 N.m at low speed.
La machine électrique 10 présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 36 Volts minimum qui est de 16 kW. La puissance en continue est de 14 kW en mode continu, c'est-à-dire pour un fonctionnement en mode moteur pour une durée supérieure à 1 minute.The electric machine 10 has a transient mechanical power in motor mode for 30 seconds under a minimum of 36 volts which is 16 kW. The continuous power is 14 kW in continuous mode, that is to say for operation in motor mode for a duration greater than 1 minute.
La machine électrique 10 présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 48 Volts minimum qui est de 21 kW. La puissance en continue est de 18 kW en mode continu c'est-à-dire pour un fonctionnement en mode moteur pour une durée supérieure à 1 minute.The electric machine 10 has a mechanical transient power in motor mode for 30 seconds under a minimum of 48 volts which is 21 kW. The continuous power is 18 kW in continuous mode, that is to say for operation in motor mode for a period of more than 1 minute.
La machine électrique 10 présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 52 Volts minimum qui est de 26 kW. La vitesse maximum est au minimum de 20000 tours/min en régime continu.The electric machine 10 has a transient mechanical power in motor mode for 30 seconds under a minimum of 52 volts which is 26 kW. The maximum speed is at least 20000 rpm in continuous mode.
Suivant un exemple de réalisation particulier, la machine électrique 10 est de type double triphasé avec une longueur axiale de fer dans le rotor 15 et le stator 18 de l'ordre de 66 mm, un diamètre de l'ordre de 161 mm et un poids de l'ordre de 15 kg. Par "de l'ordre de", on entend une variation de plus ou moins 10% autour de la valeur.According to a particular embodiment, the electric machine 10 is of the double three-phase type with an axial length of iron in the rotor 15 and the stator 18 of the order of 66 mm, a diameter of the order of 161 mm and a weight around 15 kg. By “around” is meant a variation of plus or minus 10% around the value.
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.Of course, the foregoing description has been given by way of example only and does not limit the scope of the invention, which would not be departed from by replacing the various elements with any other equivalents.
Claims (10)
- un stator (18) comportant un corps de stator (32) et un bobinage (34) inséré dans des encoches (33) du corps de stator (32),
- un rotor (15) monté sur un arbre (14), ledit rotor (15) comportant un corps de rotor (23) et des pôles formés par des aimants permanents (25),
caractérisée en ce que l'arbre de rotor (14) est creux de façon à délimiter une ouverture (17) traversant axialement ledit arbre de rotor (14) de part en part pour le passage d'un arbre (12) appartenant à une architecture de véhicule automobile.1. Rotating electrical machine (10), in particular for a motor vehicle, comprising:
- a stator (18) comprising a stator body (32) and a winding (34) inserted in notches (33) of the stator body (32),
- a rotor (15) mounted on a shaft (14), said rotor (15) comprising a rotor body (23) and poles formed by permanent magnets (25),
characterized in that the rotor shaft (14) is hollow so as to delimit an opening (17) passing axially through the said rotor shaft (14) right through for the passage of a shaft (12) belonging to an architecture of motor vehicle.
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Family Applications (1)
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