FR3109249A1 - Machine électrique synchrone à aimants permanents - Google Patents

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Abstract

Cette machine électrique synchrone (2) comprend un rotor (1) mobile en rotation autour d’un axe longitudinal (X) et comportant une pluralité d’aimants permanents formant des pôles (P1,…, P4) répartis à la périphérie du rotor (1), un stator (3) disposé autour du rotor (1) et comportant des dents (13) sur lesquelles sont disposées des bobines (6). Elle comporte un entrefer disposé entre le rotor (1) dont l’épaisseur radiale déterminée selon un axe transversal (Y) perpendiculaire à l’axe longitudinal (X) varie suivant l’axe longitudinal (X). Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Machine électrique synchrone à aimants permanents
La présente invention concerne les machines électriques, et plus particulièrement la conception de machines électriques, notamment la modélisation géométrique et électromagnétique de telles machines.
Etat de la technique antérieure
Généralement, les machines électriques tournantes comportent un rotor, un stator et un entrefer s’étendant entre la face interne du stator et la surface périphérique du rotor et dont la largeur est de l’ordre de quelques millimètres.
Le stator est apte à générer un champ magnétique tournant dans l’entrefer de la machine et ainsi provoquer la rotation du rotor.
L’augmentation croissante de la consommation des aéronefs en énergie électrique, tant pour les fonctions propulsives que pour les fonctions non propulsives, nécessite de doter les aéronefs de machines électriques de forte densité de puissance et à haut rendement.
En ce qui concerne, par exemple, les fonctions propulsives, l’utilisation d’architectures hybrides ou électriques tend à se développer.
Avec de telles architectures, la propulsion est dorénavant assurée par une ou plusieurs machines électriques alimentées par des batteries à forte densité de puissance par exemple entre 10kW/kg et 15kW/kg.
Afin de répondre aux besoins en performances des aéronefs, il a été proposé d’améliorer le refroidissement des machines électriques et d’utiliser des matériaux à faible pertes.
Par ailleurs, comme le couple généré par une machine électrique est proportionnel à la surface d’échange de l’entrefer, il a en outre été proposé d’augmenter la surface d’échange, particulièrement pour les machines électriques dites à flux radial et axial.
Plus précisément, pour une machine électrique à flux radial, le couple généré par la machine est défini par la relation suivante :
(1)
où B désigne le champ magnétique ;
Al, la densité linéique du courant ;
Dr, le diamètre du rotor et,
L, la longueur du rotor.
Pour une machine à flux axial, il s’agit de la relation ci-dessous :
(2)
où K est approximativement égal à 0.1.
Cependant, comme la configuration d’aéronef électrique ou hybride requiert l’utilisation d’un nombre important de dispositifs de contrôle de composants électroniques et de générateurs de puissance, augmenter la surface d’échange de l’entrefer accroît considérablement l’encombrement et la masse de la machine électrique.
C’est d’autant plus préjudiciable lorsque l’aéronef comporte une pluralité de machines électriques.
Ainsi, l’augmentation de la surface d’échange de l’entrefer a pour effet de dégrader les performances de l’aéronef au lieu de les améliorer.
L’enjeu est donc de réussir à augmenter la surface d’échange de l’entrefer d’une machine électrique sans qu’il y ait une incidence sur son volume et sa masse.
Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet une machine électrique synchrone comprenant un rotor mobile en rotation autour d’un axe longitudinal et comportant une pluralité d’aimants permanents formant des pôles répartis à la périphérie du rotor, un stator disposé autour du rotor et comportant des dents sur lesquelles sont disposées des bobines, le rotor et le stator étant séparés par un entrefer, et dans laquelle l’épaisseur radiale du rotor déterminée selon un axe transversal perpendiculaire à l’axe longitudinal varie suivant l’axe longitudinal.
Autrement dit, en faisant varier l’épaisseur radiale du rotor, on accroît la surface d’échange entre le rotor et le stator sans augmenter le volume de la machine électrique.
Avantageusement, le rotor présente un contour de forme sinusoïdale s’étendant selon l’axe longitudinal.
Par « contour de forme sinusoïdale » on entend une courbe correspondant au projeté sur une droite d’un mouvement circulaire et de translation uniforme.
Le rotor comporte ainsi une surface périphérique externe comportant en coupe longitudinale une forme de sinusoïde ou une alternance de parties concaves et convexes, à concavité et convexité, respectivement tournées vers le stator.
Il s’agit donc d’une succession de bossages et de creux répartis sur la face externe du rotor.
Cette forme périphérique permet par ses creux et ses bossages ainsi alternés d’augmenter la surface de l’entrefer de la machine électrique et ainsi générer un couple plus important.
De préférence, l’épaisseur du rotor varie autour d’une valeur de référence, l’épaisseur maximale se situant au niveau de l’extrémité radiale de chaque pôle du rotor.
Autrement dit, plus on s’éloigne longitudinalement d’un pôle de la machine électrique, plus l’épaisseur radiale du rotor diminue jusqu’à atteindre une valeur minimale.
A l’inverse, plus on se rapproche longitudinalement d’un pôle de la machine électrique, plus l’épaisseur radiale du rotor augmente jusqu’à atteindre une valeur maximale.
Ainsi, la variation de l’épaisseur du rotor autour d’une valeur moyenne de référence permet d’augmenter la surface d’échange entre le rotor et le stator sans modifier le volume du rotor.
Préférentiellement, le ratio entre l’épaisseur maximale et la valeur de référence est strictement supérieur à 1,57.
En respectant ce ratio, un gain généralement supérieur à 22% est obtenu par rapport au couple généré par une machine électrique de structure classique.
Avantageusement, les aimants permanents comprennent un matériau ferromagnétique apte à orienter les lignes de champ magnétique dans une direction déterminée.
Généralement connus sous la dénomination « Shaped Field Magnets », ces aimants permettent d’équilibrer la concentration du flux magnétique.
De préférence, chaque dent du stator est de forme sensiblement rectangulaire.
Cette forme a pour avantage de diminuer les phénomènes de saturation magnétique et de favoriser la canalisation du flux magnétique.
Préférentiellement, chaque bobine est logée dans une rainure à section trapézoïdale.
Avantageusement, la face frontale externe du stator présente un contour de forme sinusoïdale s’étendant selon l’axe longitudinal.
Autrement dit, il s’agit d’une succession de bossages et de creux répartis sur la face externe du stator et donc opposée au rotor, ce qui permet d’augmenter la surface d’échange entre la machine électrique et son environnement et donc de la refroidir.
De préférence, les bobines du stator présentent une forme sinusoïdale s’étendant selon l’axe longitudinal.
Préférentiellement, la structure du stator et/ou du rotor est réalisé par fabrication additive.
Comme le contour du stator et/ou du rotor est de forme sinusoïdale et présente donc des creux et des bossages, il est avantageux de réaliser ladite structure par fabrication additive qui permet ainsi de diminuer le nombre d’étapes nécessaires à la fabrication de ces deux pièces.
On peut citer comme matériau de fabrication des plastoaimants et/ou de l’acier inoxydable.
L’invention a encore pour objet une turbomachine pour aéronef comprenant une machine électrique synchrone telle que définie ci-dessus.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins indexés sur lesquels :
représente de manière schématique une première vue en perspective d’un rotor selon un mode de réalisation de l’invention ;
illustre une deuxième vue en perspective d’une machine électrique comprenant le rotor de la figure 1 ;
représente une vue partielle en coupe longitudinale d’une extrémité de la machine électrique conforme à l’invention ;
illustre une vue de détail du rotor de la figure 2, en coupe longitudinale, montrant le bobinage du rotor et,
représente une vue en perspective du stator de la machine électrique selon un mode de réalisation de l’invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation de l’invention
La figure 1 illustre un exemple de réalisation d’un rotor 1 conforme à l’invention, désigné par la référence numérique générale 1.
Ce rotor 1 est par exemple destiné à être monté dans un carter statorique pour constituer une machine électrique, destinée par exemple à être embarquée à bord d’un aéronef pour la mise en œuvre d’une fonction propulsive.
Dans cet exemple, le rotor 1 est mobile en rotation autour d’un axe longitudinal X. Il comporte une pluralité d’aimants formant des pôles répartis à la périphérie du rotor 1.
Plus particulièrement, chaque aimant comporte une paire de pôles positifs P1 et P2 et une paire de pôles négatifs P3 et P4.
Cette disposition permet ainsi de générer un couple selon la loi du flux maximum provoquant ainsi la rotation du rotor 1.
Par ailleurs, le rotor 1 est ici disposé autour d’un arbre central 5 s’étendant selon l’axe longitudinal X et apte à transmettre le couple généré par le mouvement de rotation du rotor 1.
Comme illustré dans cette figure, le rotor 1 présente extérieurement un contour de forme sinusoïdale qui s’étend selon l’axe longitudinal X.
Autrement dit, le rotor 1 comprend une alternance de bossages de faible épaisseur 11 et de creux 12, ce qui modifie l’épaisseur radiale du rotor 1 considérée suivant un axe transversal Y perpendiculaire à l’axe longitudinal X.
La figure 2 représente une vue en perspective d’une machine électrique à aimants permanents 2 comportant un stator 3 de forme cylindrique annulaire, fixé à un carter de l’aéronef et entourant le rotor 1.
Le rotor 1 et le stator 3 sont par ailleurs séparées par un entrefer non visible sur la figure dans lequel est généré un champ magnétique radial créé par des bobines 6 montées dans le stator 3 et alimentées dans cet exemple par un courant triphasé.
Plus particulièrement, tel qu’illustré dans la figure 4, le stator 3 comporte des dents, telles que 13, réparties circonférentiellement autour du stator pour le bobinage de la bobine 6, une unique dent étant représentée sur la figure.
Chaque dent 13 a une forme sensiblement rectangulaire afin de favoriser la canalisation du flux magnétique et diminuer, voire supprimer, les phénomènes de saturation magnétique.
Par ailleurs, chaque bobine 6 est logée dans une rainure 14 ici à section trapézoïdale.
Toute forme géométrique peut également être prévue dans le stator 3 pour recevoir la bobine 6.
La figure 3 représente une vue selon l’axe transversal Y d’une extrémité de la machine électrique 2.
Comme on peut le voir, l’épaisseur du rotor 1 varie autour d’une valeur de référence dmoy, ce qui fait varier l’épaisseur transversale du stator 3.
Plus particulièrement, l’épaisseur maximale dmax du rotor 4 se situe à l’extrémité radiale de chaque pôle de chaque bossage 11.
Ainsi, plus on s’éloigne longitudinalement d’un pôle de la machine électrique 2, plus l’épaisseur radiale du rotor 1, diminue jusqu’à atteindre une valeur minimale dmin au niveau de l’extrémité radiale de chaque creux 12.
Le couple fourni par une machine électrique est lié au rayon moyen.
Cette forme périphérique du rotor permet grâce aux bossages 11 et aux creux 12 d’augmenter la surface d’échange de l’entrefer 7 de la machine électrique 2 et de générer un couple plus important.
Afin d’obtenir un gain plus important, le ratio entre l’épaisseur maximale dmax et la valeur de référence dmoy est avantageusement strictement supérieur à 1,57.
La figure 5 représente une vue en perspective du stator 3 de la machine électrique 2.
Le stator 3 comporte une surface périphérique externe comportant en coupe longitudinale une forme de sinusoïde ou une alternance de parties concaves et convexes.
Il s’agit donc d’une succession de bossages 31 et de creux 32 répartis sur la face externe du stator 3, ce qui permet d’augmenter la surface d’échange avec l’environnement de la machine électrique 2 et ainsi augmenter sa capacité à refroidir.
Cette forme est due au profil du rotor 1 qui est sinusoïdal. La face externe du stator 3 peut donc également présenter un profil sinusoïdal s’étendant selon le même axe X.
Plus particulièrement, les parties concaves internes du stator 3 coïncident avec les parties convexes externes du rotor 1.
De même, les parties convexes internes du stator 3 coïncident avec les parties concaves externes du rotor 1.

Claims (11)

  1. Machine électrique synchrone (2) comprenant un rotor (1) mobile en rotation autour d’un axe longitudinal (X) et comportant une pluralité d’aimants permanents formant des pôles (P1,…, P4) répartis à la périphérie du rotor (1), un stator (3) disposé autour du rotor (1) et comportant des dents (13) sur lesquelles sont disposées des bobines (6), le rotor (1) et le stator (3) étant séparés par un entrefer (7), caractérisé en ce que l’épaisseur radiale du rotor (1) déterminée selon un axe transversal (Y) perpendiculaire à l’axe longitudinal (X) varie suivant l’axe longitudinal (X).
  2. Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle le rotor (1) présente un contour de forme sinusoïdale (11, 12) s’étendant selon l’axe longitudinal (X).
  3. Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’épaisseur du rotor (1) varie autour d’une valeur de référence (dmoy), l’épaisseur maximale (dmax) se situant au niveau de l’extrémité radiale de chaque pôle (11) du rotor (1).
  4. Machine électrique selon la revendication 3, dans laquelle le ratio entre l’épaisseur maximale (dmax) et la valeur de référence (dmoy) est strictement supérieur à 1,57.
  5. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants permanents sont composés d’un matériau ferromagnétique apte à orienter les lignes de champ magnétique dans une direction déterminée.
  6. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque dent (13) du stator (3) est de forme sensiblement rectangulaire.
  7. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque bobine (6) est logée dans une rainure (14) à section trapézoïdale.
  8. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la face frontale externe du stator (3) présente un contour de forme sinusoïdale (31, 32) s’étendant selon l’axe longitudinal (X).
  9. Machine électrique selon la revendication 8, dans laquelle les bobines (6) du stator (3) présentent une forme sinusoïdale s’étendant selon l’axe longitudinal (X).
  10. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure du stator (3) et/ou du rotor (1) est réalisée par fabrication additive.
  11. Turbomachine comprenant une machine électrique synchrone (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
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