FR3112251A1 - Machine électrique synchrone équipée d’un commutateur mécanique - Google Patents

Abstract

Commutateur (40) mécanique pour machine (1) électrique apte à alimenter par un système de courant polyphasé comprenant q phases, avec q entier positif strictement supérieur à 1, un rotor (3) de machine électrique tournante présentant 2*p pôles magnétiques apparents et un rapport de réduction magnétique G, comprenant : - un collecteur (41) mobile en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*π/(G*p*q), - au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif (45) et un balai négatif (46), aptes à frotter sur le collecteur (41), fixes en rotation, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même une batterie (B) de véhicule, caractérisé en ce que le collecteur (41) mécanique comprend G*p*q, avec G entier, lames conductrices (60) se succédant circonférentiellement, chaque lame (60) étant définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes étant isolées les unes des autres, les lames étant réparties en q groupes (a’, b’, c’), toutes les lames (60) d’un même groupe étant connectées électriquement ensemble, les q groupes étant alternées circonférentiellement, et en ce que les balais (45, 46) d’une même paire sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1)*2*π]/(2*G*p), k étant un entier naturel. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Machine électrique synchrone équipée d’un commutateur mécanique

La présente invention concerne un commutateur mécanique pour alimenter une machine électrique tournante par un système de courants polyphasé. L’invention se rapporte également à une machine électrique équipée d’un tel commutateur pour véhicule automobile. Cette machine électrique appartient notamment aux domaines des machines à réluctance variable.

L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les alternateurs, les alterno-démarreurs, les moteurs électriques et les machines réversibles. L’invention trouve également une application particulière dans la traction de véhicule automobile de faible puissance, notamment comprise entre 4kW et 25kW, par exemple entre 4kW et 8kW, par exemple entre 15kW et 25kW.

L'invention pourra ainsi avantageusement être mise en œuvre notamment avec les véhicules électriques à quatre roues de faible puissance ("microcars" en anglais), les véhicules à deux roues de type moto, ou les quadricycles lourds.

Il est connu de l’art antérieur des machines électriques à courant continu, notamment utilisé dans les démarreurs de véhicule automobile mais également pour propulser un véhicule. Ces machines munies d’un stator, ici l’inducteur, comportant plusieurs aimants permanents ou des pôles bobinés (électroaimants) et d’un rotor, ici l’induit, comportant des conducteurs formant le bobinage du rotor. L’induit comprend un collecteur mécanique muni de lames sur lesquelles frottent des balais pour l’alimentation en courant continu de l’induit.

L’ensemble balais/collecteur forme un commutateur mécanique qui permet l’autopilotage mécanique de l’alimentation du bobinage. Chaque changement de position angulaire de l’induit correspond, grâce à l’agencement de position angulaire des lames et des balais, à une nouvelle alimentation du bobinage. Le positionnement des balais et du collecteur est fixé par la position angulaire des pôles inducteurs.

L’inconvénient principal de ces machines réside dans les variations brutales de l’énergie magnétique à chaque commutation de courant dans les conducteurs, notamment dans des sections d’induits du bobinage. La commutation de courant entraîne une usure excessive des balais. Par ailleurs, les performances de telles machines sont insuffisantes pour une application dans la chaîne de traction de véhicule automobile en comparaison aux machines électriques tournantes synchrones polyphasées, notamment triphasées, à courant alternatif synchrone.

Une telle machine synchrone polyphasée comprend classiquement un rotor mobile en rotation autour d’un axe et un stator fixe entourant le rotor. En mode alternateur, lorsque le rotor est en rotation, il induit une tension au stator qui la transforme en courant électrique pour ensuite alimenter les consommateurs électriques du véhicule et recharger la batterie. En mode moteur, le stator est alimenté électriquement et crée un champ tournant magnétique puis un couple relativement aux pôles inducteurs, entraînant le rotor en rotation par exemple pour démarrer le moteur thermique. Ces machines présentent un net avantage en termes de performance volumiques par rapport aux machines à courant continu.

Une telle machine comporte classiquement un arbre, solidaire du rotor, dont une extrémité arrière porte des bagues collectrices appartenant à un collecteur. Des balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Le porte-balais est relié à un régulateur de tension pour l’utilisation en mode alternateur.

Le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir un bobinage comprenant des enroulements de phases connectées ensemble, par exemple, en étoile ou en triangle. Ces enroulements 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 ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Le bobinage est relié électriquement à un ensemble électronique par une entrée et une sortie. Contrairement aux machines électriques à courant continu, les enroulements sont ouverts.

L’ensemble électronique comporte des modules électroniques de puissance permettant de piloter l’alimentation des phases du bobinage. La commutation est ici électronique et nécessite des onduleurs à semi-conducteur. Par exemple, dans le cas d’une traction électrique par une machine synchrone triphasée, les phases du bobinage sont classiquement alimentées par un onduleur électronique comportant 6 étages de transistors de puissance de type MOSFET dont la commande nécessite les données de position du rotor obtenues au moyen de différents capteurs de position. Dans le cas d’une alimentation en double-triphasé, 6 bras d’onduleurs avec chacun de MOFSET sont nécessaires, deux fois plus qu’en cas d’alimentation en triphasé. Les capteurs de position peuvent être à effet Hall dans le cas d’une machine synchrone à aimants permanents à courant continu (« BLDC » en anglais) dont l’alimentation est à créneaux. Les capteurs de position peuvent aussi être de type résolveur, plus onéreux que les capteurs à effet Hall, dans le cas d’une machine synchrone à aimants permanents à courant alternatif (« BLAC » en anglais) dont l’alimentation est sinusoïdale.

Cet ensemble électronique est onéreux. La fiabilité des composants à semi-conducteur en environnement sévère en température ou en vibrations n’est pas optimale du fait de la fragilité de ces composants. Ces composants sont aussi dépendants de matière comme le silicium dont l’approvisionnement peut ou pourra s’avérer sensible.

Il existe donc un besoin pour alimenter les machines électriques à système de courant polyphasé de manière moins onéreuse et/ou moins dépendante en électronique de puissance, voire totalement indépendante en électronique de puissance.

L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un commutateur mécanique pour machine électrique apte à alimenter par un système de courant polyphasé comprenant q phases, avec q entier positif strictement supérieur à 1, un rotor de machine électrique tournante présentant 2*p pôles magnétiques apparents et un rapport de réduction magnétique G, comprenant :

• un collecteur mobile en rotation autour d’un axe de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*π/(G*p*q),
• au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif et un balai négatif, aptes à frotter sur le collecteur, fixes en rotation, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même source de tension, notamment une batterie de véhicule,

Le commutateur mécanique est caractérisé en ce que le collecteur mécanique comprend G*p*q, avec G entier, avec notamment G=5 ou G=11, lames conductrices se succédant circonférentiellement, chaque lame étant définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes étant isolées les unes des autres, les lames étant réparties en q groupes, toutes les lames d’un même groupe étant connectées électriquement ensemble, les q groupes étant alternés circonférentiellement.

Le commutateur mécanique est également caractérisé en ce que les balais d’une même paire sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1)*2*π]/(2*G*p)], k étant un entier naturel.

Une telle alimentation est ainsi plus durable et moins onéreuse. La performance est aussi sensiblement supérieure à celle d’une machine électrique à courant continu.

Un tel commutateur permet l’alimentation de machines électriques par un système de courant polyphasé sans convertisseur électronique de sorte que le nombre de composants d’électronique de puissance et le coût associé est très fortement diminué, voire annulé. Une telle alimentation autopilotée permet également de se passer de capteur de position du rotor.

Selon un aspect de l’invention, le décalage angulaire entre les balais se fait de centre à centre, c'est-à-dire entre les plans médians de chaque balai. Un balai peut avoir une forme sensiblement parallélépipédique. Selon un aspect de l’invention, les balais peuvent toujours être en contact d’une lame. Un balai peut comporter une surface radialement intérieure cylindrique en contact avec le collecteur, notamment avec les lames.

Selon un aspect de l’invention, le nombre de paires de balais est compris entre 1 et G*p. Par exemple, le nombre de paires de balais peut être égal à un ou à deux pour une machine à deux paires de pôles apparents avec un rapport de réduction magnétique G égal à 1. Toutes les paires de balais frottent sur les mêmes lames. Selon l’invention, le nombre de balais est donc pair.

Selon un aspect de l’invention, le collecteur présente G*p*q passages d’un type de lame à un autre. Le type d’une lame est défini par son appartenance à un des groupes de lames. Deux lames successives n’appartiennent pas à un même groupe de lames.

Selon un aspect de l’invention, le collecteur présente G fois la même séquence de lames.

Selon un aspect de l’invention, le rapport de réduction magnétique est strictement supérieur à 1.

Selon un aspect de l’invention, les lames présentent toutes le même secteur angulaire et/ou la dimension axiale. En particulier, toutes les lames sont identiques. Les lames peuvent ne pas être décalées axialement. Les lames peuvent être en cuivre. Les lames peuvent avoir une épaisseur radiale comprise entre 1mm et 3mm, par exemple 2mm. Cette épaisseur permet de réduire la densité volumique de courant dans les lames. Les lames peuvent avoir une dimension axiale comprise entre 8mm et 12mm, par exemple 10mm. Selon l’invention, le collecteur possède un seul arrangement circonférentiel de lames conductrices autour de l’axe.

Selon un aspect de l’invention, le collecteur comprend un squelette, de révolution autour de l’axe de la machine électrique, pour maintenir les lames en position. Le squelette peut être en matériau isolant électriquement, par exemple en plastique. Le squelette peut être en seul tenant. Le squelette peut comprendre des ouvertures radiales, en particulier G*p*q ouvertures recevant les lames. Le squelette peut être surmoulé sur les lames. Le squelette peut comprendre une ouverture centrale destinée à recevoir un arbre de rotor. Le collecteur peut comprendre un manchon disposé dans l’ouverture centrale du squelette et apte à être solidaire de l’arbre de rotor. Le manchon est fixe par rapport au squelette. Le manchon est plus rigide que le squelette de sorte à renforcer la liaison entre le collecteur et l’arbre de rotor.

Selon un aspect de l’invention, q peut être égal à 3. Le commutateur est ainsi apte à alimenter une machine électrique selon un système de courant triphasé.

Selon un aspect de l’invention, la zone de frottement entre les balais et les lames peut être à une distance radiale par rapport à l’axe comprise entre 20 mm et 45 mm, notamment 25 mm, notamment 35 mm.

Selon un aspect de l’invention, un secteur angulaire sur lequel est définie une pièce donnée est le plus petit secteur qui comprend la pièce donnée dans un plan perpendiculaire à l’axe de la machine.

Selon un autre aspect de l’invention, les lames d’un même groupe peuvent toutes être connectées électriquement à une bague disposée radialement à l’intérieur des lames.

Une telle bague permet de mutualiser les connexions électriques entre les lames d’un même groupe ce qui simplifie la fabrication du commutateur. Au sens de la demande, les balais ne frottent pas sur les bagues mais bien sur les lames.

Selon un autre aspect de l’invention, un pont peut être prévu entre chaque lame et la bague associée. Les ponts s’étendent radialement depuis la bague, notamment sans décalage axial depuis la bague. Les ponts et la bague associée sont dans un espace intérieur du squelette tandis que les lames affleurent vers l’extérieur pour venir en contact électrique avec les balais. Les lames d’un même groupe, les ponts et la bague forment un anneau d’un seul tenant. La bague et l’anneau associés aux lames du groupe q sont dits de type q.

Selon un autre aspect de l’invention, le collecteur comprend q bras de liaison, chacun étant solidaire d’une bague, notamment par soudure. Chaque bras possède une extrémité libre apte à être connectée à une phase, ou à plusieurs phases, de bobinage du rotor pour l’alimenter ou les alimenter. Chaque bras de liaison débouche, notamment radialement, du squelette du collecteur au travers d’un trou radial ménagé dans le squelette.

Selon un aspect de l’invention, les bagues de chaque groupe peuvent se succéder axialement.

Cette juxtaposition axiale favorise la compacité du collecteur.

Selon un aspect de l’invention, les ponts d’un même type q sont décalés des ponts des autres types. Les bagues peuvent être axialement réparties sur une longueur axiale de lame.

Les ponts peuvent être connectés à une zone centrale des lames ou à une extrémité de celles-ci. En particulier, lorsque q = 3 (c'est-à-dire lorsque le système de courant est triphasé) le collecteur comprend trois bagues, une centrale et deux d’extrémités entourant la bague centrale. Les ponts associés à la bague centrale sont connectés axialement au centre des lames et les ponts associés aux bagues d’extrémités sont connectés sur des coins des lames.

En variante, les bagues peuvent être concentriques.

Selon un aspect de l’invention, chaque lame peut être séparée des deux lames adjacentes par une inter-lame.

L’inter-lame est définie pour empêcher le contact circonférentiel entre deux lames successives.

Selon un aspect de l’invention, les inter-lames peuvent toutes présenter la même ouverture angulaire.

L’ouverture angulaire de chaque lame peut ainsi être égale, en radians, à [2*π- G*q*p*(ouverture d’une inter-lame)]/(G*p*q).

Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire d’une inter-lame est inférieure à l’ouverture angulaire d’une des lames. En variante, l’ouverture angulaire d’une inter-lame peut être supérieure à l’ouverture angulaire d’une des lames.

Selon un aspect de l’invention, la dimension minimale dans la direction circonférentielle entre deux lames successives, c'est-à-dire la dimension circonférentielle des inter-lames, est choisie pour éviter le claquage diélectrique. La dimension minimale peut être comprise entre 1,6 mm et 2,4 mm lorsque le commutateur est alimenté sous 48V.

Cette dimension des inter-lames permet d’éviter les arcs électriques entre les lames adjacentes tout en laissant un espace suffisant aux lames ce qui simplifie la fabrication du squelette. Cette dimension d’inter-lames peut également permettre la continuité du frottement entre les balais et les lames.

La dimension radiale minimale du collecteur est imposée par le nombre de lames et par la dimension minimale des inter-lames à respecter.

L’ouverture angulaire d’une des inter-lames se déduit de la distance radiale de la zone de frottement et de la dimension circonférentielle de cette inter-lame.

L’ouverture angulaire des lames peut être identique à l’ouverture angulaire des inter-lames. Chaque lame et chaque inter-lame s’étendent chacune sur 2*π/(2* G*p*q).

Selon un aspect de l’invention, l’inter-lame peut être isolante. L’inter-lame peut être un espace vide entre deux lames successives. L’inter-lame peut comprendre une protubérance non conductrice, notamment formée par le squelette.

Selon un aspect de l’invention, une des inter-lames, notamment chaque inter-lame, peut comprendre une lame isolée. La lame isolée n’est connectée électriquement à aucune autre lame. La lame est dite isolée en opposition aux lames conductrices, connectées électriquement qui forment les q groupes. En variante, les inter-lames peuvent être connectées ensemble formant un groupe de lames isolées en mêmes conditions de potentiel électrique.

Selon un aspect de l’invention, les lames isolées peuvent être fixées sur une bague d’inter-lames. La bague d’inter-lames peut être disposée dans l’espace intérieur du squelette. La bague d’inter-lames peut être radialement à l’extérieur des bagues de type q. Les lames isolées comportent un pied inséré dans une ouverture de la bague d’inter-lames pour la fixation de la lame isolée. La bague d’inter-lames peut comprendre des fenêtres pour le passage des ponts entre les lames d’un des q groupes et la bague associée.

La lame isolée est séparée des lames conductrices par des interstices. Les interstices peuvent mesurer entre 1mm et 5mm dans la direction circonférentielle. Les lames isolées sont reçues dans des ouvertures radiales. Le collecteur peut alors comprendre 2*G*p*q lames, les lames conductrices étant en alternance avec les lames isolées. Les lames isolées sont à potentiel flottant.

Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire des lames isolées peut être comprise entre 20 et 50%, notamment entre 40% et 50% de l’ouverture angulaire des lames conductrices.

Les lames isolées permettent de garantir une uniformité de contact entre le collecteur et les balais. En effet les balais frottent quasiment en continu sur des lames, isolées ou conductrices.

Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire de chaque balai est supérieure à l’ouverture angulaire des inter-lames. Ainsi, chaque balai est toujours en contact avec au moins une lame. Chaque balai peut être en contact simultanée avec au plus deux groupes de lames différents.

Selon un aspect de l’invention, le taux de recouvrement peut être le rapport entre la différence entre l’ouverture angulaire d’un balai et l’ouverture angulaire d’une inter-lame divisée par le motif élémentaire du collecteur. Selon un aspect de l’invention, le taux de recouvrement peut être compris entre compris entre 10% et 55%.

Selon un aspect de l’invention, la somme de l’ouverture angulaire d’un balai et de l’ouverture angulaire d’une lame peut être supérieure ou égale à 120 degrés électriques et inférieur strictement à 180 degrés électriques.

Au sens de la demande, le rapport entre un degré électrique et un degré géométrique est égal à G*p.

Au sens de la demande, le recouvrement est la période durant laquelle un balai donné est en contact avec deux lames de groupes différents. Durant ce recouvrement, le balai peut ainsi alimenter deux groupes distincts de lames simultanément. L’alimentation simultanée de deux groupes de lames pour un même balai influe sur la forme de système polyphasé de courant. La forme d’onde de chaque phase est modifiée. Le recouvrement permet d’alimenter le rotor selon un système polyphasé de courant, par exemple créneaux, par exemple quasi-sinusoïdale tout en maintenant le courant de la source de tension à une valeur moyenne non nulle, de même signe de courant au cours du temps.

Selon un aspect de la demande, à collecteur fixé (ouverture angulaire des lames et des inter-lames fixes), l’ouverture des balais peut être choisie pour obtenir différents forme de système de courant. Pour un collecteur donné, il peut donc y avoir plusieurs systèmes de courant.

L’invention a également pour objet une machine électrique qui comprend :

• un commutateur mécanique tel que décrit précédemment,
• un stator fixe en rotation, le stator formant l’inducteur de la machine,
• un rotor mobile en rotation autour de l’axe de la machine électrique, le rotor formant avec le collecteur un induit de la machine, le rotor comprenant :
  1. un arbre de rotor, et
  2. un corps de rotor comprenant :
     1. un paquet de tôles comprenant des tôles empilées axialement, le paquet de tôles comprenant Nr dents rotoriques, le paquet de tôles ayant une pluralité d’encoches d’extension axiale,
     2. au moins un bobinage, le bobinage étant réparti en q phases (a, b, c) alimentées par le commutateur, les phases comprenant des sections de bobinage logés dans les encoches, les sections de chaque phase se succédant circonférentiellement, chaque phase présentant deux extrémités (32).

Une telle machine est particulièrement remarquable en ce que le rotor est alimenté selon un système de courants polyphasé au moyen d’un commutateur mécanique alimenté en courant continu. Le rotor obtient sa tension et son courant d’une source de tension, par exemple la batterie d’accumulateurs, donc en continu et pas en alternatif.

Une telle machine électrique polyphasée est économe car elle évite un ensemble électronique coûteux pour l’alimentation en courant alternatif des multiples phases de la machine à partir d’un courant continu.

Les balais sont également alimentés en courant continu, ils sont reliés à la même source de tension. Ils ne sont pas reliés aux phases du rotor, ce sont les groupes de lames qui sont connectées aux q phases du rotor.

Selon un aspect de l’invention, la machine peut présenter un nombre de paires de pôles apparents p compris entre 1 et 24, par exemple 12. En particulier la machine peut être à 6 paires de pôles magnétiques apparents.

Selon un aspect de l’invention, Le nombre d’encoches Ne peut être compris entre 1 et 50, de préférence entre 10 et 30, par exemple égale à 12 ou à 24.

Selon un aspect de l’invention, le bobinage peut être réparti ou à pas fractionnaire.

Au sens de la demande, le rotor présentant un bobinage à pas fractionnaire, comprend un nombre d’encoches par pôle apparent et par phase qui n’est pas entier. Le nombre d’encoches par pôle apparent et par phase peut être égal à Ne’ = Ne /(2*p*q). Ne’ peut être supérieur à 0,2 et strictement inférieur à 1.

Selon un aspect de l’invention, chaque phase peut présenter un unique conducteur formant les différentes sections de bobinage. Chaque phase peut présenter plusieurs conducteurs assemblés ensemble à l’extérieur des encoches. Ces conducteurs peuvent être des épingles, par exemple en forme de U, par exemple en forme de I. Ces épingles peuvent être insérées axialement puis reliées ensemble. Les épingles permettent d’obtenir de meilleurs performances, notamment en terme de couple moteur.

Selon un aspect de l’invention, Nr peut être compris entre 2 et 50, de préférence compris entre 16 et 24 et par exemple égal à 20. Le nombre d’encoches peut être égal à Nr, chaque encoche étant alors disposée entre deux dents rotoriques successives.

Selon un aspect de l’invention, les dents rotoriques peuvent présenter une forme bombée.

Selon une première variante, le stator comprend Ns dents statoriques. La machine présente 2*p pôles magnétiques apparents avec 2*p = Nr-Ns et un rapport de réduction magnétique G = Ns/2p.

Selon cette variante, le stator n’est pas alimenté par une source de tension et/ou de courant. Le stator n’est pas en liaison filaire avec une source de tension ou de courant. Le stator est à réluctance pure. Le stator ne comprend pas d’aimants permanents. Cette machine électrique est économe en matière première coûteuse et le procédé de fabrication est extrêmement simplifié.

Selon un aspect de l’invention, le stator peut être formé par un paquet de tôles. Le stator peut comprendre des renfoncements entre chaque dents statoriques successives. Ces renfoncements peuvent présenter une forme arrondie.

Selon un aspect de l’invention, Ns peut être compris entre 2 et 50, de préférence compris entre 10 et 30 et par exemple égal à 24.

Selon un aspect de l’invention, G peut être compris entre 1 et 20, de préférence compris entre 3 et 15, par exemple 5, par exemple 11.

Selon une deuxième variante, le stator comprend Na paires de pôles magnétiques. La machine électrique présente 2*p pôles magnétiques apparents avec p = Nr-Na et G = Na/p. Selon cette variante, le nombre de pôles magnétiques au stator n’est pas le nombre de pôles magnétiques apparents de la machine électrique.

Selon un aspect de l’invention, Na peut être compris entre 1 et 50, de préférence compris entre 5 et 30 et par exemple égal à 22.

Dans le cas des première et deuxième variante, G peut être strictement supérieur à 1 et inférieur à 20, de préférence compris entre 3 et 15, par exemple 5, par exemple 11.

Selon un aspect de l’invention, le stator peut comprendre une culasse équipée d’un ou de plusieurs d’aimants réparties circonférentiellement. Les aimants peuvent être des aimants permanents, notamment ferrite, notamment aux terres rares. Dans ce cas, une excitation du stator n’est pas nécessaire. Le stator peut comprendre un ou plusieurs aimants à aimantation Halbach. En variante, les aimants peuvent être des électro-aimants.

Ces structures de machines électrique, dites Vernier, notamment à grand nombre dents, procurent une très grande densité de couple, simultanément avec un effet de multiplication de vitesse, partant de la vitesse mécanique du rotor, allant vers la vitesse d’une onde de perméance.

Ces structures permettent d’obtenir un effet de réduction magnéto-mécanique où l’onde de perméance, utile à la conversion électromécanique de l’énergie, tourne G fois plus vite que le rotor. Le rapport de réduction magnétique G s’exprime de façon simple en fonction du nombre de dents et de pôles au stator.

Le commutateur mécanique va paradoxalement assurer un autopilotage entre la vitesse mécanique et l’alimentation en courant, c'est-à-dire à une vitesse identique à celle de l’onde de perméance, soit G x la vitesse mécanique du rotor et des lames.

Selon un autre aspect de l’invention, les phases du bobinage peuvent être reliées aux lames du collecteur, en particulier aux bagues du collecteur, par l’intermédiaire des bras de liaison.

Selon un autre aspect de l’invention, la machine électrique peut également comprendre un ensemble porte-balais fixe en rotation dans lequel sont logés les balais du commutateur. Le porte-balais peut entourer le collecteur.

La machine électrique peut comprendre un carter fixe en rotation. Le carter peut entourer l’ensemble du stator, du rotor et du commutateur. Le carter peut être en deux parties, une avant et une arrière. Le porte-balais peut être fixé sur la partie arrière du carter. Le stator peut être fixé sur la partie avant du carter.

Selon un autre aspect de l’invention, le collecteur peut être fixé en rotation sur l’arbre de rotor, notamment le manchon du collecteur peut être emmanché à force. En variante, le collecteur peut être monté sur l’arbre de rotor de manière réversible. Des organes de roulement peuvent être disposés entre l’arbre de rotor et le carter pour supporter le rotor.

Selon un premier mode de bobinage, chacun des q groupes de lames est connecté électriquement à une des deux extrémités d’une des q phases du rotor, les autres extrémités des q phases sont connectées électriquement ensemble de sorte à former un bobinage en étoile.

Dans un exemple particulier de ce premier mode de bobinage, q est égal à trois, le commutateur alimente donc le rotor selon un système de courant triphasé. Une extrémité de chacune des trois phases de bobinage peut être fixée, notamment par soudure sur une extrémité de l’un des trois bras de liaison.

Selon un autre aspect de l’invention, une seule des deux extrémités de chaque phase peut être connectée à un bras de liaison. Chaque groupe de lames peut alimenter une seule et unique phase des q, notamment trois, phases du rotor. Chaque groupe de lames, notamment chaque anneau du collecteur, alimente une phase distincte.

Selon un aspect de l’invention, le collecteur peut également comprendre un connecteur apte à relier électriquement ensemble les extrémités des phases du bobinage. Le connecteur peut être disposé circonférentiellement à côté des extrémités libres des bras de liaison. Le connecteur peut déboucher radialement du squelette. Le connecteur comprend q extrémités, notamment trois, pour chacune recevoir chacune des extrémités de phase.

Selon un deuxième mode de bobinage, chacun des q groupes de lames est connecté électriquement à deux extrémités de deux phases distinctes des q phases du rotor de sorte à former un bobinage en polygone.

Dans un exemple particulier de ce deuxième mode de bobinage, q = 3, le commutateur alimente donc le rotor selon un système de courant triphasé. Le bobinage est donc en triangle. Une extrémité de chacune de trois phases de bobinage peut être fixée, notamment par soudure sur une extrémité de l’un des trois bras de liaison.

Selon un autre aspect de l’invention, chaque phase du rotor peut être connectée à deux groupes de lames distincts. Chaque phase du bobinage peut être connectée à deux bras de connexion. Chaque bras de connexion peut être connecté à deux phases du bobinage. Le potentiel peut être identique aux deux extrémités de chaque phase du bobinage.

Selon une configuration préférée de la machine électrique, le stator comprend Le stator peut comprendre un ou plusieurs aimants à aimantation Halbach et le bobinage est à pas fractionnaire. Cette configuration subit moins fortement la montée en vitesse. Une telle combinaison permet à la machine d’être moins perturbée par la réaction d’induit et de réduire les ondulations de couple.

L’invention a également pour un système de traction pour engin de transport comprenant :

• une machine électrique tel que décrite précédemment, et
• un hacheur connecté électriquement aux balais du commutateur mécanique et apte à être connecté à la batterie du véhicule.

L’engin de transport peut être véhicule, notamment automobile. L’engin de transport peut être un véhicule autonome de livraison d’objets, notamment à roues, notamment à hélices, par exemple un engin de type « drone » ou « droïde ».

Le hacheur permet le réglage de la tension et ainsi la fonction de variateur de puissance. Le hacheur n’est pas ici un onduleur qui permet la génération de signaux de courants sinusoïdaux. Un rhéostat peut être prévu à la place du hacheur qui permet d’extraire totalement de l’électronique de puissance pour l’alimentation de la machine électrique.

Un tel système de traction permet de propulser à bas coût un véhicule automobile.

En variante, l’invention peut également porter sur un alternateur comprenant la machine électrique. L’invention peut également porter sur un système comprenant la machine électrique pouvant fonctionner en mode moteur et en mode alternateur.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :

et

sont des vues schématiques, en coupe, d’une machine électrique selon l’invention,

et

illustrent schématiquement l’alimentation électrique du bobinage de la machine selon un premier mode de bobinage étoilé,

et

illustrent un exemple de collecteur de commutateur selon l’invention pour alimenter le bobinage dans le premier mode.

et

illustrent schématiquement l’alimentation électrique du bobinage de la machine selon un deuxième mode de bobinage triangle.

,

, et

illustrent un exemple de collecteur de commutateur selon l’invention pour alimenter le bobinage dans le premier mode.

illustre un anneau isolé du collecteur de la .

illustre schématiquement et partiellement une machine électrique selon la première variante

illustre schématiquement et partiellement une machine électrique selon la deuxième variante

illustre schématiquement une machine à aimants segmentés avec bobinage réparti avec le commutateur associé

illustre schématiquement une machine à aimantation Halbach et bobinage à pas fractionné avec le commutateur associé.

On a représenté schématiquement sur la , en coupe, une machine électrique 1. La machine 1 est apte à équiper un système de traction pour engin de transport, notamment un véhicule automobile.

Dans l’exemple considéré, la machine comprend un rotor 3 mobile en rotation autour de l’axe X de rotation de la machine et un stator 4 fixe en rotation comprenant 2*p pôles magnétiques apparents et présentant un rapport de réduction magnétique G. Le rotor forme l’induit et le stator forme l’inducteur de la machine. La machine présente un nombre de pôles apparents p qui peut être compris entre 1 et 12. En particulier la machine peut être à 6 paires de pôles magnétiques apparents.

La machine 1 comprend également un carter 5 fixe en rotation, ici en deux parties, une avant 5a et une arrière 5b. Le carter entour l’ensemble du stator et du rotor Le carter peut être en deux parties, Le stator 4 est fixé sur la partie avant du carter, par exemple monté à force.

Dans l’exemple considéré, le rotor 3 comprend un arbre de rotor 10 et un corps de rotor 11.

Dans l’exemple considéré, un palier avant 13 et un palier arrière 14 sont traversés par l’arbre de rotor 10. L’arbre de rotor 10 est monté à rotation par rapport au carter 5, par exemple au moyen d’organes de roulement montés sur les paliers 13, 14.

Par exemple, le rotor 3 comprend, un premier organe d’entraînement 20 appartenant à la machine 1. Un deuxième organe d’entraînement 21 monté sur un élément d’une chaîne de traction, par exemple un vilebrequin, du véhicule automobile, et un élément 22 transmettant le mouvement de rotation du deuxième organe d’entraînement 21 au premier organe d’entraînement 20 sont prévus. Selon un exemple particulier, les organes d’entraînement 20, 21 sont des poulies et l’élément 22 transmettant le mouvement est une courroie.

Comme mieux visible sur la , la poulie 20 est montée solidaire en rotation sur l’arbre de rotor 10. L’arbre de rotor peut donc être entraîné en rotation par le mouvement de rotation de la poulie 20. La poulie 20 est disposée sur une première extrémité de l’arbre 14, dite extrémité avant. L’arbre 14 présente une deuxième extrémité, dite extrémité arrière, opposée à l’extrémité avant.

Dans l’exemple considéré à la , la machine est dans une deuxième variante. Le stator 4 comprend une culasse équipée d’un ou de plusieurs d’aimants réparties circonférentiellement. Les aimants sont ici des électro-aimants. Par exemple, le stator comprend Na paires de pôles magnétiques, avec Na = 22.

Dans l’exemple considéré, les électro-aimants sont alimentés avec un courant électrique d’excitation continu EXC provenant d’un hacheur du stator 25. Le stator 4 est alimenté au travers du hacheur de stator par une source de tension qui est ici la batterie B du véhicule. Le bobinage d’excitation est relié à la borne B+ de la batterie B.

En variante des électro-aimants, le stator peut présenter un ou une pluralité d’aimants permanent pour former les Na pôles. Ces aimants peuvent être ferrites ou aux terres rares. De préférence, les aimants sont à aimantation Halbach. Dans le cas d’aimants permanents, une excitation du stator n’est pas nécessaire. Le stator n’est pas en liaison filaire avec une source de tension ou de courant. Une machine selon cette deuxième variante est illustrée en .

Dans une première variante de la machine 1, le stator 4 comprend cette fois-ci Ns dents statoriques 100. peut être égal à 24. Le stator 4 peut être formé par un paquet de tôles. Une machine selon cette première variante est illustrée en .

Selon cette première variante, le stator n’est pas alimenté par la batterie. Le stator n’est pas en liaison filaire avec une source de tension ou de courant. Le stator 4 est à réluctance pure. Le stator ne comprend pas d’aimants permanents.

Dans l’exemple considéré, le corps de rotor 11 comprend un paquet de tôles, en matériau ferromagnétique, comprenant des tôles empilées axialement. Le paquet de tôles comprenant Nr dents rotoriques 101 et une pluralité d’encoches d’extension 102 axiale.

Dans l’exemple considéré, Nr peut être compris entre 2 et 50, par exemple égal à 20. Le nombre d’encoches Ne peut être égal à Nr, chaque encoche étant alors disposée entre deux dents rotoriques 101 successives.

Dans sa première variante, la machine 1 présente 2*p pôles magnétiques apparents avec 2*p = Nr-Ns et un rapport de réduction magnétique G = Ns/2p.

Dans sa seconde variante, la machine 1 présente 2*p pôles magnétiques apparents avec p = Nr-Na et G = Na/p.

Le corps de rotor 11 comprend également au moins un bobinage 30, le bobinage étant réparti en q phases. Les phases comprennent des sections de bobinage 31 logés dans les encoches, les sections de chaque phase se succédant circonférentiellement. Chaque phase présente deux extrémités 32. Les encoches sont séparées les unes des autres par des dents de corps de rotor. Le bobinage peut être réparti ou à pas fractionnaire.

Dans l’exemple considéré à la , q = 3, le bobinage est donc un bobinage triphasé dont les phases sont a, b et c. Le rotor 3 est donc alimenté selon un système de courant triphasé.

Les phases du bobinage 30 peuvent être connectées en étoile ou en polygone. Dans ce mode de réalisation, le rotor comporte trois phases a, b, c connectées en triangle, comme illustré sur la .

Dans l’exemple considéré, chaque tôle peut présenter une forme annulaire et comporter des rainures disposées radialement. Les encoches des tôles empilées forment les encoches de paquet de tôles s’étendant selon une direction sensiblement parallèle à l’axe X. Entre les encoches 102 sont formés, les Nr dents rotoriques 101.

Dans l’exemple considéré, chaque phase a, b ,c peut présenter un unique conducteur formant les différentes sections de bobinage.

Dans l’exemple considéré, des chignons 35 formés par le bobinage 30 sont disposés de part et d’autre du paquet de tôles.

La machine 1 selon l’exemple considéré est particulièrement remarquable en ce qu’elle comporte un commutateur mécanique 40 pour alimenter les q phases de rotor 3. Dans l’exemple considéré, aux figures 1 et 2, le commutateur mécanique alimente donc le rotor 3 avec un système de courant triphasé. Le commutateur 40 est disposé à l’intérieur du carter.

Dans l’exemple considéré, le commutateur 40 comprend un collecteur 41 mobile en rotation autour de l’axe X. Le collecteur sera décrit plus en détail en référence suivantes. Le collecteur 41 est fixé en rotation sur l’arbre de rotor 10 et forme avec le rotor 3 l’induit de la machine 1.

Dans l’exemple considéré, le commutateur 40 comprend également au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif 45 et un balai négatif 46, aptes à frotter sur le collecteur 41. Les balais 45, 46 sont fixes en rotation, ils sont définis chacun sur un secteur angulaire et ils sont reliés à une même source de tension ici batterie B du véhicule. Les balais sont donc alimentés en courant continu.

Dans l’exemple considéré, un hacheur 48 est disposé entre les balais 45, 46 et la borne B+ de la batterie B pour régler la tension et agir comme variateur de tension.

Dans l’exemple considéré, les balais 45, 46 ont une forme sensiblement parallélépipédique. Chaque balai comporte une surface radialement intérieure cylindrique en contact avec le collecteur 41.

Dans l’exemple considéré, la machine 1 comprend un ensemble porte-balais 50 fixe en rotation dans lequel sont logés les balais 45, 46. Le porte-balais 50 porte les balais. Le porte-balais 50 entoure le collecteur 41. Le porte-balais est fixé au carter, notamment sur la partie arrière 5b du carter. Le porte-balais peut être fixé sur le palier arrière 14 ou directement sur la culasse du stator.

Lorsque la machine 1 fonctionne en mode générateur, la poulie 20 et le rotor 3 sont entraînés en rotation et le bobinage du rotor 30 est alimenté électriquement par du commutateur 40. Le rotor 3 est alors magnétisé, un champ magnétique est créé et génère un courant induit dans le bobinage du stator.

On va maintenant décrire en détail le fonctionnement et la structure du commutateur.

Les figures 3 et 4 illustrent schématiquement l’alimentation par un système de courant triphasé du bobinage d’un rotor 3 d’une machine 1 comprenant deux paires de pôles apparents, i.e. p = 2, selon un premier mode de bobinage étoilé et selon la première variante de machine, i.e. à réluctance pure. Les figures 3 et 4 représentent le commutateur 40 et le bobinage du rotor 30 déroulés.

En référence à la , le collecteur 41 comprend G*p*q lames conductrices 60 se succédant circonférentiellement, avec ici G= 2, p = 2 et q = 3, donc 12 lames conductrices. Seules la moitié des 12 lames 60 sont représentées ici. Chaque lame 60 est définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes sont isolées les unes des autres. Les lames conductrices sont réparties en q groupes, ici trois groupes a’, b’, c’. Toutes les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’ sont connectées électriquement ensemble et les trois groupes sont alternées circonférentiellement.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 présente un motif élémentaire de lames qui se répète G*p fois, ici quatre fois. Le motif élémentaire de lames est ici : lame du groupe a’, lame du groupe b’ et lame du groupe c’. Le collecteur 41 présente G*p*q passages, ici douze, d’un type de lame à un autre. Le type d’une lame est défini par l’appartenance à un groupe. Le collecteur présente ainsi un motif élémentaire égal à 2*π/(G*p*q), soit π/6 ou encore 30°.

Dans l’exemple considéré, chacun des trois groupes a’, b’, c’ de lames est connecté électriquement à une des deux extrémités 32 d’une des trois phases a, b, c du rotor 3. Les autres extrémités 32 des trois phases sont connectées électriquement ensemble de sorte à former un bobinage en étoile.

Dans l’exemple considéré aux figures 3 et 4, G=2 et p=2 nous donne Nr = 12 et Ns = 8.

Dans l’exemple considéré, le rotor peut comprendre 12 encoches, autant que de dents rotoriques Nr. Chacune des douze lames du collecteur est alignée avec une dent de corps de rotor. Chacune des encoches dans laquelle est logée une section appartenant à une phase du type q est alignée axialement avec une lame du collecteur 41 du même type.

Dans l’exemple considéré, toutes les lames présentent toutes le même secteur angulaire et la même dimension axiale. En particulier, toutes les lames 60 sont identiques et ne sont pas décalées axialement. Les lames 60 peuvent être en cuivre. Les lames 60 peuvent avoir une épaisseur radiale comprise entre 1mm et 3mm, par exemple 2mm. Les lames peuvent avoir une dimension axiale comprise entre 8mm et 12mm, par exemple 10mm.

En référence à la , le commutateur comprend une unique paire de balais 45, 46 toujours en contact des lames 60. Deux paires de balais auraient pu être envisagé car le nombre de paires peut être compris entre 1 et p. Les balais de la paire représentée sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1)*2*π]/(2*G*p)], k étant un entier naturel. Dans l’exemple considéré, les balais peuvent donc être décalés, par exemple, d’un angle de π/2 ou de 3π/2, ici les balais 45, 46 sont décalés de π/2.

Le décalage angulaire entre les balais 45, 46 se fait de centre à centre, c'est-à-dire entre les plans médians A de chaque balai.

Dans l’exemple considéré, chaque lame 60 est séparée des deux lames 60 adjacentes par une inter-lame 62 isolante. L’ouverture angulaire de chaque inter-lame 62 est identique.

Dans l’exemple considéré, l’ouverture angulaire de chaque balai 45, 46 est supérieure à l’ouverture angulaire des inter-lames 62. Ainsi, chaque balai est toujours en contact avec au moins une lame et avec deux lames pendant les phases de recouvrement.

En référence aux figures 5 et 6, on va maintenant décrire, une variante concrète de collecteur 41 pour l’alimentation par un système de courant triphasé (q=3) d’une machine 1 à deux paires de pôles apparents et à rapport de réduction magnétique G égal à 4 avec un bobinage en étoile. Le collecteur présente donc un motif élémentaire égal 2*π/(G*p*q), soit π/12 ou encore 15°.

Dans l’exemple considéré, chaque inter-lame 62 comprend une lame isolée 63 qui n’est connectée électriquement à aucune autre lame. Les lames 63 sont dites isolées en opposition aux lames 60 conductrices connectées électriquement qui forment les trois groupes de lames. Les lames isolées sont à potentiel flottant. Les lames isolées 63 sont séparées des lames conductrices 60 par des interstices 64 qui peuvent mesurer entre 1mm et 5mm dans la direction circonférentielle.

Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire des lames isolées 63 est comprise entre 40% et 50% de l’ouverture angulaire des lames conductrices 60.

Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend 48 lames, 24 lames conductrices 60 (G=4, p=2 et q=3) et 24 lames isolées 63, les lames conductrices 60 étant en alternance avec les lames isolées 63.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 présente G*p*q passages, ici 24 passages, d’un type de lame conductrice à un autre. Le type d’une lame est défini par l’appartenance à un groupe. Les lames isolées n’appartiennent à aucun groupe.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend un squelette 65, en matériau isolant, par exemple en plastique, de révolution autour de l’axe X pour maintenir les lames 60, 63 en position. Le squelette est de forme sensiblement cylindrique. Le squelette 60 est ici d’un seul tenant. Le squelette comprend 48 ouvertures radiales 67 recevant les lames 60, 63. Le squelette comprend une ouverture centrale 68 recevant l’arbre de rotor 10. Le collecteur 41 comprend également un moyeu central 69 pour le passage de l’arbre du rotor. Le squelette est fixé sur le moyeu central, par exemple surmoulé sur le moyeu central 69.

La est une vue éclatée du collecteur de la . Les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’ sont toutes connectées électriquement à une bague disposée radialement à l’intérieur des lames. Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend une bague d’un type a 70 pour connecter ensemble les lames 60 du groupe a’, une bague d’une type b 71 et une bague d’une type c 72.

Dans l’exemple considéré, les bagues 70, 71, 72 se succèdent axialement. La bague de type b est centrale et les bagues de type a et de type c sont d’extrémités. Les bagues sont axialement réparties sur une longueur axiale de lame 60.

Dans l’exemple considéré, un pont 75 est prévu entre chaque lame 60 et la bague associée 70, 71, 72. Chaque pont est associé à une unique lame 60. Les ponts 75 s’étendent radialement depuis les bagues sans décalage axial.

Les ponts 75 de la bague de type b 71, centrale, sont connectés à une zone centrale des lames 60. Les ponts 75 des bagues d’extrémités 70, 72 sont connectés sur des coins des lames 60.

Les ponts et les bagues sont dans un espace intérieur du squelette 67 tandis que les lames 60 affleurent vers l’extérieur pour venir en contact électrique avec les balais 45, 46.

Dans l’exemple considéré, les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’, les ponts 75 et la bague 70, 71, 72 forment un anneau d’un seul tenant. Le collecteur comprend ainsi un anneau de type a 77, un anneau de type b, 78 et un anneau de type c 79. L’anneau de type b 78 est représenté isolément à la .

Dans l’exemple considéré, les lames isolées sont fixées sur une bague d’inter-lames 73. La bague d’inter-lames 73 est disposée dans l’espace intérieur du squelette 65. La bague d’inter-lames 73 radialement à l’extérieur des bagues 70, 71, 72. Les lames isolées 63 comportent un pied 74 inséré dans une ouverture de la bague d’inter-lames par la fixation de la lame isolée.

La bague d’inter-lames 73 comprend des fenêtres 76 pour le passage des ponts 75 entre les lames 60 du groupe b et la bague 72 qui est en position centrale. Ainsi, les ponts 75 de l’anneau de type b 78 traversent la bague d’inter-lames 73.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend trois bras de liaison 80, chacun étant solidaire d’une des bagues 70, 71, 72. Chaque bras de liaison comprend une portion venant de matière avec les anneaux et une portion comprenant l’extrémité libre 81. Les deux portions sont fixées l’une à l’autre par exemple par soudure. Chaque extrémité libre 81 est connectée à une phase de bobinage a, b, c pour l’alimenter. Chaque bras de liaison 80 débouche radialement du squelette 65 du collecteur au travers d’un trou radial 82 ménagé dans le squelette.

Dans l’exemple considéré, une seule des deux extrémités 32 de chaque phase a, b, c est connectée à un bras de liaison. Chaque groupe de lames a’, b’, c’ alimente ainsi une seule et unique phase des 3 phases du rotor.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend également un connecteur 90 pour relier électriquement ensemble les extrémités 32 des phases a, b, c. Le connecteur 90 est disposé circonférentiellement à côté des extrémités libres 81 des bras de liaison. Le connecteur 90 débouche radialement du squelette 67. Le connecteur comprend trois extrémités 91, pour chacune recevoir chacune des extrémités de phase 32. Ainsi chaque phase a, b, c comprend une extrémité 32 connectée à un bras de liaison 80 et une extrémité connectée au connecteur 90.

Les figures 7 et 8 illustrent schématiquement l’alimentation par un système de courant triphasé du bobinage d’un rotor 3 d’une machine 1 comprenant deux paires de pôles apparents (p = 2) et un rapport de réduction magnétique G égale à deux selon un deuxième mode de bobinage (triangle). Les figures 12 et 13 représentent partiellement le commutateur 40 et le bobinage du rotor 30 déroulés.

Cet exemple diffère de celui illustré aux figures 3 et 4 en ce que chacun des 3 groupes de lames a’, b’, c’ est connecté électriquement à deux extrémités 32 de deux phases a, b, c distinctes de sorte à former un bobinage en triangle.

Dans l’exemple considéré, chaque phase a, b, c est connectée à deux groupes de lames a’, b’, c’ distincts.

En référence aux figures 9 à 12, on va maintenant décrire, un commutateur 40 pour l’alimentation par un système de courant triphasé (q=3) d’une machine 1 à deux paires de pôles et avec un rapport de réduction G égal à 3 avec un bobinage en triangle.

Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend ici 18 lames conductrices 60. (G=3, p=2 et q=3). le collecteur 41 présente G*p*q passages, ici 18, d’un type de lame à un autre. Le collecteur 40 présente un motif élémentaire de lames qui se répète G*p fois, ici 6. Le motif élémentaire est ici : lame du groupe a’, lame du groupe b’ et lame du groupe c’ (a’, b’, c’).

Le collecteur 40 considéré ici diffère de celui des précédents en ce qu’il ne comprend pas de connecteur. Le collecteur comprend uniquement 3 bras de liaison 80 qui reçoivent chacun deux extrémités de phase 32. Les extrémités 32 sont par exemple fixées par soudure. Chaque phase a, b, c est donc connectée à deux bras de liaison 80 et chaque bras de liaison 80 est connecté à deux phases du bobinage. Le potentiel est identique aux deux extrémités 32 de chaque phase a, b, c.

La présente schématiquement une machine 1 selon la première variante dans laquelle Nr = 24, Ns = 20. Le nombre de pôles apparents p est ainsi égal à 2, le rapport de réduction magnétique G égal à 5 et le nombre de lames du collecteur égal à 30. Le nombre Ne d’encoches 102 est égal à 24.

Dans l’exemple considéré, Selon un aspect de l’invention, les Ns dents rotoriques 101 présentent une forme bombée en direction du stator. Le stator 4 comprend des renfoncements 103 entre chaque dents statoriques successives présentant chacun une forme arrondie.

La présente schématiquement une machine 1 selon la première variante dans laquelle Nr = 24, Na = 22. Le nombre de pôles apparents p est ainsi égal à 2, le rapport de réduction magnétique G égal à 11 et le nombre de lames du collecteur égal à 66. Le nombre Ne d’encoches 102 est égal à 24.

La présente schématiquement une machine 1 triphasée dont la culasse 105 du stator 4 est équipée de vingt aimants permanents 106 réparties circonférentiellement formant 10 paires de pôles magnétiques. Le bobinage 30 est un bobinage réparti. Les sections du bobinage sont réparties dans les 12 encoches 102 du corps de rotor 11. Les encoches 102 sont chacune comprises entre deux dents rotoriques soit Nr = 12.

Dans l’exemple considéré, le nombre de pôles apparents est égal à 2, le rapport de réduction magnétique G est égal à 5. Le commutateur 40 associé comprend trente lames conductrices 60 et une unique paire de balais.

Enfin, la présente schématiquement une machine 1 triphasée dont le stator 4 est à aimantation Halbach et dont le bobinage 30 à pas fractionné. Ici le rapport de réduction magnétique G est égal à 1. Lorsque G=1, le nombre de pôles apparents de la machine 1 est égal au nombre de pôle du stator 4. La machine est ici à 5 paires de pôles.

Les sections du bobinage sont réparties dans les 12 encoches 102 du corps de rotor 11. Le nombre d’encoches par pôle apparent et par phase est égal à Ne’ = Ne /(2*p*q). Soit Ne’ = 12/30=0,4.

Le commutateur 40 associé comprend 15 lames conductrices 60 et une unique paire de balais.

Claims (10)

1. Commutateur (40) mécanique pour machine (1) électrique apte à alimenter par un système de courant polyphasé comprenant q phases, avec q entier positif strictement supérieur à 1, un rotor (3) de machine électrique tournante présentant 2*p pôles magnétiques apparents et un rapport de réduction magnétique G, comprenant :

   • un collecteur (41) mobile en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*π/(G*p*q),
   • au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif (45) et un balai négatif (46), aptes à frotter sur le collecteur (41), fixes en rotation, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même une batterie (B) de véhicule,

   caractérisé en ce que le collecteur (41) mécanique comprend G*p*q, avec G entier, lames conductrices (60) se succédant circonférentiellement, chaque lame (60) étant définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes étant isolées les unes des autres, les lames étant réparties en q groupes (a’, b’, c’), toutes les lames (60) d’un même groupe étant connectées électriquement ensemble, les q groupes étant alternées circonférentiellement,
   et en ce que les balais (45, 46) d’une même paire sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1)*2*π]/(2*G*p), k étant un entier naturel.
2. Commutateur (40) mécanique selon la revendication 1, les lames (60) d’un même groupe (a’, b’, c’) étant toutes connectées électriquement à une bague (70, 71, 72) disposée radialement à l’intérieur des lames (60).
3. Commutateur (40) mécanique selon la revendication précédente, la somme de l’ouverture angulaire d’un balai (45, 46) et l’ouverture angulaire d’une lame (62) étant supérieure ou égale à 120 degrés électriques et inférieur strictement à 180 degrés électriques
4. Machine (1) électrique comprenant :

   • un commutateur (40) mécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3,
   • un stator (4) fixe en rotation, le stator (4) formant l’inducteur de la machine,
   • un rotor (3) mobile en rotation autour de l’axe (X) de la machine électrique, le rotor (3) formant avec le collecteur (41) un induit de la machine, le rotor comprenant :
     1. un arbre de rotor (10), et
     2. un corps de rotor (11) comprenant :
        1. un paquet de tôles comprenant des tôles empilées axialement, le paquet de tôles comprenant Nr dents rotoriques (101), le paquet de tôles (10) ayant une pluralité d’encoches (102) d’extension axiale,
        2. au moins un bobinage (30), le bobinage étant réparti en q phases (a, b, c) alimentées par le commutateur (40), les phases comprenant des sections de bobinage logés dans les encoches, les sections (31) de chaque phase se succédant circonférentiellement, chaque phase présentant deux extrémités (32).
5. Machine (1) électrique selon la revendication précédente comprenant dans laquelle le stator (4) comprend Ns dents statoriques (100), la machine présentant 2*p pôles magnétiques apparents avec 2*p = Nr-Ns et G = Ns/2p.
6. Machine (1) électrique selon la revendication 4 dans laquelle le stator (4) comprend Na paires de pôles magnétiques, la machine électrique présentant 2*p pôles magnétiques apparents avec p = Nr-Na et G = Na/p.
7. Machine (1) électrique selon la revendication précédente, dans laquelle, le stator (4) comprendre un ou plusieurs aimants à aimantation Halbach et le bobinage (30) est à pas fractionnaire.
8. Machine (1) électrique selon l’une quelconques des revendications 4 à 7, chacun des q groupes de lames (a’, b’, c’) étant connecté électriquement à une des deux extrémités (32) d’une des q phases (a, b, c) du rotor, les autres extrémités (32) des q phases étant connectées électriquement ensemble de sorte à former un bobinage (30) en étoile.
9. Machine (1) électrique selon l’une quelconques des revendications 4 à 7, chacun des q groupes de lames (60) étant connecté électriquement à deux extrémités (32) de deux phases distinctes des q phases (a, b, c) du rotor de sorte à former un bobinage (30) en polygone.
10. Système de traction pour engin de transport comprenant :

    • une machine (1) électrique selon l’une des revendications 4 à 8, et
    • un hacheur (48) connecté électriquement aux balais (45, 46) du commutateur (40) mécanique et apte à être connecté à la batterie (B) du véhicule.