FR3120168A1 - Rotor de machine électrique tournante - Google Patents

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Radu Fratila
Sara BAZHAR
Mohand Hamiti
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Abstract

Rotor de machine électrique tournante Rotor (30) de machine électrique tournante, comportant une masse rotorique (33) comportant des tôles empilées les unes sur les autres, la masse rotorique (33) comportant une pluralité de logements (10) pour recevoir un ou des aimants permanents définissant des pôles du rotor, les logements d’un pôle étant disposés en au moins une première (11) et une deuxième (12) rangées de logements, la première rangée de logements comportant trois logements disposés en U, avec un logement central et deux logements latéraux, une longueur (L2) d’un plus grand rectangle inscrit dans le logement central étant égale à +/- 20% à la longueur (L1) du plus grand rectangle inscrit dans un logement latéral, au moins un des logements latéraux, notamment les deux logements latéraux de la première rangée, comportant un évidement (15) qui s’étend depuis le logement latéral vers le logement central. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Rotor de machine électrique tournante
La présente invention concerne les machines électriques tournantes, motrices ou génératrices, et plus particulièrement les rotors de telles machines. L’invention s’intéresse aux rotors à aimants permanents.
L’invention porte plus particulièrement sur les machines synchrones ou asynchrones, à courant alternatif. Elle concerne notamment les machines de traction ou de propulsion de véhicules automobiles électriques (Battery Electric Vehicle) et/ou hybrides (Hybrid Electric Vehicle – Plug-in Hybrid Electric Vehicle), telles que voitures individuelles, camionnettes, camions ou bus. L’invention s’applique également à des machines électriques tournantes pour des applications industrielles et/ou de production d’énergie, notamment navales, aéronautiques ou éoliennes.
Les rotors à aimants permanents sont généralement composés d’une masse rotorique et d’aimants permanents de formes géométriques diverses. La masse rotorique peut comporter un empilement de tôles magnétiques minces découpées. Elle peut comporter un ou plusieurs paquets de tôles empilés les uns sur les autres.
Les aimants permanents peuvent être disposés en surface, faisant directement face à l’entrefer ou, en variante, être disposés à l’intérieur de la masse rotorique, dans des logements de ce dernier, étant alors dits « enterrés » ou « encastrés ».
Dans ce cas, ils peuvent être disposés en rangée, comme par exemple dans la demande US 2007/0096578, dans laquelle les logements des aimants ont des extrémités arrondies en demi-cercle, de même que dans la demande US 2007/0096577.
Dans les demandes CN110212666, US 2013/0020889 et CN 206650521, on a un aimant permanent disposé en surface et une seule rangée d’aimants enterrés.
Dans les demandes US 2008/007131, WO 2019/179864 et KR 10-2018229, les aimants permanents des deux rangées sont disposés en V.
Dans la demande WO 2019/174323, les rangées sont disposées de telle sorte que deux aimants adjacents de deux pôles consécutifs sont parallèles entre eux et deux aimants de deux rangées sont également parallèles entre eux.
Il existe un besoin pour améliorer les performances magnétiques et notamment le couple volumique des machines électriques tournantes, et réduire leur coût de fabrication et de montage.
L’invention vise à répondre à ce besoin et a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un rotor de machine électrique tournante, une masse rotorique comportant des tôles empilées les unes sur les autres, la masse rotorique comportant une pluralité de logements, au moins une partie des logements, voir tous les logements, recevant un ou des aimants permanents définissant des pôles du rotor,
les logements d’un pôle étant disposés en au moins une première et une deuxième rangées de logements,
la première rangée de logement comportant trois logements disposés en U, avec un logement central et deux logements latéraux, une longueur d’un plus grand rectangle inscrit dans le logement central étant égale à +/- 20% à la longueur du plus grand rectangle inscrit dans un logement latéral,
au moins un des logements latéraux, notamment les deux logements latéraux de la première rangée, comportant un évidement qui s’étend depuis le logement latéral vers le logement central.
Avantageusement, la présence de deux rangées de logements permet d’augmenter le nombre d’aimants reçus dans la masse rotorique, et ainsi d’augmenter la densité de puissance résultante. On peut ainsi obtenir plus de couple avec un même encombrement de rotor. L’invention permet avantageusement d’améliorer le couple réluctant de la machine.
La ‘longueur’ est mesurée selon l’axe de la rangée de logements. On parle de ‘largeur’ pour désigner la dimension perpendiculaire à la longueur dans le plan d’une section transversale de la masse rotorique.
La longueur du plus grand rectangle inscrit dans le logement central peut être égale à +/- 20% à la longueur du plus grand rectangle inscrit dans un logement latéral, voire à +/- 17%, mieux à +/-15%, voire à +/- 10%, encore mieux à +/-7%, voire à +/- 5%. Dans ce rapport, on prend pour référence la longueur du plus grand rectangle inscrit dans un logement latéral.
Dans un mode de réalisation, la longueur d’un aimant de la deuxième rangée peut être égale à la longueur d’un aimant de la première rangée. Tous les aimants d’un pôle peuvent avoir la même longueur.
Dans un mode de réalisation, le rotor comporte une première et une deuxième rangées de logements par pôle, étant dépourvu de rangée supplémentaire.
La deuxième rangée peut être plus proche de l’entrefer que la première rangée. La première rangée est plus éloignée de l’entrefer que la deuxième rangée.
La première rangée peut comporter un logement central et deux logements latéraux. Les deux logements latéraux sont symétriques l’un de l’autre par rapport à un axe du pôle.
La masse rotorique peut comporter un ou plusieurs paquets de tôles empilés les uns sur les autres. Chaque paquet de tôles peut comporter au moins un logement recevant l’aimant permanent. Dans le cas où la masse rotorique comporte plusieurs paquets de tôles empilés les uns sur les autres, la masse rotorique peut comporter, pour un logement, un seul ou plusieurs aimants permanents, par exemple un aimant permanent par paquet de tôles.
La largeur du plus grand rectangle inscrit dans le logement central peut être égale à +/- 50% à la largeur du plus grand rectangle inscrit dans un logement latéral, mieux à 40%, encore mieux à 30%, voire à +/- 20%, mieux à +/-15%, voire à +/- 10%, encore mieux à +/-7%, voire à +/- 5%. Dans ce rapport, on prend pour référence la largeur du plus grand rectangle inscrit dans un logement latéral.
La largeur B du logement central peut être égale à la largeur B d’un logement latéral.
La largeur A d’un logement de la deuxième rangée peut être inférieur à la largeur B d’un logement de la première rangée. Un ratio (B-A)/B peut être compris entre 0 et 40%, mieux entre 5 et 35%, voire entre 10 et 30%, étant par exemple de l’ordre de 25%. Dans un mode de réalisation, on peut avoir la largeur B d’un logement de la première rangée égale à 3,7 mm et la largeur A d’un logement de la deuxième rangée égale à 2,8 mm.
Dans un mode de réalisation, la largeur A d’un logement de la deuxième rangée peut être égale à la largeur B d’un logement de la première rangée. Tous les logements d’un pôle peuvent avoir la même largeur A.
Le nombre de tailles d’aimants permanents nécessaires peut être avantageusement réduit à deux ou trois au maximum, voire n’être que de un.
Les logements latéraux de la première rangée peuvent être pourvus d’aimants permanents. Les aimants permanents des logements latéraux de la première rangée peuvent être identiques l’un à l’autre. Ils peuvent notamment avoir la même taille en section transversale.
Le logement central de la première rangée peut être pourvu d’un ou plusieurs aimants permanents, ou en variante en être dépourvu. En fonction du choix pour la présence ou non d’un aimant permanent central, le rotor peut permettre avantageusement une certaine modularité pour la machine résultante.
Le logement central de la première rangée peut être pourvu d’un aimant permanent de même taille que les aimants permanents des logements latéraux.
En variante, le logement central de la première rangée peut être pourvu d’un aimant permanent plus petit que les aimants permanents des logements latéraux. Cela est avantageux d’un point de vue électromagnétique. En effet, l’aimant permanent étant plus petit que le logement, on a une partie du logement qui se trouve être vide sur les côtés de l’aimant, laquelle partie vide permet de diminuer les fuites électromagnétiques.
Dans une autre variante de réalisation, le logement central de la première rangée est vide.
Les logements de la deuxième rangée peuvent être disposés en V. La deuxième rangée peut notamment comporter deux logements disposés en V. Ils peuvent être symétriques l’un de l’autre par rapport à un axe du pôle. Dans un mode de réalisation, tous les logements de la deuxième rangée sont pourvus d’aimants permanents. La configuration en V de la deuxième rangée permet un gain de place, et d’éviter tout risque de saturation du circuit magnétique.
Dans une autre variante de réalisation, les logements de la deuxième rangée sont vides, étant dépourvus d’aimants.
Les aimants permanents de la deuxième rangée peuvent être identiques l’un à l’autre. Ils peuvent notamment avoir la même taille en section transversale. Les aimants permanents de la deuxième rangée peuvent avoir une taille différente des aimants permanents de la première rangée, étant par exemple plus petits.
Une ouverture angulaire α3 de la deuxième rangée peut être supérieure ou égale à deux fois la somme de l’ouverture angulaire α1 entre deux pôles consécutifs et l’ouverture angulaire α2 entre les première et deuxième rangées. On peut écrire α3 ≥ 2 (α1 + α2). Les ouvertures angulaires sont mesurées à la surface du rotor, au niveau de l’entrefer, pour un pôle donné du rotor.
Une ouverture angulaire α3 de la deuxième rangée peut être donnée par la relation suivante : α3 = k 2π/(2p),
où p est le nombre de paires de pôles du rotor et k le coefficient d’ouverture polaire,
avec le coefficient d’ouverture polaire k qui est compris dans l’intervalle [22,5% ; 37,5%], mieux dans l’intervalle [25% ; 35%].
Le choix de la valeur du coefficient d’ouverture polaire k permet d’optimiser le couple résultant. Dans un exemple de réalisation, k est égal à 34,6%.
Un angle α4 entre les logements adjacents de deux pôles consécutifs peut être strictement supérieur à 0, étant notamment compris entre 5° et 35°, mieux entre 12° et 30°, étant par exemple de 24,8° dans un mode de réalisation. Un angle α4 strictement positif permet d’augmenter le couple de saillance. Le choix de la valeur de l’angle α4 permet d’améliorer le couple résultant.
L’angle α4 peut en particulier être inférieur à 55°, mieux inférieur à 50°, mieux encore inférieur à 40°, étant notamment inférieur à 35°. Les deux logements adjacents considérés pour la mesure de l’angle α4 entre les deux pôles consécutifs sont des logements de la première rangée.
L’évidement peut être configuré pour dépasser radialement du logement central. L’évidement peut dépasser radialement du logement central d’une distance Y comprise entre 0 mm et le double de la largeur du logement central. Ce dépassement peut permettre d’augmenter le chemin du flux magnétique, ce qui permet de diminuer les fuites de flux.
Une largeur X de l’évidement peut être comprise entre 0 mm et le double de la largeur B du logement central. La longueur Z de l’évidement peut être comprise entre une fois la largeur B du logement central et le double de celle-ci.
Ces dimensions conditionnent la taille du pont de matière entre les logements latéraux et le logement central. Ce pont de matière a une largeur minimale conditionnée par les contraintes de tenue mécanique. Sa largeur est sensiblement égale au moins à l’épaisseur de la tôle magnétique.
Une dimension radiale W entre le fond de la deuxième rangée et la première rangée peut être comprise entre une fois la largeur B du logement central et le triple de celle-ci.
L’évidement peut avoir un bord qui s’étend au moins partiellement parallèlement à un bord du logement central.
Au moins un logement peut comporter au moins une butée de maintien de l’aimant permanent destiné à être reçu dans le logement. Chaque logement peut comporter une butée située vers l’entrefer.
Les logements sont séparés de l’entrefer chacun par un pont de matière dont la largeur est conditionnée par les contraintes de tenue mécanique. Leur largeur est sensiblement égale au moins à l’épaisseur de la tôle magnétique. La longueur de ces ponts est sensiblement égale à la largeur des logements.
Les logements latéraux peuvent également comporter une butée située vers l’évidemment, pour le maintien de l’aimant permanent.
Le rotor peut être dépourvu de circulation de fluide de refroidissement dans les logements. En particulier, les évidements ne sont pas configurés pour permettre la circulation d’un fluide de refroidissement.
L’invention a encore pour objet une machine électrique tournante comportant un stator et un rotor tel que défini ci-dessus.
La machine peut être utilisée comme moteur ou comme générateur. La machine peut être à reluctance. Elle peut constituer un moteur synchrone ou en variante un générateur synchrone. En variante encore, elle constitue une machine asynchrone.
La vitesse maximale de rotation de la machine peut être élevée, étant par exemple supérieure à 10 000 tr/min, mieux supérieure à 12 000 tr/min, étant par exemple de l’ordre de 14 000 tr/min à 15 000 tr/min, voire même de 20 000 tr/min ou de 24 000 tr/min ou de 25 000 tr/min. La vitesse maximale de rotation de la machine peut être inférieure à 100 000 tr/min, voire à 60 000 tr/min, voire encore inférieure à 40 000 tr/min, mieux inférieure à 30 000 tr/min.
L’invention peut convenir tout particulièrement pour des machines de forte puissance.
La machine peut comporter un seul rotor intérieur ou, en variante, un rotor intérieur et un rotor extérieur, disposés radialement de part et d’autre du stator et accouplés en rotation.
La machine peut fonctionner seule ou être couplée à une boîte de vitesse. Dans ce cas, elle est insérée dans un carter qui loge également une boîte de vitesse.
La machine comporte un stator. Ce dernier comporte des dents définissant entre elles des encoches. Le stator peut comporter des conducteurs électriques, au moins une partie des conducteurs électriques, voire une majorité des conducteurs électriques, pouvant être en forme d'épingle en U ou en I. En variante, les conducteurs électriques peuvent comporter du fil rond.
Le stator peut être connecté en étoile ou en triangle.
La machine peut comporter un nombre de pôles compris entre 2 et 48, mieux entre 4 et 24, voire entre 6 et 12, étant par exemple de 6 ou 8.
L’invention a encore pour objet un procédé de fabrication d’un rotor de machine électrique tournante tel que défini ci-dessus.
Le procédé peut comporter l’étape consistant à introduire longitudinalement, le long de l’axe de rotation du rotor, au moins un aimant permanent dans le logement.
Dans le cas où la masse rotorique comporte plusieurs paquets de tôles empilés les uns sur les autres, le procédé peut d’abord comporter l’étape consistant à introduire longitudinalement au moins un aimant permanent dans le logement de chaque paquet de tôles, puis l’étape consistant à empiler les paquets de tôles les uns sur les autres, avec les aimants permanents dans les logements.
La est une vue schématique et partielle, en coupe transversale, d’un rotor de machine électrique tournante selon l’invention,
la est une vue analogue à la sans les aimants permanents,
la est une vue analogue à la ,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation.
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation.
la est une vue analogue à la d’une autre tôle de la variante de la .

Claims (15)

  1. Rotor (30) de machine électrique tournante, comportant une masse rotorique (33) comportant des tôles empilées les unes sur les autres, la masse rotorique (33) comportant une pluralité de logements (10), au moins une partie des logements, voir tous les logements, recevant un ou des aimants permanents définissant des pôles du rotor,
    les logements d’un pôle étant disposés en au moins une première (11) et une deuxième (12) rangées de logements,
    la première rangée (11) de logements comportant trois logements disposés en U, avec un logement central et deux logements latéraux, une longueur (L2) d’un plus grand rectangle inscrit dans le logement central étant égale à +/- 20% à la longueur (L1) du plus grand rectangle inscrit dans un logement latéral,
    au moins un des logements latéraux, notamment les deux logements latéraux de la première rangée, comportant un évidement (15) qui s’étend depuis le logement latéral vers le logement central.
  2. Rotor selon la revendication précédente, la largeur (B) du plus grand rectangle inscrit dans le logement central étant égale à +/- 50% à la largeur (B) du plus grand rectangle inscrit dans un logement latéral.
  3. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les logements latéraux de la première rangée (11) sont pourvus d’aimants permanents.
  4. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, le logement central de la première rangée (11) étant pourvu d’un aimant permanent plus petit que les aimants permanents des logements latéraux.
  5. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, les logements de la deuxième rangée (12) étant disposés en V.
  6. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une ouverture angulaire (α3) de la deuxième rangée est supérieure ou égale à deux fois la somme de l’ouverture angulaire (α1) entre deux pôles consécutifs et l’ouverture angulaire (α2) entre les première et deuxième rangées.
  7. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une ouverture angulaire (α3) de la deuxième rangée (12) est donnée par la relation suivante :
    α3 = k 2π/(2p),
    où p est le nombre de paires de pôles du rotor et k le coefficient d’ouverture polaire,
    avec le coefficient d’ouverture polaire k qui est compris dans l’intervalle [22,5% ; 37,5%], mieux dans l’intervalle [25% ; 35%].
  8. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, un angle (α4) entre les logements adjacents de deux pôles consécutifs étant strictement supérieur à 0, étant notamment compris entre 5° et 35°, mieux entre 12° et 30°.
  9. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’évidement (15) étant configuré pour dépasser radialement du logement central.
  10. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, une largeur (X) de l’évidement (15) étant comprise entre 0 mm et le double de la largeur (B) du logement central.
  11. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, une dimension radiale (W) entre le fond de la deuxième rangée et la première rangée étant comprise entre une fois la largeur B du logement central et le triple de celle-ci.
  12. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’évidement ayant un bord qui s’étend au moins partiellement parallèlement à un bord du logement central.
  13. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins un logement comportant au moins une butée (17) de maintien de l’aimant permanent destiné à être reçu dans le logement.
  14. Rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes, étant dépourvu de circulation de fluide de refroidissement dans les logements.
  15. Machine électrique tournante, comportant un stator et un rotor (30) tel que défini selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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