FR3138014A1

FR3138014A1 - Machine électrique à flux magnétique axial

Info

Publication number: FR3138014A1
Application number: FR2207259A
Authority: FR
Inventors: Michel Raoul
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-07-13
Filing date: 2022-07-13
Publication date: 2024-01-19

Abstract

Machine électrique à flux magnétique axial comportant un rotor 40 agencé entre deux stators 10,20, caractérisée en ce que le rotor est guidé par l’un des stators, que chaque stator est constitué d’une structure support en matériau amagnétique 11,21, de plots statoriques 12, de préférence en matériau « Soft Magnetic Composites » rapportés puis fixés de préférence par collage, de bobines 13 rapportées sur chaque plot et d’une culasse 14 en tôle enroulée, fixée de préférence par collage sur la face arrière des plots statoriques. Entre les deux stators est intercalée une plaque entretoise 30. Un axe 15 rapporté par frettage sur l’une des structures support, ici 11 du stator 10, accueille le roulement 17 de guidage du rotor 40. L’ensemble du bloc moteur est contenu dans un volume fermé par un carter 70 fixé sur le stator 10 supportant le rotor et comportant une sortie d’évacuation d’air et d’une plaque de fermeture 80 comportant une entrée d’air. Enfin, le moyeu 43 du rotor 40 porte une turbine 50 à air qui provoque une circulation d’air forcée en série sur les faces arrière des deux culasses 14. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Machine électrique à flux magnétique axial

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un moteur ou une génératrice électrique dite à flux magnétique axial comportant au moins un rotor discoïde à plusieurs plots d’aimants permanents et au moins un stator plat de forme annulaire à plusieurs bobines réparties radialement de manière régulière et dont l’axe est orienté parallèlement à celui du rotor.

ETAT DE LA TECHNIQUE

On connait deux concepts principaux : celui comportant un stator central et deux rotors latéraux, illustré par la publication GB2482928, et à l’inverse celui comportant un rotor central agencé entre deux stators, illustré par la publication FR3064422. Précisément, l’invention se rapporte au deuxième type.

Dans ce concept, le rotor étant confiné entre les stators, il ne peut être refroidi. S’il y a un échauffement excessif généré principalement par les courants de Foucault, les aimants peuvent perdre leurs caractéristiques magnétiques lorsque la température dépasse une valeur critique. De plus, l’échauffement par rayonnement des stators peut encore augmenter la température du rotor. La solution proposée dans la publication FR3110767 pour atténuer l’échauffement est la très forte segmentation des blocs d’aimants. Les courants de Foucault sont alors drastiquement réduits.

Dans la publication FR3046888, chaque stator est un assemblage de plots identiques portant des bobines. Un plot, est un empilage radial de tôles ferromagnétiques fines isolées électriquement, de plusieurs tailles afin d’obtenir une forme trapézoïdale. L’empilage radial des tôles permet à chaque dent de former, à l’arrière, une portion de culasse (bouclage du circuit magnétique) et, à l’avant, l’isthme face au disque rotor. Il est bien connu que les matériaux ferromagnétiques, conducteurs d’électricité, placés dans un champ magnétique variable alternatif sont parcourus par des courants électriques parasites : les courants de Foucault. Cela crée des échauffements qui réduisent le rendement énergétique de la machine. La solution proposée pour atténuer ces pertes énergétiques dans la publication GB2482928 est de remplacer l’empilage des tôles par un « Soft Magnetic Composites – SMC ». Le plot statorique est réalisé à partir d’une poudre de fer doux, dont les particules sont enrobées d’un isolant électrique. La poudre est compressée dans un moule pour obtenir la forme voulue, puis subit un traitement thermique afin d’assurer cohésion et résistance mécanique.

Pour la réalisation d’un stator, il y a de multiples façons d’assembler les plots. Dans la publication FR3046888 chaque portion est rapportée et maintenue sur une plaque support par une queue d’aronde, ou par l’insertion dans une rainure et soudage. Chaque portion peut aussi être collée directement sur cette plaque qui est ensuite rapportée sur la toile de carter, commune à la chambre à eau. Pour un stator ainsi réalisé, la face formant l’entrefer est le résultat d’une chaîne de côtes pour chaque plot, et chaque plot constitue une face élémentaire. La détermination de la position de la face résultante « fonctionnelle », par rapport à la face du carter, est obtenue par une métrologie lourde.

De part et d’autre du disque rotor, les entrefers avec les stators ont une faible épaisseur (entre 1 et 1.5 mm). Le rotor possédant des aimants permanents, les entrefers doivent être très peu différents pour que les attractions axiales par les stators soient faibles. Cela est important car la résistance et la raideur axiales du disque sont faibles. Pour atteindre un positionnement optimal, il faut procéder à un réglage en plaçant une cale derrière l’un des deux roulements à billes à contact oblique de guidage du rotor et logés chacun dans un des deux carters. Les roulements doivent fonctionner sans jeu à chaud comme à froid afin que le réglage des entrefers n’en soit pas perturbé. À cause de la dilatation différentielle liée à la variation de température, et pour rester sans jeu à chaud, il est nécessaire de précharger les roulements par une seconde cale. Elle est positionnée derrière le roulement opposé à celui qui s’appuie sur la cale d’équilibrage. La mise en place de cette cale de précharge introduit un effort axial sur le carter opposé, le déforme, et vient modifier la cote d’appui du roulement prise en compte dans la chaine de cote de détermination de la cale d’équilibrage des entrefers. Il faut pouvoir en tenir compte. Le choix des cales est l’aboutissement d’un processus complexe difficilement maitrisable.

La transmission de la puissance est faite par l’intermédiaire d’une cannelure à un réducteur ou une boîte de vitesses. La denture sur l’arbre d’entrée est hélicoïdale. Pour des raisons de rendement, l’arbre d’entrée est porté par des roulements, par exemple à billes, avec un jeu axial qui croit avec la température. Ainsi des mouvements et des efforts axiaux peuvent transiter par la cannelure et seront repris par l’un ou l’autre des roulements, selon le sens tirage ou rétro, d’ailleurs élevé avec un moteur électrique. Les roulements étant agencés dans la zone de carter la plus souple, le rotor peut subir un déplacement significatif par rapport à la valeur nominale de l’entrefer , des déplacements préjudiciables à la durabilité et au rendement du moteur.

Cette conception montre des points faibles :

une face fonctionnelle des stators peu précise ;
des chaines de cotes de détermination des cales complexes s’appuyant sur de la métrologie lourde ;
un double calage : équilibrage des entrefers et précharge des roulements ;
une interaction de la cale de précharge sur la cale d’équilibrage des entrefers.

PRESENTATION DE L’INVENTION

Pour palier ou limiter l’importance de ces points faibles, la présente invention propose une reconception de la machine :

l’obtention d’une face fonctionnelle des stators précise ;
le guidage du rotor par un roulement double à billes à contact oblique préréglé, nécessitant une faible précharge car non impactée par la variation de température ;
une épaisseur de rondelle d’équilibrage déterminée par une chaîne de cotes simple et sans métrologie lourde ;
un stator supportant le rotor et l’autre stator, faisant un bloc de l’ensemble rotor + stators ; ce qui permet de rendre les entrefers insensibles aux sollicitations extérieures.
enfin, les pertes par courants de Foucault étant réduites grâce à un rotor équipé de blocs d’aimants à forte segmentation et des plots statoriques en « Soft Magnetic Composites », elle propose un refroidissement à air.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

Ces caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :

est une vue en coupe de la machine complète.

est une vue en coupe du stator gauche assemblé.

est une vue en coupe du stator gauche partiellement assemblé, précisant les faces fonctionnelles communes.

montre les étapes de construction du stator gauche.

est une vue en coupe du stator droit assemblé.

est une vue en coupe du stator droit montrant les faces fonctionnelles communes et les étapes de sa construction.

est vue en coupe et en éclaté des composants du rotor.

est une coupe d’ensemble de la machine électrique sur laquelle figurent les cotes de détermination de la cale d’équilibrage des entrefers.

montre la mise en place du rotor sur le stator gauche

montre les composants de la turbine et son assemblage.

montre la circulation d’air autour des stators.

montre le carter enveloppe, la plaque de fermeture et les étapes d’assemblage.

montre la phase d’assemblage final par la mise en place du filtre à air.

La machine électrique présentée en coupe sur la est composée d’un bloc moteur agencé dans un carter enveloppe 70 et une plaque de fermeture 80.

Le bloc moteur est constitué:

du stator gauche 10 lié au carter 70 ;
du stator droit 20 ;
de la plaque entretoise 30 qui procure un espace axial précis entre les deux stators 10,20 ;
du rotor discoïde 40 porté par un roulement 17 lui-même porté par le stator gauche 10 ;
de la turbine 50 portée par le rotor 40 qui assure le refroidissement par une forte circulation d’air sur les faces arrière des stators 20 puis 10 ;
du résolveur 60 (dispositif de mesure de vitesse de rotation et de position angulaire du rotor), dont la cible tournante est portée par la turbine.

la machine est agencée dans le carter 70 qui canalise l’air propulsé par la turbine 50. Ce carter est fermé par la plaque 80 qui supporte le stator du résolveur et un dispositif filtrant 90 en entrée d’air de refroidissement.

Le stator de gauche 10 complet présenté sur la comprend une structure support 11 en matériau amagnétique. L’aluminium moulé convient très bien. Cette structure discoïde reçoit des plots statoriques 12 dont le nombre est à définir selon les caractéristiques recherchées de la machine (couple et vitesse de rotation maximale).

Les plots statoriques 12 sont fixés, de préférence, par collage sur sa face en contact avec la structure porteuse 11 et dans l’épaisseur de la toile de celle-ci. Ces plots sont en poudre composite magnétique douce « Soft Magnetic Composites » . Ce matériau offre des performances élevées et surtout de faibles pertes énergétiques par courant de Foucault. Le moyen d’obtention, la forme, l’agencement et le montage du plot permettent de réaliser de manière simple l’isthme entre deux plots consécutifs.

Sur chaque plot statorique est rapporté une bobine 13, puis une culasse 14 en forme de couronne en tôle enroulée, de préférence collée sur chaque plot, vient fermer le circuit magnétique entre les plots consécutifs.

Dans le trou central 11,a de la structure support 11 est rapporté l’axe 15. Il est emmanché avec serrage.

Cet axe porte un roulement double à billes à contact oblique 17.

Ce roulement étanche est lubrifié à la graisse. Les bagues intérieures 17,a et 17,b sont montées glissantes sur l’axe. Le maintien en contact axial de ces bagues par une rondelle 16,a et une vis 16,b garantit un fonctionnement du roulement sans jeu et en légère précharge. Cette précharge peut en effet être légère car tous les éléments étant en acier, ils suivent la même loi de dilatation. C’est un avantage pour le rendement de la machine. La bague extérieure 17c est monobloc. Elle comprend une partie tubulaire 17,c1 dans laquelle sont réalisées les pistes de billes, et à l’extrémité proche de la structure support 11 un flanc discoïde 17,c2 portant des goujons soudés 17,d qui accueillent le disque du rotor.

La présente une étape importante dans la réalisation du stator de gauche 10, à savoir la manière de réaliser une face fonctionnelle du stator en vis-à-vis du rotor très précise, c’est-à-dire :

toutes les surfaces des plots statoriques en vis-à-vis du rotor sont dans un même plan ;
ce plan est commun à la face d’accostage du stator ;
ce plan est commun à la face d’appui du roulement de guidage du rotor ;
ce plan est perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor porté par ce stator.

La première étape de réalisation du stator gauche est la mise en place des plots statoriques 12 sur la structure support 11. La cohésion des plots statoriques avec la structure est assurée de préférence par collage.

Cet assemblage subit une opération d’usinage, de type rectification, permettant la réalisation d’une face de référenceF1, de haute précision qui met dans le même plan :

la face de la structure supportF1,ad’appui de la plaque entretoise 30 ;
la face fonctionnelle des plots statoriquesF1,b;
et la faceF1,cde l’appui du roulement de guidage du rotor 17.

La référence de positionnement du rotor sur cet ensemble est l’alésage 11,a qui reçoit l’axe 15 support du roulement 17. La reprise en rectification permet alors d’assurer une perpendicularité précise entre la faceF1et l’axeG(axe commun avec l’axe de rotation du rotor).

Nous avons donc amélioré fortement la précision de cet ensemble en constituant une face fonctionnelle vis-à-vis du rotor précise de référence, au lieu de partir de la face d’accueil de la culasse dans un carter.

La montre les étapes complémentaires pour obtenir le stator 10 complet déjà décrit précédemment.

Les figures 5 et 6 décrivent le stator droit 20, plus simple que le stator gauche 10 car ne participe pas au guidage du rotor.

Son principe de réalisation est du même type. Il comprend une structure support 21 en matériau amagnétique. Cette structure discoïde reçoit les mêmes des plots statoriques 12, les mêmes bobines 13 et aussi la même culasse 14.

Il est centré et supporté par le stator de gauche, positionné à une distance précise apportée par la plaque entretoise 30.

De manière similaire au stator 10 gauche, après avoir collé les plots statoriques 12 sur le support 21, une reprise d’usinage permet de réaliser un planF2commun à sa face d’appuiF2,asur la plaque entretoise 30 et à la face fonctionnelle des plots statoriquesF2,b.

Ensuite, les bobines 13 sont mises en place et la culasse 14 est rapportée par collage.

La est une vue en coupe et en éclaté des composants du rotor 40. Celui d’une machine à flux axial est discoïde, c’est-à-dire que son épaisseur est très faible en rapport à son diamètre. Il est composé d’une partie active 41, qui est centrée et portée par un moyeu 43. Le disque est composé de 3 éléments :

une structure porteuse 41,a en forme de « soleil » car composée d’une partie centrale cylindrique et de plusieurs branches radiales. Cette structure peut être en matériau amagnétique ou composite de résine chargée en fibres ;
de plusieurs secteurs d’aimants 41,b , chacun pouvant être monobloc ou segmenté. Ils sont collés à la structure « soleil » ;
d’un « cerclage » 41,c appelé aussi frette pour contrer la centrifugation des aimants.

Dans la machine assemblée, le disque est positionné entre les deux stators, porté par le moyeu 43.

Le moyeu 43 comporte:

un flasque cylindrique 43,a sur lequel prend appui le disque 41 sur sa face 43,a1 ;
un diamètre d’accueil et de centrage du disque 43,b ;
un diamètre intérieur 43,c de centrage sur le roulement 17;
un diamètre intérieur cannelé 43,d qui transmet le couple et le mouvement à une transmission de type réducteur ou boîte de vitesses ;
un opercule 44 ferme la zone cannelée ;
enfin des écrous 45 mettent en pression le disque 41 sur le moyeu 43, pour une transmission par adhérence.

Pour un fonctionnement optimal, les distances axiales avec chaque stator dites entrefers doivent être de même valeur. Le positionnement est réalisé à l’aide d’une cale 42 d’épaisseur calculée.

La est une coupe d’ensemble de la machine électrique avec les cotes de détermination de la cale d’équilibrage des entrefers. Le rotor 40 est monté sur le stator de gauche 10, le premier élément mis en place est la cale de réglage 42. Le choix de cette cale est issu de mesures :

de l’épaisseurPde la plaque entretoise qui conditionne l’écartement des stators ;
de l’épaisseurDdu disque du rotor ;
du déportRsur le roulement 17 entre la face d’appui, sur le flanc cylindrique 17,c2 de la cale de réglage 42 et la face d’appui de la bague intérieure 17,a sur la faceF1cde la structure 11 du stator gauche 10

la valeur de l’entrefer est :e = 0.5 x (P-D).

L’épaisseur de la cale est :e-R, soit0.5 x (P-D)-R.

La montre la mise en place du rotor sur le stator gauche 10. L’épaisseur de la cale d’équilibrage 42 des entrefers étant déterminée, elle est mise en place en premier sur les goujons du roulement 17. Le disque 41 est ensuite placé sur le moyeu 43. L’ensemble est engagé sur la bague extérieure du roulement puis dans les goujons. Enfin la mise en place des écrous 45 achève cette phase d’assemblage.

La montre les composants de la turbine et son assemblage. Le bloc moteur constitué du stator gauche 10, du rotor 40 et du stator droit 20 porté par le stator gauche et séparé de celui-ci par la plaque entretoise 30 étant assemblé, on peut alors ajouter la turbine 50.

Ce bloc moteur, équipé d’un rotor dont les aimants sont fortement segmentés, et de plots statoriques en « Soft Magnetic Composites », aura des pertes par courants de Foucault faibles. Aussi il est proposé un refroidissement par air à l’aide d’une turbine fixée sur le rotor à proximité du stator droit, agencée à l’intérieur de l’enveloppe que constituent les carters 70,80.

La montre la circulation d’air autour des stators. La turbine est alimentée en son centre. Elle expulse l’air par centrifugation (ce qui crée une dépression au centre). L’alimentation est réalisée à partir d’une ouverture pratiquée dans la plaque de fermeture 80. La surpression en périphérie de la turbine refoule l’air autour du bloc moteur et s’évacue par l’ouverture pratiquée en zone centrale du carter 70. L’air en permanence renouvelé balaie la surface arrière de la culasse droite puis celle de la culasse gauche.

La montre ma mise en place du carter 70, fixé au stator de gauche à l’aide des vis 71, puis de la plaque de fermeture 80 qui porte le stator du résolveur 62 et qui est fixée au carter 70 par les vis 81.

La montre la phase d’assemblage final par la mise en place du filtre à air 90.

Claims

Machine électrique à flux magnétique axial comportant un rotor 40 agencé entre deux stators 10,20, caractérisée en ce que le rotor est guidé par l’un des stators.
Machine électrique à flux magnétique axial, selon la revendication 1 caractérisée en ce que le stator 10 supportant le rotor est composé d’une structure support en matériau amagnétique 11, de plots statoriques 12, de préférence en matériau « Soft Magnetic Composites », rapportés de préférence par collage, d’un axe 15, rapporté fretté, d’accueil du roulement 17 de guidage du rotor, de bobines 13 rapportées sur chaque plot et d’une culasse 14 en tôle enroulée, et fixée de préférence par collage sur la face arrière des plots statoriques 12.
Stator 11 selon la revendication 2 caractérisée en ce qu’il possède une face plane unique de référenceF1commune regroupant :
F1a: la face d’accostage de la structure support 11 sur la plaque entretoise 30;

F1b: la face fonctionnelle des plots statoriques 12 en vis-à-vis du rotor;

F1c: la face d’appui de la bague intérieure du roulement 17.
Machine électrique à flux axial selon la revendication 1 caractérisée en ce qu’elle comporte un second stator 20 constitué, de manière similaire au premier stator 10, d’une structure support 21 en matériau amagnétique, de plots statoriques 12, de préférence en matériau « Soft Magnetic Composites » rapportés de préférence par collage, de bobines 13 rapportées sur chaque plot et d’une culasse 14 par exemple en tôle enroulée, et fixée de préférence par collage sur la face arrière des plots statoriques 12, et possédant une face plane unique de référenceF2commune regroupant:
F2a: la face d’accostage de la structure support sur la plaque entretoise 30.

F2b: la face des plots statoriques 12 en vis-à-vis du rotor;
Machine électrique à flux axial selon la revendication 1 caractérisée en ce que le second stator 20 est porté par le premier stator 10 et est séparé de celui-ci par une plaque entretoise 30.
Machine électrique à flux axial selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’ensemble des stators et rotor est agencé dans un carter 70, fixé sur le stator 10 porteur du rotor, et fermé par une plaque 80.
Machine électrique à flux axial selon la revendication 1 caractérisée en ce que le rotor porte une turbine à air 50.
Machine électrique à flux axial selon les revendications 6 et 7 caractérisée en ce que la plaque 80 possède une entrée d’air 90, que le carter possède une sortie d’évacuation d’air et que la turbine 50 provoque une circulation interne sur les faces arrière des deux culasses 14.