FR3138015A1

FR3138015A1 - Asynchronous axial magnetic flux electric machine.

Info

Publication number: FR3138015A1
Application number: FR2207260A
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 discoïde 40 agencé entre deux stators 10,20, caractérisée en ce qu’il possède un élément annulaire extérieur 41 en matériau conducteur d’électricité amagnétique pourvu d’une multitude de bâtons orientés radialement et un élément annulaire intérieur 42 en matériau composite isolant, surmoulé et lié à l’élément annulaire extérieur par des crans 41,d. Figure pour l’abrégé : Fig. 2Electric machine with axial magnetic flux comprising a discoid rotor 40 arranged between two stators 10,20, characterized in that it has an external annular element 41 made of non-magnetic electrically conductive material provided with a multitude of radially oriented sticks and an element inner annular 42 in insulating composite material, overmolded and linked to the outer annular element by notches 41,d. Figure for abstract: Fig. 2

Description

Asynchronous axial magnetic flux electric machine.

TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

La présente invention concerne un moteur ou une génératrice électrique dite à flux magnétique axial comportant au moins un rotor discoïde 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.The present invention relates to a motor or an electric generator called axial magnetic flux comprising at least one discoid rotor and at least one flat stator of annular shape with several coils distributed radially in a regular manner and whose axis is oriented parallel to that of the rotor .

STATE OF THE ART

On connait deux concepts principaux : celui comportant un stator central et deux rotors latéraux, illustré par la publication GB 2482928, et à l’inverse celui comportant un rotor central agencé entre deux stators, illustré par la publication FR 3 064 422. Précisément, l’invention se rapporte au deuxième type.We know two main concepts: that comprising a central stator and two lateral rotors, illustrated by the publication GB 2482928, and conversely that comprising a central rotor arranged between two stators, illustrated by the publication FR 3 064 422. Precisely, the The invention relates to the second type.

Les machines décrites dans ces publications sont de type synchrone, c’est-à-dire que les rotors portent des aimants permanents.The machines described in these publications are of the synchronous type, that is to say that the rotors carry permanent magnets.

PRESENTATION OF THE INVENTION

La machine présentée ici est de type asynchrone. Selon sa caractéristique principale, le rotor a la forme d’un disque en deux parties :

une partie annulaire extérieure en matériau amagnétique conducteur d’électricité, de type roue à bâtons ;
une partie annulaire centrale en matériau non conducteur de préférence en composite chargé de fibre, surmoulée sur la partie annulaire extérieure.

The machine presented here is of the asynchronous type. According to its main characteristic, the rotor has the shape of a disc in two parts:

an outer annular part made of electrically conductive non-magnetic material, of the stick wheel type;
a central annular part made of non-conductive material, preferably made of fiber-filled composite, overmolded on the outer annular part.

Selon une seconde caractéristique, la périphérie intérieure de la partie annulaire extérieure est cannelée pour la solidariser à la partie centrale et afin de permettre la transmission d’un couple élevé.According to a second characteristic, the inner periphery of the outer annular part is grooved to secure it to the central part and to allow the transmission of a high torque.

DETAILED DESCRIPTION OF THE 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 :These characteristics, aims and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows and with regard to the appended drawings given by way of non-limiting examples and in which:

est une vue en coupe A-A de la machine complète. is an AA sectional view of the complete machine.

est une vue de face du disque du rotor. is a front view of the rotor disk.

est une vue de face du stator droit assemblé. is a front view of the assembled right stator.

est la description de l’assemblage du stator droit. is the description of the right stator assembly.

est la description du stator gauche. is the description of the left stator.

(6a et 6b) montre la circulation des courants induits dans le disque rotor. (6a and 6b) shows the circulation of induced currents in the rotor disk.

est vue en coupe et en éclaté des composants du rotor et son montage sur le stator gauche is a sectional and exploded view of the rotor components and their mounting on the left stator

montre la circulation d’air autour des stators. shows the air flow around the stators.

La machine électrique présentée en coupe sur la est composée d’un bloc moteur contenu dans un carter enveloppe 70 et une plaque de fermeture 80.The electric machine shown in section on the is composed of a motor block contained in an envelope casing 70 and a closing plate 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 capteur de régime 60 dont la cible tournante est portée par la turbine.

The engine block consists of:

of the left stator 10 linked to the casing 70;
of the right stator 20;
the spacer plate 30 which provides a precise axial space between the two stators 10,20;
of the discoid rotor 40 carried by a bearing 17 itself carried by the left stator 10;
of the turbine 50 carried by the rotor 40 which ensures cooling by strong air circulation on the rear faces of the stators 20 then 10;
of the speed sensor 60 whose rotating target is carried by the turbine.

la machine est intégrée dans le carter 70 qui canalise l’air propulsé par la turbine 50. Ce carter est fermé par la plaque 80 qui supporte le capteur de régime 60 et un dispositif filtrant 90 en entrée de l’air de refroidissement.the machine is integrated into the casing 70 which channels the air propelled by the turbine 50. This casing is closed by the plate 80 which supports the speed sensor 60 and a filtering device 90 at the cooling air inlet.

Le disque rotor 40 présenté sur la possède une structure annulaire extérieure 41 en matériau conducteur, par exemple en aluminium, elle-même composé d’un anneau extérieur 41,b d’un anneau intérieur 41,c reliés par une multitude de bâtons radiaux 41,a.The rotor disk 40 presented on the has an outer annular structure 41 made of conductive material, for example aluminum, itself composed of an outer ring 41,b of an inner ring 41,c connected by a multitude of radial sticks 41,a.

L’anneau intérieur 41,b, dans sa périphérie intérieure, est pourvu de cannelures 41,d afin d’apporter une forte cohésion avec la seconde partie annulaire 42 en matériau composite isolant électrique.The inner ring 41,b, in its inner periphery, is provided with grooves 41,d in order to provide strong cohesion with the second annular part 42 made of electrically insulating composite material.

Cette partie annulaire 42 possède un diamètre 42,a lisse son centrage et des trous 42,b pour sa fixation et la transmission du couple de la machine.This annular part 42 has a diameter 42, a smooth centering and holes 42, b for its fixing and the transmission of the torque of the machine.

Le stator droit 20 présenté en vue de face sur la et en coupe sur la , a d’une structure support 21 en matériau amagnétique. 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)The right stator 20 presented in front view on the and in section on the , has a support structure 21 made of non-magnetic material. This discoid structure receives stator pads 12, the number of which must be defined according to the desired characteristics of the machine (torque and maximum rotation speed)

Les plots statoriques 12 sont fixés, de préférence, par collage sur la face en contact avec la structure porteuse 21 et dans l’épaisseur de la toile de celle-ci.The stator pads 12 are fixed, preferably, by gluing on the face in contact with the supporting structure 21 and in the thickness of the fabric thereof.

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.These pads are made of soft magnetic composite powder “Soft Magnetic Composites”. This material offers high performance and, above all, low energy losses through eddy current. The means of obtaining, the shape, the arrangement and the assembly of the stud make it possible to create in a simple manner the isthmus between two consecutive studs.

Sur chaque plot statorique est rapporté une bobine 13, puis une culasse 14 en tôle enroulée en forme de couronne, de préférence collée sur chaque plot, vient boucler par l’arrière du stator le circuit magnétique entre les plots.A coil 13 is attached to each stator pad, then a yoke 14 made of sheet metal wound in the shape of a crown, preferably glued to each pad, completes the magnetic circuit between the pads from the rear of the stator.

La présente le stator gauche 10. Son principe de réalisation est du même type que celui du stator droit 20. Il comprend une structure support 11 en matériau amagnétique. Cette structure discoïde reçoit les mêmes des plots statoriques 12, les mêmes bobines 13 et aussi la même culasse 14.There presents the left stator 10. Its production principle is of the same type as that of the right stator 20. It comprises a support structure 11 made of non-magnetic material. This discoid structure receives the same stator pads 12, the same coils 13 and also the same yoke 14.

De plus, il possède un trou central dans lequel est rapporté l’axe 15. Il est emmanché avec serrage.In addition, it has a central hole in which the axis 15 is attached. It is fitted with tightening.

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.This axis carries a double angular contact ball bearing 17. This sealed bearing is lubricated with grease. The inner rings 17,a and 17,b are slidably mounted on the axis. Maintaining these rings in axial contact by a washer 16,a and a screw 16,b guarantees operation of the bearing without play and with slight preload. This preload can in fact be light because all the elements being made of steel, they follow the same law of expansion. This is an advantage for the performance of the machine.

La bague extérieure est monobloc. Elle comprend une partie tubulaire 17,c1 dans laquelle sont réalisées les pistes des 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.The outer ring is one-piece. It comprises a tubular part 17,c1 in which the ball tracks are made, and at the end close to the support structure 11 a discoid sidewall 17,c2 carrying welded studs 17,d which accommodate the rotor disk.

Le disque 40 agencé entre les deux stators 10,20 est soumis à des champs magnétiques circulant d’un stator à l’autre et de valeur alternative inversant de manière répétitive, et selon une fréquence variable, le sens du champ entre deux plots statoriques 12 en vis-à-vis.The disk 40 arranged between the two stators 10,20 is subjected to magnetic fields circulating from one stator to the other and of alternating value repeatedly reversing, and at a variable frequency, the direction of the field between two stator pads 12 opposite.

La montre la circulation des courants induits dans les bâtons 41,a alternativement vers le centre du disque et vers l’extérieur selon l’exposition au champ. Le bouclage des circuits électriques est assuré par les anneaux intérieurs 41c et extérieurs 41,b.There shows the circulation of currents induced in the sticks 41,a alternately towards the center of the disk and outwards depending on the exposure to the field. The electrical circuits are completed by the inner rings 41c and outer rings 41,b.

Sur la figure 6a, tous les bâtons se situent entre deux plots statoriques et un courant , d’intensité non uniforme, circule dans chacun d’eux.In Figure 6a, all the sticks are located between two stator pads and a current, of non-uniform intensity, circulates in each of them.

Sur la figure 6b, un bâton sur cinq est en dehors de tout champ magnétique entre deux plots 12 consécutifs et ne voit pas de courant le traverser.In Figure 6b, one stick out of five is outside any magnetic field between two consecutive pads 12 and does not see any current passing through it.

L’avantage de la machine axiale en version asynchrone, par rapport à la machine à flux radial est qu’il n’est pas nécessaire de doter le rotor de tôles empilées servant à canaliser du champ magnétique. La contrepartie de la moindre efficacité de cette machine, par rapport à sa version synchrone est que le rotor sera beaucoup plus léger, moins inerte et sensiblement moins couteux puisque simple en réalisation et sans terres rares.The advantage of the axial machine in the asynchronous version, compared to the radial flow machine, is that it is not necessary to equip the rotor with stacked sheets used to channel the magnetic field. The counterpart of the lower efficiency of this machine, compared to its synchronous version, is that the rotor will be much lighter, less inert and significantly less expensive since it is simple to manufacture and without rare earths.

La est une vue en coupe et en éclaté des composants du rotor 40 et son assemblage sur le stator gauche 10.There is a sectional and exploded view of the components of the rotor 40 and its assembly on the left stator 10.

Le moyeu 43 comporte:

un flasque cylindrique 43,a qui sert d’appui sur la face 43,a1 à la partie annulaire 42 non conductrice du disque rotor 40;
un diamètre d’accueil et de centrage du disque 43,b en correspondance avec le trou central 42,b du disque 40;
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 40 sur le moyeu 43, pour une transmission du couple par adhérence.

Hub 43 includes:

a cylindrical flange 43,a which serves as a support on the face 43,a1 for the non-conductive annular part 42 of the rotor disk 40;
a reception and centering diameter of the disc 43,b in correspondence with the central hole 42,b of the disc 40;
an internal diameter 43.c for centering on the bearing 17;
a splined inner diameter 43.d which transmits torque and movement to a reducer or gearbox type transmission;
a cover 44 closes the grooved zone;
finally nuts 45 pressurize the disc 40 on the hub 43, for transmission of torque by adhesion.

Ce bloc moteur, équipé de plots statoriques en « Soft Magnetic Composites », aura des pertes par courants de Foucault faibles.This motor block, equipped with “Soft Magnetic Composites” stator pads, will have low eddy current losses.

Aussi il est proposé un refroidissement par air à l’aide d’une turbine 50 fixée sur le rotor à proximité du stator droit, agencée à l’intérieur de l’enveloppe que constituent les carters 70,80.Also air cooling is proposed using a turbine 50 fixed on the rotor near the right stator, arranged inside the envelope which constitutes the casings 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 fermée par un filtre 90. La surpression en périphérie de la turbine refoule l’air autour du bloc moteur et s’évacue par l’ouverture pratiquée dans le carter 70 en zone centrale. L’air en permanence renouvelé balaie la surface arrière de la culasse droite puis celle de la culasse gauche.There shows the air flow around the stators. The turbine is powered at its center. It expels the air by centrifugation (which creates a depression in the center). The supply is carried out from an opening made in the closing plate 80 closed by a filter 90. The overpressure at the periphery of the turbine forces the air around the engine block and is evacuated through the opening made in the casing 70 in central zone. The constantly renewed air sweeps the rear surface of the right cylinder head then that of the left cylinder head.

Claims

Electric machine with axial magnetic flux comprising a rotor 40 arranged between two stators 10,20, characterized in that the rotor disk has an outer annular element 41 made of non-magnetic electrically conductive material and an inner annular element 42 of insulating composite material.

Electric machine with axial magnetic flux, according to claim 1 characterized in that the outer annular element 41 has a multitude of radial sticks 41a, connected by an outer ring 41,b and by an inner ring 41,c

Electric machine with axial magnetic flux according to claim 1 characterized in that the inner annular element 42, made of fiber-filled composite material, attached by overmolding to the outer annular element 41 has a connection by notches 41,d.