WO2019122737A1

WO2019122737A1 - Machine synchrone a inducteur bobine

Info

Publication number: WO2019122737A1
Application number: PCT/FR2018/053439
Authority: WO
Inventors: Jean-Claude Mipo; Zi-Qiang Zhu; Zhongze WU; Philippe-Siad Farah
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2019-06-27
Also published as: CN111869064B; CN111869064A; FR3076113A1; FR3076113B1

Abstract

Machine à commutation de flux, comprenant une première pièce polaire et une deuxième pièce polaire adjacentes, la face supérieure de la première pièce polaire ayant une extension γr01 le long de la circonférence du rotor, la face inférieure de la première pièce polaire ayant une extension γri1, la face supérieure de la deuxième pièce polaire de la même paire ayant une extension γr02, la face inférieure de la deuxième pièce polaire ayant une extension γri2, les deux pièces polaires étant agencées de sorte qu'une surface d'extrémité axiale de la première pièce polaire est en regard d'une surface d'extrémité axiale de la deuxième pièce polaire, avec γri1 < γr01, γr02 < γri2, et γr01≈γr02.

Description

Machine synchrone à inducteur bobiné

On connaît de l’art antérieur des machines synchrones à inducteur bobiné, à commutation de flux, notamment utilisées pour fournir une puissance électrique ou mécanique dans un véhicule, par exemple dans la publication Zhongze WU ICEMS 2016, « Design and Analysis of A Partitioned Stator Wound Field Switched Flux Machine for Electric Vehicle ». Une machine électrique tournante synchrone à commutation de flux connectée à un arbre via un roulement permet de fournir une puissance électrique pour alimenter les composants électriques du véhicule ou une puissance mécanique pour entraîner le véhicule, c'est-à-dire de fournir un couple proportionnel nécessaire aux consommables du véhicule. De telles machines permettent d’obtenir des couples plus élevés du fait de la surface totale de bobinage plus élevée.

De telles machines électrique tournante synchrone, à commutation de flux, comportent un stator d’excitation et un stator d’induit, les deux stators étant positionnés dans une configuration concentrique radiale, autour d’un axe de rotation Z, le stator d’excitation étant à l’intérieur du stator d’induit, un entrefer étant défini entre les deux stators dans lequel est logé un rotor, le stator d’excitation étant formé par un corps de stator comportant une pluralité de dents s’étendant depuis le corps de stator d’excitation vers le rotor, un bobinage d’excitation étant bobiné autour de la pluralité de dents dudit stator d’excitation, le stator d’induit étant formé par un corps de stator comportant une pluralité de dents s’étendant depuis le corps de stator d’induit vers le rotor, un bobinage d’induit étant bobiné autour de la pluralité de dents dudit stator d’induit, et le rotor, dépourvu de bobinage ou d’aimants permanents, est formé par un ensemble de paires de pièces polaires disposées circonférentiellement dans l’entrefer en regard de chacun des stators, séparées par un pas polaire.

De telles machines présentent l’inconvénient que lors du mouvement du rotor par rapport aux stators d’excitation et d’induit, les modifications des lignes de champ génèrent une tension induite perturbatrice au niveau du stator d’excitation ce qui engendre des pertes, et dégrade les performances de la machine. Il s’agit donc de pouvoir optimiser le couple généré en réduisant ladite tension induite. Ainsi dans une machine telle que celle faisant l’objet de l’invention, une paire de pièces polaires comprend une première pièce polaire et une deuxième pièce polaire adjacente à la première pièce polaire, chaque pièce polaire ayant sensiblement la forme d’une pyramide tronquée, chaque pièce polaire positionnée dans l’entrefer présentant deux surfaces d’extrémité axiale en regard le long de l’axe de la machine, deux flans en regard le long de la direction circonférentielle de la machine, deux faces en regard l’une de l’autre dont une face supérieure en regard du stator d’induit et une face inférieure en regard du stator d’excitation, la face supérieure de la première pièce polaire ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture de ladite face en regard du stator d’induit entre un premier flan gauche et un premier flan droit gt01 , la face inférieure de la première pièce polaire ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture de ladite face en regard du stator d’excitation entre le premier flan gauche et le premier flan droit gp1 , la face supérieure de la deuxième pièce polaire de la même paire ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture de ladite face en regard du stator d’induit entre un deuxième flan gauche et un deuxième flan droit gt02, la face inférieure de la deuxième pièce polaire ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture de ladite face en regard du stator d’excitation entre un deuxième flan gauche et un deuxième flan droit gp2, les deux pièces polaires étant agencées de sorte qu’une surface d’extrémité axiale de la première pièce polaire est en regard d’une surface d’extrémité axiale de la deuxième pièce polaire, les flans de la première pièce polaire étant inclinés de sorte que: gp1 < gt01 , les flans de la deuxième pièce polaire étant inclinés de sorte que: gt02 < gp2, avec gt01 et gt02 du même ordre de grandeur.

Une telle machine est de conception simple en ce qu’elle ne nécessite pas de bagues collectrices, de brosses ou analogue, la seule partie mobile étant la partie mobile avec les pièces polaires qui ne nécessite aucune alimentation en courant, et avec un montage des pièces polaires facile. De plus la géométrie et l’agencement particulier des paires de pièces polaires formant rotor permet, en limitant les variations abruptes de flux magnétique au niveau du stator d’excitation, de réduire les harmoniques de tension induite perturbatrices. L’inclinaison des flans participe également à la réduction des modifications abruptes de flux. Selon une réalisation, la machine est telle que gt01 =gt02=gt0, où gtq est l’angle d’ouverture en regard du stator d’induit et vérifiant les inégalités 0.5<Rri1 <0.9, 0.9<Rri2<0.95 et 0.7<Rr0<0.75, où le pas polaire angulaire est défini par pas-polaire = 360/Ner où Ner désigne le nombre de dents au rotor, et RrO = gtq/pas- polaire, Rri1 = gp1 /pas-polaire, Rri2= yri2/pas-polaire.

Selon une réalisation, la machine est telle que Rri2 est égal à 0.95, Rri1 est égal à 0.54.

Selon une réalisation, pour chaque pièce polaire les deux faces d’extrémité axiale sont sensiblement parallèles entre elles et transverses aux faces supérieure et inférieure, la distance entre les faces supérieure et inférieure dite épaisseur pour chaque pièce polaire est la même pour les deux pièces polaires, la distance entre les faces d’extrémité axiale dite profondeur pour chaque pièce polaire est la même pour les deux pièces polaires, le flan gauche de la première pièce polaire est de même inclinaison dans une direction opposée au flan droit de la première pièce polaire et le flan droit de la première pièce polaire est de même inclinaison dans une direction opposée au flan gauche de la deuxième pièce polaire, les deux pièces polaires étant positionnées de sorte que la face supérieure de la première pièce polaire est dans la continuité de la face supérieure de la deuxième pièce polaire le long de l’axe de la machine.

Selon une réalisation, chaque pièce polaire est sensiblement symétrique, les deux flans de la première pièce polaire étant inclinés sensiblement d’une même inclinaison x par rapport au plan transverse à la face supérieure, dans deux directions opposées, les deux flans de la deuxième pièce polaire étant également inclinés de la même inclinaison x dans deux directions opposées.

Selon une réalisation, N paires de pièces polaires sont disposées deux à deux adjacentes le long de la direction axiale de la machine, deux paires adjacentes des N paires étant décalées le long de la circonférence du rotor d’une distance inférieure au pas polaire, les paires adjacentes étant deux à deux décalés le long de la circonférence du rotor, le décalage V le long de la direction circonférentielle du rotor entre la première et la dernière des N paires de pièces polaires étant donné par la relation V= N^*2^*p^* tan 0sk où 0sk désigne l’angle de vrillage.

Selon une réalisation, un angle de vrillage électrique T est compris dans l’intervalle [80°, 90°] et avantageusement de l’ordre de 84° pour une machine comprenant douze dents à chacun des stators, quel que soit le nombre de paires de pièce polaire compris entre dix et quatorze, l’angle de vrillage électrique T étant donné par la relation : T=0sk ^*X, où X est le nombre de paires de pôles vues par chaque stator. Selon une réalisation, le nombre de dents de chacun des stators est de douze et le nombre de paires pièces polaires est de dix, pour gtq compris dans l’intervalle (25°, 27°), l’angle d’ouverture de la face en regard du stator d’excitation gp1 de la première pièce polaire est dans compris dans l’intervalle (18°, 32.4°) et avantageusement de l’ordre de 19.4° et l’angle d’ouverture de la face en regard du stator d’excitation gp2 de la deuxième pièce polaire est dans l’intervalle (32.4°, 34.2°) et avantageusement de l’ordre de 34.2°.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.

La figure 1 représente une vue en perspective de la machine électrique tournante avec un grossissement de la paire de pièces polaires ;

La figure 2 représente les lignes de flux pour différentes positions du rotor par rapport aux stators ;

Les figure 3a et 3b représentent la paire de pièces polaires selon deux perspectives ; La figure 4 représente la paire de pièces polaires dans la cas de pièces polaires asymétriques ;

La figure 5 représente l’atténuation de la tension induite par le couplage de pièces polaires ;

Les figures 6a et 6b illustrent la tension induite pour l’harmonique d’ordre 6 sans ou avec couplage de pièces polaires ;

La figure 7 illustre le cas du vrillage ;

La figure 8 représente l’influence de l’angle de vrillage sur la tension induite.

La machine électrique tournante illustrée à la figure 1 comporte un stator d’excitation 12 fixe, portant l’excitation, et un stator d’induit 1 1 également fixe. Les deux stators 1 1 , 12 sont montés dans une configuration concentrique radiale autour d’un axe de rotation Z qui est l’axe de la machine et séparés par un entrefer. Un rotor 20 est monté rotatif dans l’entrefer entre les deux stators fixes, autour d’un axe de rotation X. Le stator d’excitation 12 en matériau magnétique doux, présente un corps de stator et des dents s’étendant radialement depuis le corps de stator. Un bobinage d’excitation 102 est bobiné sur chacune des dents du stator d’excitation. Le bobinage d’excitation 102 est parcouru par un courant d’excitation de. Ledit courant de est adapté pour polariser les branches du stator et agit comme inducteur. Les bobines d’excitation sont connectées de façon à créer un nombre prédéterminé de pôles.

Le rotor 20 positionné radialement entre le stator d’excitation 12 et le stator d’induit 11 est formé de pièces polaires disposées circonferentiellement dans l’entrefer. Les pièces polaires sont en matériaux ferromagnétique doux. Les pièces polaires sont montées sur un support annulaire mobile. Le support mobile est fabriqué à partir d’un matériau conducteur non magnétique et non électrique par exemple en acier inoxydable ou en plastique.

Le rotor 20 est en regard des dents du stator d’excitation 12. Le rotor est également en regard du stator d’induit 1 1.

Le stator d’induit 1 1 est formé par un corps de stator et des dents s’étendant radialement depuis le corps de stator d’induit vers le rotor 20. Le bobinage d’induit 101 est bobiné sur chacune des dents du stator d’induit 1 1. Le bobinage d’induit est parcouru par un courant d’excitation ac.

Avantageusement la machine comprendra dans ce mode de réalisation une ou plusieurs phases de bobines conductrices. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1 il s’agira d’une machine triphasée, une telle configuration sera favorable en terme de contrôle et de stabilité.

Dans ces machines, les performances de couple seront notamment améliorées lorsque le nombre de pôles magnétiques et de pièces polaires vérifient l’une des relations suivantes : ns=pl+ph ou ns=ph-pl ou ns=pl-ph, où ns est le nombre de paires pièces polaires dans le rotor, ph est le nombre de paires de pôles dans le stator d’induit et pi est le nombre de paires de pôles dans le stator d’excitation. Lorsque l’une de ces relations est vérifiée, chaque stator voit, dans son interaction avec le rotor, le même nombre X de paires de pôles de part et d’autre du rotor. Les paires de pièces polaires 21 du rotor en modulant la densité de flux permettent donc de transformer chaque stator en un stator avec un nombre de pôles différent. La densité de champ dans l’entrefer présente de nombreuses harmoniques et une des plus importantes harmoniques créée dans l’entrefer entre le rotor 20 et le stator d’induit 1 1 sera typiquement l’harmonique d’ordre pl-ph ou pl+ph.

Le nombre de pôles aux stators est défini par le choix du bobinage et de son alimentation.

Numériquement, pour la machine illustrée à la figure 1 , dans laquelle le rotor 20 comprend dix pièces polaires 21 , le nombre de pôles sera donc choisi pour que le stator d’excitation ait 8 pôles magnétiques (pl=4) et que le stator d’induit ait 12 pôles (ph=6). Dans l’entrefer côté stator d’induit, le rotor 20 transforme le flux magnétique du stator d’excitation à 8 pôles au stator d’induit à 12 pôles : ns-pl=10-4=6, qui correspond au nombre ph de paires de pôles dans le stator d’induit. Dans l’entrefer côté stator d’excitation, le rotor 20 transforme le flux du stator d’induit à 12 pôles au stator d’excitation à 8 pôles : ns-ph=10-6=4 ce qui correspond au nombre pi de paires de pôles dans le stator d’excitation.

En fonctionnement, le courant de, en parcourant les bobines du stator d’excitation 12, créé une aimantation au niveau de chacune des branches du stator d’excitation 12 correspondant alternativement à des pôles nord et sud. Un champ magnétique tournant est alors créé dans l’entrefer par l’interaction entre l’aimantation du stator d’excitation et les pièces polaires du rotor 20 qui prennent l’aimantation des dents du stator d’excitation 12 en regard. Le stator d’induit 1 1 parcouru par un courant ac créé un champ variable tournant qui interagit avec le précédent champ tournant pour créer un couple. L’interaction entre ces deux champs se traduit par des lignes de champs représentées à la figure 2.

La rotation du rotor 20, c'est-à-dire des paires de pièces polaires, par rapport aux stators 11 , 12 génère des modifications du chemin de flux qui traverse la bobine d’excitation suivant la position des pièces polaires.

Dans le cas de la machine illustrée à la figure 1 , le nombre de dents au stator d’excitation est identique au nombre de dents au stator d’induit, chaque dent du stator d’excitation 12 étant en regard d’une encoche définie entre deux dents du stator d’induit 11 , les paires de pièces polaires étant positionnées entre le stator d’excitation et le stator d’induit.

La figure 2 illustre le flux vu par le stator d’induit 1 1 fonction de la position du rotor 20 dans le cas de la machine illustrée à la figure 1. Le flux vu par le stator d’induit 1 1 passe par une valeur maximale positive et minimale négative lors de la rotation du rotor 20, ce qui correspond au cas où le passage du flux dans l’une ou l’autre des pièces polaires entourant le stator est favorisé.

En considérant une portion de la machine dans laquelle une dent du stator d’induit entre deux dents consécutives du stator d’excitation, lorsque le rotor 20 se trouve dans la position dans laquelle une pièce polaire 21 est à la fois en regard d’une dent du stator d’excitation, et d’une dent du stator d’induit (thêta = 0° ou 180°) le flux boucle à travers le stator d’induit 1 1. Ceci correspond aux extremums de flux vus par le stator induit. Lorsque la pièce polaire 21 est en regard d’une encoche entre deux dents du stator d’excitation 12 et face à une dent du stator d’induit 1 1 (thêta = 90°), le flux boucle directement entre la pièce polaire 21 et les deux dents consécutives du stator d’excitation. Ceci correspond à un flux nul vu par le stator d’induit 1 1. Lorsque deux pièces polaires adjacentes sont en regard des deux dents consécutives du stator d’excitation, la dent du stator d’induit considérée n’étant en regard d’aucune pièce polaire, (thêta = 270°), le flux boucle directement à travers les deux dents adjacentes à la dent considérée du stator d’induit et le flux vu par la dent du stator d’induit considérée est nul. En variante le nombre de dents aux deux stators seront différentes.

De telles variations du flux à travers la bobine d’excitation en fonction du temps génère une tension induite aux bornes de la bobine d’excitation.

La direction axiale Z de la machine est la direction selon l’axe de la machine. La direction circonférentielle est la direction qui, dans un plan transverse à l’axe de la machine Z, suit la circonférence du rotor. La direction radiale de la machine est la direction donnée par le rayon du rotor dans le plan transverse à la direction de l’axe Z.

Dans cette machine, illustrée en perspective à la figure 1 , chaque pièce polaire 22, 23 se présente sous la forme d’une pyramide tronquée présentant six faces deux à deux en regard illustrée à la figure 3. Chaque pièce polaire est avantageusement sensiblement symétrique.

Chaque pièce polaire est placée dans l’entrefer entre les deux stators 1 1 , 12 de sorte que deux faces sont en regard des stators. Ces deux faces sont les faces supérieure et inférieure, la face supérieure 220, 230 étant en regard du stator d’induit et la face inférieure 221 , 231 étant en regard du stator d’excitation 12. Ces deux faces sont légèrement incurvées pour suivre la très légère courbure des stators. Ces deux faces sont sensiblement parallèles entre elles en regard le long de la direction radiale. Les deux faces supérieure et inférieure sont séparées par une épaisseur e.

Les deux autres faces en regard le long de la direction axiale Z sont les deux faces d’extrémité axiale 224, 225, 234, 235. Lesdites deux faces d’extrémité axiale sont sensiblement transverses aux faces supérieure et inférieure et parallèles l’une à l’autre. Les deux faces d’extrémité axiale sont séparées d’une profondeur p.

Les deux dernières faces en regard l’une de l’autre le long de la direction circonférentielle sont les flans de la pièce polaire 21. Le flan gauche 222, 232 et le flan droit 223, 233 sont définis par rapport au sens de déplacement le long de la circonférence du rotor. Lesdits flans sont inclinés par rapport au plan transverse aux faces supérieure, inférieure et axiales, dans des directions opposées. Les flans inclinés de la pyramide tronquée participent à l’atténuation de la tension induite due aux variations abruptes de flux magnétique.

L’extension de la première pièce polaire 22 le long de la direction circonférentielle est donnée par un angle qui est déterminé depuis le centre de la machine, comme illustré à la figure 3a. Les deux faces de la pièce polaire 21 en regard du stator n’ont pas la même extension le long de la circonférence. La face supérieure de la première pièce polaire 21 a une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture de ladite face en regard du stator d’induit entre le premier flan gauche et le premier flan droit gt01. La face inférieure de la première pièce polaire a une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture de ladite face en regard du stator d’excitation entre le premier flan gauche et le premier flan droit gp1. Les deux angles d’ouverture différents définissant la géométrie de la première pièce polaire gtί1 , gt01 , vérifient la relation gtί1 < gt01 , ce qui défini l’inclinaison des flans droite et gauche de la première pièce polaire.

La deuxième pièce polaire 23 adjacente, de géométrie analogue à la première pièce polaire aura également une forme de pyramide tronquée, de même épaisseur e et de même profondeur p.

La face supérieure de la deuxième pièce polaire 230 a une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture de ladite face gt02 en regard du stator d’induit entre le deuxième flan gauche 232 et le deuxième flan droit 233. La face inférieure de la deuxième pièce polaire 231 a une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture gtί2 de ladite face en regard du stator d’excitation entre le deuxième flan gauche 232 et le deuxième flan droit 233. Les deux angles d’ouverture différents définissant la géométrie de la deuxième pièce polaire gp2, gt02, vérifient la relation gp2 > gt02, ce qui défini l’inclinaison des 5 flans droite et gauche de la deuxième pièce polaire.

Les deux flans d’une même pièce polaire sont avantageusement inclinés sensiblement du même angle x dans deux directions opposées.

En variante les deux flans sont inclinés de deux angles différents xΐ et x2.

Dans un mode préféré de réalisation, les angles gt01 , gt02 seront io sensiblement identiques égaux à gtq, la face supérieure de la première pièce polaire étant sensiblement de même dimension que la face supérieure de la deuxième pièce polaire.

Les angles d’ouvertures des deux pièces polaires d’une même paire vérifieront donc la relation suivante :

15 gp1 < gtq < gp2

Les deux pièces polaires 22, 23 seront donc deux pyramides tronquées tête bêche, la première pièce polaire correspondant à une pyramide orientée vers l’intérieur de la machine et la deuxième pièce polaire correspond à une pyramide orientée vers l’extérieur de la machine.

20 Les deux pièces polaires sont agencées de sorte que la surface d’extrémité axiale arrière de la première pièce 225 est en regard de la surface d’extrémité axiale avant de la deuxième pièce polaire 234. Les deux surfaces d’extrémité sont donc en contact sur toute la surface d’extrémité de la première pièce polaire, les deux faces supérieures des deux pièces polaires formant un rectangle de largeur 2^*p et 25 d’extension longitudinale le long de la circonférence de la machine correspondant à l’angle gtq (figure 3b).

Les deux pièces polaires 22, 23 sont avantageusement collées l’une à l’autre au niveau de ces surfaces d’extrémité. Ceci permet d’éviter des fuites de flux peu avantageuses entre les deux pièces polaires.

30 Ainsi les deux pièces polaires de la paire forment un bloc d’épaisseur e, de profondeur 2^*p et présentant sur une partie de sa profondeur des échancrures creusées selon la direction axiale et la direction circonférentielle. En variante la paire de pièces polaires 21 pourrait être usinée en une seule pièce c'est-à-dire que la morphologie de deux pièces polaires adjacentes décrites ci- dessus sera formée par usinage d’un seul morceau de matière.

En variante illustrée à la figure 4, lorsque les deux flans d’une pièce polaire auront des inclinaisons x1 et x2 différentes, la pièce polaire étant ainsi asymétrique, la même asymétrie sera reproduite pour l’autre pièce polaire de la paire. Ainsi, comme illustré à la figure 4, les deux pièces polaires seront disposées de sorte que le flan gauche d’inclinaison x1 de la première pièce polaire aura la même inclinaison x1 que le flan droit de la deuxième pièce polaire mais dans la direction opposée. Le flan droit de la première pièce polaire d’inclinaison x2 aura la même inclinaison que le flan gauche de la deuxième pièce polaire.

En variante les deux faces d’extrémité axiale pourront ne pas être transverses aux faces supérieure et inférieure, mais inclinées par rapport à la direction transverse aux faces supérieure et inférieure.

Le pas polaire angulaire dépendant de la géométrie de la machine est défini par : pas-polaire = 360/Ner où Ner désigne le nombre de paires de pièces polaires dans le cas ici décrit.

En paramétrant le couplage des pièces polaires par les ratios suivants:

RrO = gtq/pas- polaire

Rri1 = gtί1 /pas-polaire

Rri2= gtί 2/pas- polaire

le couplage sera notamment efficace dans la configuration dans laquelle les ratios vérifieront les inégalités suivantes :

0.5<Rri1 <0.9,

0.9<Rri2<0.95

0.7<Rr0<0.75

Le couplage sera notamment optimal dans le cas dans lequel Rri2 est égal à 0.95 et Rri1 est égal à 0.54 indépendamment du nombre de dents aux deux stators (1 1 , 12), ce qui correspond à la condition angulaire pour avoir un couplage optimal quel que soit le nombre de dents aux stators.

L’insertion de telles paires de pièces polaires 120 en lieu et place des habituelles pièces polaires simples, connues de l’art antérieur, permettront de gommer les transitions abruptes de flux entre chacun des stators 1 1 , 12 et le rotor 20, lorsque le rotor se déplace en regard des stators et passe en regard des dents des stators et des encoches définies entre les dents des stators. En effet la deuxième pièce polaire créé un flux supplémentaire déphasé de 180° par rapport au flux créé par la première pièce polaire de sorte que les deux flux se compensent pour une somme nulle, comme illustré à la figure 5.

Pour une géométrie de machine correspondant à la figure 1 pour laquelle le nombre de dents au stator d’excitation est identique au nombre de dents au stator d’induit de douze et pour un rotor comprenant dix paires de pièces polaires, les modifications abruptes de trajet de flux vu par la bobine d’excitation lors du mouvement du rotor en fonction de la position des pièces polaires par rapport aux deux stators engendre une tension induite donc des harmoniques au niveau du signal d’excitation de dont l’harmonique prépondérante dans cette configuration sera l’harmonique d’ordre 6 (figure 5).

Par l’adjonction de paires de pièces polaires 21 telles que décrites précédemment, une réduction importante de la tension pic à pic sera observée pour cette harmonique d’ordre 6 en particulier tout en maintenant un couple moyen de la machine élevé. L’harmonique d’ordre 6 sera fortement atténuée dans le cas où les pièces polaires auront les dimensions suivantes gtq = 25.2°, gp1 = 19.5°, gp2 = 35°, comme illustré aux figures 6a et 6b.

En variante une paire de pièces polaires de l’entrefer pourra être remplacée par N paires de pièces polaires. Les paires de pièces polaires d’une pluralité seront deux à deux adjacentes le long de la direction axiale de la machine Z. Deux paires de pièces polaires 21 adjacentes seront décalées le long de la direction circonférentielle du rotor. La face d’extrémité axiale arrière de la deuxième pièce polaire 235 de la première paire est partiellement collée à la face d’extrémité axiale avant 224 de la première pièce polaire de la paire adjacente selon Z. Le décalage entre deux paires consécutives sera avantageusement régulier.

Comme illustré à la figure 7, on pourra définir un angle de vrillage 0sk, qui définira le décalage global de la pluralité de paires de pièces polaires juxtaposés, par rapport à la direction Z, c'est-à-dire le décalage entre la première et la dernière paire de la pluralité selon la direction circonférentielle. Le vrillage va également permettre d’adoucir le flux en réduisant l’influence de l’harmonique 6 dans la tension induite. En notant P la profondeur de la pluralité de N paires de pièces polaires le long de l’axe de rotation Z, chaque paire ayant les propriétés décrites précédemment, P=N^*2^*p.

Le paramètre de vrillage V le long de la direction circonférentielle est donc donné par V=P^*tan 0sk.

Le décalage le long de la direction circonférentielle entre deux paires de pièces polaires consécutifs sera alors donné par v = 2p^*tan 0sk. En variante on pourra considérer un décalage irrégulier entre paires de pièces polaires adjacentes.

Le vrillage permet d’adoucir le flux en le rendant plus sinusoïdal en limitant l’influence des harmoniques prépondérantes.

L’angle de vrillage mécanique 0sk est relié à l’angle de vrillage électrique T par la relation :

T = 0sk^*X où X est le nombre de paires de pôles vues par chaque stator.

Dans le cas de la machine précédente comprenant 12 dents à chacun des stators, le nombre de paires pièces polaires étant compris entre 10 et 14, l’angle de vrillage électrique sera avantageusement compris dans l’intervalle [80°, 90°] et en particulier de l’ordre de 84°, comme illustré à la figure 8. Ceci donne un angle optimum pour ne pas trop diminuer le couple tout en limitant l’influence de l’harmonique 6.

Dans le cas d’une machine comprenant un stator d’excitation et un stator d’induit ayant chacun 12 dents et un rotor comprenant 11 paires de pièces polaires, l’harmonique d’ordre 6 sera fortement atténuée dans le cas où les pièces polaires auront les dimensions suivantes gtq = 23°, gp1 = 15°, gp2 = 31 °.

Dans une telle configuration il y a une réduction importante de la tension pic à pic tout en maintenant un couple moyen de la machine élevé.

Dans le cas d’une machine comprenant un stator d’excitation et un stator d’induit ayant chacun 12 dents et un rotor comprenant 13 paires de pièces polaires, l’harmonique d’ordre 6 sera fortement atténuée dans le cas où les pièces polaires auront les dimensions suivantes gtq = 19.4°, gtί1 = 21.5°, gp2 = 27°.

Dans le cas d’une machine comprenant un stator d’excitation et un stator d’induit ayant chacun 12 dents et un rotor comprenant 14 paires de pièces polaires, l’harmonique d’ordre 6 sera fortement atténuée dans le cas où les pièces polaires auront les dimensions suivantes gtq = 18°, gp1 = 14.5°, gp2 = 24°. La réduction de la tension pic à pic de cette harmonique dans des systèmes à 12 dents aux stators et un nombre de dents au rotor de 1 1 , 13 ou 14 est illustrée aux figures 6a et 6b.

Dans tout ce qui précède les pièces polaires du rotor seront typiquement en matériau magnétique doux tels que des tôles d’acier ferromagnétique FeSi, FeCo ou FeNi.

Les dimensions seront telle que p sera typiquement de l’ordre de 35mm et e sera typiquement de l’ordre de 6mm.

Claims

Revendications

1 - Machine électrique tournante synchrone, à commutation de flux, comportant un stator d’excitation (12) et un stator d’induit (1 1 ), les deux stators (1 1 , 12) étant positionnés dans une configuration concentrique radiale, autour d’un axe de rotation (Z), le stator d’excitation (12) étant à l’intérieur du stator d’induit (11 ), un entrefer étant défini entre les deux stators dans lequel est logé un rotor (20),

le stator d’excitation (12) étant formé par un corps de stator comportant une pluralité de dents s’étendant depuis le corps de stator d’excitation vers le rotor (20), un bobinage d’excitation (102) étant bobiné autour de la pluralité de dents dudit stator d’excitation,

le stator d’induit (1 1 ) étant formé par un corps de stator comportant une pluralité de dents s’étendant depuis le corps de stator d’induit (11 ) vers le rotor (20), un bobinage d’induit (101 ) étant bobiné autour de la pluralité de dents dudit stator d’induit,

le rotor (20), dépourvu de bobinage ou d’aimants permanents étant formé par un ensemble de paires de pièces polaires (21 ) disposées circonférentiellement dans l’entrefer en regard de chacun des stators, séparés par un pas polaire,

caractérisé en ce que :

une paire de pièces polaires (21 ) comprend une première pièce polaire (22) et une deuxième pièce polaire (23) adjacente à la première pièce polaire, chaque pièce polaire ayant la forme d’une pyramide tronquée,

chaque pièce polaire positionnée dans l’entrefer présentant : deux surfaces d’extrémité axiale en regard le long de l’axe de la machine, deux flans en regard le long de la direction circonférentielle de la machine, deux faces en regard l’une de l’autre dont une face supérieure en regard du stator d’induit et une face inférieure en regard du stator d’excitation,

la face supérieure de la première pièce polaire (220) ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture gt01 de ladite face en regard du stator d’induit entre un premier flan gauche (222) et un premier flan droit (223), la face inférieure de la première pièce polaire (221 ) ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture gp1 de ladite face en regard du stator d’excitation entre le premier flan gauche (222) et le premier flan droit (223),

la face supérieure de la deuxième pièce polaire (230) de la même paire ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture gt02 de ladite face en regard du stator d’induit entre un deuxième flan gauche (232) et un deuxième flan droit (233)

la face inférieure de la deuxième pièce polaire (231 ) ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d’ouverture gp2 de ladite face en regard du stator d’excitation entre un deuxième flan gauche (232) et un deuxième flan droit (233),

les deux pièces polaires (22, 23) étant agencées de sorte qu’une surface d’extrémité axiale de la première pièce polaire est en regard d’une surface d’extrémité axiale de la deuxième pièce polaire,

les flans de la première pièce polaire étant inclinés de sorte que: gtί1 < gt01 , les flans de la deuxième pièce polaire étant inclinés de sorte que: gt02 < gtί2,

avec gt01 et gt02 du même ordre de grandeur.

2- Machine selon la revendication 1 dans laquelle gt01 =gt02=gt0, gtq étant un angle d’ouverture en regard du stator d’induit et vérifiant les inégalités:

0.5<Rri1 <0.9,

0.9<Rri2<0.95

et 0.7<Rr0<0.75

Où le pas polaire angulaire est défini par :

pas-polaire = 360/Ner où Ner désigne le nombre de dents au rotor.

Et :

RrO = gtq/pas-polaire

Rri1 = gp1 /pas-polaire

Rri2= yri2/pas-polaire 3- Machine selon la revendication 2 dans laquelle lorsque Rri2 est égal à 0.95, Rri1 est égal à 0.54.

4- Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle pour chaque pièce polaire (22, 23) les deux faces d’extrémité axiale sont sensiblement parallèles entre elles et transverses aux faces supérieure et inférieure,

la distance entre les faces supérieure et inférieure dite épaisseur (e) pour chaque pièce polaire est la même pour les deux pièces polaires,

la distance entre les faces d’extrémité axiale dite profondeur (p) pour chaque pièce polaire est la même pour les deux pièces polaires,

le flan gauche de la première pièce polaire (222) est de même inclinaison dans une direction opposée au flan droit de la première pièce polaire (223) et le flan droit de la première pièce polaire (232) est de même inclinaison dans une direction opposée au flan gauche de la deuxième pièce polaire (233), les deux pièces polaires étant positionnées de sorte que la face supérieure de la première pièce polaire (220) est dans la continuité de la face supérieure de la deuxième pièce polaire (230) le long de l’axe de la machine. 5- Machine selon la revendication 4 dans laquelle :

chaque pièce polaire est sensiblement symétrique,

les deux flans de la première pièce polaire (222 , 223) étant inclinés d’une même inclinaison x par rapport au plan transverse à la face supérieure, dans deux directions opposées,

les deux flans de la deuxième pièce polaire (232, 233) étant également inclinés de la même inclinaison x dans deux directions opposées.

6- Machine selon l’une des revendications 1 à 5 dans laquelle N paires de pièces polaires sont disposées deux à deux adjacentes le long de la direction axiale de la machine,

deux paires adjacentes des N paires étant décalées le long de la circonférence du rotor d’une distance inférieure au pas polaire,

les paires adjacentes étant deux à deux décalées le long de la circonférence du rotor, le décalage V le long de la direction circonférentielle du rotor entre la première et la dernière des N paires de pièces polaires étant donné par la relation :

V= N^*2^*p^* tan 0sk où 0sk désigne l’angle de vrillage, et p désigne la profondeur d’une pièce polaire selon l’axe (Z).

7- Machine selon la revendication 6 dans laquelle un angle de vrillage électrique T est compris dans l’intervalle [80°, 90°]

et avantageusement de l’ordre de 84° pour une machine comprenant douze dents à chacun des stators (1 1 , 12), quel que soit le nombre de paires de pièce polaire compris entre dix et quatorze,

l’angle de vrillage électrique T étant donné par la relation : T=0sk ^*X

Où X est le nombre de paires de pôles vues par chaque stator. 8- Machine selon l’une des revendications 1 à 7 dans laquelle le nombre de dents de chacun des stators (1 1 , 12) est de douze et le nombre de paires pièces polaires est de dix, pour gtq compris dans l’intervalle (25°, 27°), l’angle d’ouverture de la face en regard du stator d’excitation gh1 de la première pièce polaire est dans compris dans l’intervalle (18°, 32.4°) et avantageusement de l’ordre de 19.4° et l’angle d’ouverture de la face en regard du stator d’excitation gp2 de la deuxième pièce polaire est dans l’intervalle (32.4°, 34.2°) et avantageusement de l’ordre de 34.2°.