WO2019243996A1 - Rotor pour moteur ou génératrice électromagnétique avec branches effilées - Google Patents

Rotor pour moteur ou génératrice électromagnétique avec branches effilées Download PDF

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WO2019243996A1
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magnet
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hub
magnets
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Loic Mayeur
Romain RAVAUD
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Whylot
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Definitions

  • the present invention relates to a rotor for an electromagnetic axial flow motor or generator having an advantageously enlarged hub from which tapering branches leave with at least one magnet structure between two adjacent branches.
  • the invention also relates to an electromagnetic motor or generator equipped with such a rotor.
  • the present invention finds an advantageous but nonlimiting application for an electromagnetic motor delivering a high power with a high rotational speed of the rotor, which is obtained by the specific characteristics of the rotor according to the present invention.
  • a motor can be used, for example, as an electromagnetic motor in a fully electric or hybrid motor vehicle.
  • the electromagnetic motor or generator can comprise at least one rotor framed by two stators, these elements being able to be superimposed relative to each other by being separated by at least one air gap on the same shaft.
  • the rotor comprises a body in the form of a discoidal support for magnets having two circular faces connected by a thickness, the disc being delimited between an external crown formed by a hoop and an internal periphery delimiting a recess for a rotation shaft.
  • the magnets are each held in the disc support by holding means, a gap being left between the magnets.
  • Axial flux motors are often used as an engine having higher torque than radial flux motors. They can therefore be used in low speed applications.
  • the design of the rotor in an axial flow motor is more delicate because the forces due to centrifugal effects cause fairly high mechanical stresses in the rotor.
  • the eddy current losses become preponderant both in the magnets and also in the rotor part when this is made with electrically conductive materials.
  • the main disadvantage of a motor at high rotational speed lies in the high probability of detachment of the magnet or magnets from the rotor as well as at least partial breakage of the rotor. .
  • the rotor of such an engine must therefore be able to withstand high rotational speeds.
  • One solution may be to make meshes of elongated unit magnets in fibrous and resinous structures, so as to reduce the eddy currents and to use a body of composite material for the rotor which does not conduct electricity, ideally a fiberglass rotor, with a hoop placed at the periphery of the rotor so as to maintain the forces due to centrifugal effects.
  • the document EP-A-0 353 042 representing the closest prior art, describes a rotor of an electromagnetic motor or generator having a body comprising an internal hub concentric with a central axis of rotation of the rotor , branches extending radially relative to the central axis of rotation from the internal hub to a hoop forming a circular external periphery of the rotor, at least one magnet being housed in each space delimited between two adjacent branches, each branch having a decreasing width away from the internal hub to end with a tapered tip against the hoop, each magnet having an increasing width away from the internal hub to end against the hoop surrounding the rotor.
  • an arrangement of unitary magnets independent of each other has the great disadvantage of being sensitive to space harmonics or currents generated by the stator windings. Consequently, the losses generated in the magnet structures are very high and the yields, particularly at high speed, are reduced.
  • the document FR-A-1 475 501 does not describe a rotor but only a magnet structure comprising several unitary magnets without specifying an application for this magnet structure and suggesting that the disadvantages of the two above-mentioned documents can be eliminated by the use of such a magnet structure with several unit magnets, since use of such a magnet structure for a rotor is not mentioned in this document.
  • the problem underlying the present invention is to design a rotor for the support of several permanent magnets provided with a hoop for an electromagnetic machine with axial flux which can, on the one hand, hold the permanent magnets that the rotor supports from effectively by preventing the magnets from detaching from the rotor while effectively compensating for the centrifugal force and, on the other hand, having a mechanical resistance such that the rotor can rotate at very high speeds.
  • the present invention relates to a rotor of an electromagnetic motor or generator having a body comprising an internal hub concentric with a central axis of rotation of the rotor, branches extending radially with respect to the central axis of rotation from the internal hub to a hoop forming a circular external periphery of the rotor, at least a magnet being housed in each space delimited between two adjacent branches, each branch having a decreasing width moving away from the internal hub to end with a tapered point against the hoop, each magnet having an increasing width moving away from the internal hub for finish against the hoop surrounding the rotor, characterized in that each magnet is in the form of a magnet structure consisting of a plurality of unit magnets secured by an insulating material reinforced with fibers, each unit magnet being of elongated shape extending in the axial direction of the rotor.
  • the rotor configuration according to the present invention is based on the observation that the maximum stresses applying at very high speed on a rotor are made at the level of the hub surrounding the median axis of rotation of the rotor. It is therefore necessary to solidify this internal portion of the rotor. This is done at the expense of the magnets placed in this area which must be replaced by an enlarged hub. It is also advisable to equip the rotor with relatively thick branches at least at their connection with the hub. The more we thicken the shape of the branches, the less magnets we put.
  • the main idea underlying the present invention is that the arms need not be thickened essentially only at their connection with the hub, the stresses exerted on the rotor decreasing the further one moves away from the center of the rotor.
  • the Applicant has become aware that, in the case of an axial flow machine, the torque is proportional to the cube of the radius of the rotor. Therefore, it is more clever to add surface magnets to the periphery of the rotor than in more internal portions of the rotor. Hence an absence of magnet near the axis of rotation can be easily compensated for by an addition of magnet on the periphery of the rotor, which can be obtained by configurations of branches decreasing in width the further one moves away from the center of the rotor until they are only tapered points with a width close to zero.
  • the rotor can have, between each branch, unitary magnets grouped together in a magnet structure.
  • Each three-dimensional magnet structure consists of a plurality of unit magnets.
  • Such a magnet structure can form a magnet pole or be a complete magnet.
  • One of the measures of the present invention is to decompose a magnet structure which can be an entire magnet or a magnetic pole according to the state of the art into a plurality of small or micro-magnets.
  • a large magnet is subject to greater eddy current losses than its equivalent in small or micro-magnets.
  • the use of small magnets or micro-magnets therefore makes it possible to reduce these losses which are detrimental to the operation of the electromagnetic actuator.
  • the length of a unitary magnet is appreciably increased compared to the diameter or to a diagonal of its planar longitudinal face compared to what the widespread practice, this essentially to answer needs of mechanical resistance of the structure, which is the main object of the present invention.
  • the Applicant has discovered that a plurality of unit magnets in a magnet structure gives a magnet structure having a much greater mechanical resistance while retaining magnetic properties almost similar to those of a single magnet having an equal surface. to n times the elementary surface of the n unit magnets when n unit magnets are present.
  • the tapered tip of each branch is at least half the width of a base of the branch connected to the internal hub.
  • the bases of two adjacent branches are separated by an intermediate portion of the internal hub, the intermediate portion being of concave shape rounded in the direction of the axis of the rotor, the internal hub having a radius equal to at least a quarter of a rotor radius.
  • the inward curvatures of the intermediate portions between branches make it possible to reduce the mechanical stresses at the level of the thickest section of the branches bearing on the external periphery of the hub.
  • the hub and the branches are made of glass fibers cast in resin. These reinforcing fibers help to increase the resistance of the magnet structure and in particular the rigidity to bending and buckling.
  • each unit magnet of the plurality of unit magnets is of polygonal shape or each unit magnet has an at least partially ovoid outline by comprising a first portion forming the body of the unit magnet having a larger section and extending over a greater length of the unitary magnet than at least a second longitudinal end portion pointing towards an associated longitudinal end of the magnet by decreasing in section as it approaches the longitudinal end.
  • Ovoid magnets can have facets.
  • the contact between two adjacent unitary magnets is more reduced by being able to be only punctual and corresponds substantially to a reduced arc of circle between the two magnets unit.
  • a groove can be dug to the dimension of the arc of contact circle between two adjacent unit magnets to receive glue, advantageously in the form of resin.
  • each magnet structure incorporates at least one mesh having meshes each delimiting a housing for a respective unitary magnet, each housing having sufficient internal dimensions sufficient to allow a unitary magnet to be introduced into its interior while leaving a space between the housing and the unitary magnet filled with a fiber reinforced resin, the meshes being made of fiber reinforced insulating material.
  • the mesh remains in place, being able to also be coated in a layer of composite.
  • Such a mesh makes it possible to maintain unitary magnets during the manufacture of the magnet structure and has the advantage of representing an additional solidification element of the magnet structure, the mesh possibly also containing reinforcing fibers.
  • a honeycomb mesh is known to reinforce the resistance of an element, in this case a magnet structure.
  • the unit magnets are inserted in hexagonal housings which ensure their maintenance.
  • the walls of the housings serve as electrical insulation and the density of the housings in the magnet structure can be considerably increased.
  • the honeycomb mesh can be made of an insulating composite material reinforced with fibers.
  • the hoop is made of glass fibers or carbon fibers.
  • the composite hoop circumferentially surrounds large magnets or magnet structures at an outer periphery of the rotor.
  • the hoop contributes, if necessary, to the radial retention of the magnets in addition to that guaranteed by the external coating layer of composite.
  • the tapered tips of the branches can be joined or not the hoop.
  • the magnet structure between two adjacent branches is embedded in a layer of composite, the rotor also being coated in a layer of composite.
  • cover discs are arranged on each circular face of the rotor.
  • the present invention preferably uses a multitude of unit magnets replacing a compact magnet of the prior art, the heat dissipation is less and cover discs can be used as axial holding means, these discs advantageously replacing means of axial retention between magnets and rotor body, necessitating if necessary modifications of the magnets or of their coating to produce additional fixing means with fixing means carried by the rotor.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a rotor, in which the width of each branch at a point of its length extending radially from the external periphery of the hub to the internal periphery of the hoop is determined from '' an evaluation of an admissible mechanical stress likely to be applied to the rotor, of a maximum admissible speed of rotation of the rotor and of a mechanical resistance of the material of the branch, a decrease in the width of each branch away from the hub being obtained by selecting for each branch a width for each point of its length making it possible to obtain an iso-stress inside the branch.
  • the maximum stress exerted on a branch towards its end connected to the hub can be evaluated at 120 mega Pascals. Obtaining this iso-stress makes it possible to minimize the width of the branch and therefore to put more surface area of large magnets or magnet structures, therefore in the latter case more unit magnets, which allows to obtain more torque and more than compensate for the loss of magnet surface towards the hub.
  • K being a constant varying according to a thickness of the hoop and representative of the mechanical resistance of the material of the branch
  • p a density of the magnet structure
  • am an admissible mechanical stress capable of being applied to the rotor and consequently on the branch
  • Q an opening angle of each magnet structure
  • W the maximum permissible speed of rotation of the rotor and r the distance from the point of the length taken with respect to the center of the rotor.
  • the invention finally relates to an electromagnetic motor or generator with axial flow, characterized in that it comprises at least one such rotor, the electromagnetic motor or generator comprising at least one stator carrying at least one winding, the electromagnetic motor or generator. comprising one or more air gaps between said at least one rotor and said at least one stator.
  • the electromagnetic motor or generator comprises at least one rotor associated with two stators.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a front view of a rotor for an electromagnetic machine with axial flow according to a first embodiment of the present invention, magnet structures composed of unitary magnets being each inserted between two adjacent branches of a disc-shaped support for the magnets, the branches having a width which decreases away from the hub of the rotor,
  • FIG. 2 is an enlarged schematic representation of a portion of the rotor shown in FIG. 1,
  • Figures 3a, 3b and 3c are schematic representations for Figures 3a and 3b of a respective embodiment of a unitary magnet of ovoid shape and for Figure 3c of a magnet structure comprising unitary ovoid magnets , four unitary ovoid magnets being shown spaced from the magnet structure,
  • FIG. 4 shows a branch width curve of a rotor according to the present invention as a function of a point located at a distance r from the central axis of rotation of the rotor, the branch having a width decreasing away from the central axis of rotation of the rotor.
  • a single branch 3 a single base 3a and a single tapered point 3b of the branch 3 are referenced for all the branches in FIGS. 1 and 2.
  • a single unitary magnet 4 is referenced for all the unit magnets as well as a single layer of adhesive 6 between unit magnets and a single external layer 5 enveloping a structure of magnet 10.
  • FIG. 1 shows a rotor 1 and an enlargement of a portion of a rotor 1 according to the present invention with two branches 3 interposing between them a structure of magnet 10 composed of several unitary magnets 4 polygonal.
  • Such a rotor 1 is used in an electromagnetic motor or generator, advantageously with axial flow.
  • the rotor 1, advantageously substantially circular, has a body comprising an internal hub 2 concentric with a central axis 7 of rotation of the rotor 1 or longitudinal median axis of the rotor 1.
  • Branches 3 extend radially in the rotor 1 relative to the central axis 7 of rotation from the internal hub 2 towards a hoop 8 forming a circular external periphery of the rotor 1.
  • At least one magnet structure 10 comprising a plurality of small unit magnets 4 is housed in each space delimited between two adjacent branches 3.
  • each branch 3 has a width I, visible in FIGS. 1 and 4, decreasing as it moves away from the internal hub 2, ending with a tapered tip 3b against the hoop 8.
  • the width I is shown for the greatest width of a branch 3 in FIG. 1, that is to say at the base 3a of this branch 3a connected to the hub 2.
  • Each magnet structure 10 has an increasing width away from the internal hub 2 to finish against the hoop 8 surrounding the rotor 1. It is the largest width of the magnet structure 10 which illustrates the width 1a to Figure 1.
  • the tapered tip 3b of each branch 3 can be at least two to four times less wide than a base 3a of the branch 3 connected to the internal hub 2.
  • the bases 3a of two adjacent branches 3 can be separated by an intermediate portion 9 of the internal hub 2.
  • This intermediate portion 9 may be of concave shape rounded in the direction of the axis of the rotor 1.
  • the internal hub 2 may have a radius ri equal to at minus a quarter of a radius of the rotor 1, making it a hub 2 larger than a hub 2 of the prior art.
  • the radius of the rotor is equal to the radius re of a branch 3 to which radius re is added a hoop thickness 8.
  • the hub 2 and the branches 3 may be made of glass fibers cast in resin. Resistant plastic fibers can also be used in order to increase the resistance of the rotor 1 and in particular the rigidity to bending and buckling.
  • the rotor 1 and the branches 3 may be in one piece.
  • the branches 3 can be joined or not to the hoop 8 by their tapered end 3b.
  • each magnet structure 10 can consist of a plurality of unit magnets 4 secured by an insulating material reinforced with fibers, each unit magnet 4 being of elongated shape in s extending in the axial direction of the rotor 1.
  • the unit magnets 4 of which only one is referenced by figure are not to be confused with the magnet structures 10 nor with large magnets not shown in the figures.
  • each magnet structure 10 can be three-dimensional and made up of a plurality of unit magnets 4.
  • each unit magnet 4 of the plurality of unit magnets 4 is of polygonal shape.
  • each unitary magnet 4 can have an at least partially ovoid contour by comprising a first portion 4a forming the body of the unitary magnet 4 having a larger section and extending over a greater length of l unitary magnet 4 that at least a second portion 4b of longitudinal end pointing towards an associated longitudinal end of unitary magnet 4 by decreasing in section as it approaches the longitudinal end.
  • the unit magnet 4 has an almost perfect ovoid shape with a first portion 4a and two second portions 4b of rounded end and of convex shape. As can be seen in FIG. 3c, the contact between two adjacent and ovoid unitary magnets 4 is substantially punctual or extends in a limited arc.
  • the unitary magnet 4 can have an at least partially ovoid external contour with the first portion 4a forming the body of the unitary magnet 4 having a larger section and extending over a greater length of the unitary magnet. 4 that said at least a second portion 4b.
  • the unitary magnet 4 can have at least a second portion 4b at at least one longitudinal end of the unitary magnet 4 as an extension of the first portion 4a. There may be two second portions 4b with a second portion 4b respectively at a longitudinal end of the unitary magnet 4.
  • the second portion (s) 4b can point towards an associated longitudinal end of the magnet by decreasing in section by approaching the longitudinal end.
  • the second portion (s) 4b of longitudinal end can be curved while being convex in shape.
  • the second portion (s) 4b of longitudinal end may terminate at their associated longitudinal end by a median facet 11 forming the longitudinal end.
  • this median facet 11 forming the longitudinal end is however curved and is only optional.
  • the second portion (s) 4b of the longitudinal end may include lateral facets inclined towards an axis of the unit magnet 4 by approaching the associated longitudinal end of the unit magnet 4.
  • the unit magnets 4 are directly adjacent to each other by being partially in contact.
  • the unit magnets 4 are glued by depositing glue.
  • the plurality of unit magnets 4 provides a mesh of magnets without interposing holding elements between them other than glue, the unit magnets 4 being in direct contact between adjacent magnets.
  • the first portion 4a and the second portion 4b for a unitary magnet are also shown in this figure 3c.
  • the unit magnets 4 are glued against each other without mesh between them.
  • the reference 5 designates the adhesive layer of the magnet structure 10 with the branches 3, this adhesive layer being shown enlarged to be more visible.
  • the adhesive can be a layer of composite, a bonding resin, advantageously thermosetting or thermoplastic.
  • the reference 6 designates a space filled with glue between two unit magnets 4, the glue between unit magnets 4 can be similar to the glue of the magnet structure 10 or of a large magnet between two branches 3.
  • Each structure d the magnet 10 between two adjacent branches 3 can also be embedded in a layer of composite, the rotor 1 also being embedded in a layer of composite in its entirety.
  • first layer of composite to surround the unitary magnets 4
  • second layer of composite to individually surround the magnet structures 10
  • third layer of composite to coat the rotor 1.
  • each magnet structure 10 can integrate at least one mesh having meshes each delimiting a housing for a respective unitary magnet 4.
  • Each housing can have sufficient internal dimensions sufficient to allow a unitary magnet 4 to be inserted into its interior while leaving a space between the housing and the unitary magnet 4 filled with a fiber-reinforced resin, the meshes being made of insulating material. fiber reinforced.
  • the hoop 8 can be made of glass fibers or carbon fibers.
  • the composite hoop 8 circumferentially surrounds the magnet structures 10 or the large magnets at an outer periphery of the rotor 1.
  • the hoop 8 contributes, if necessary, to the radial maintenance of the magnet structures 10 or large magnets size in addition to that guaranteed by the external composite coating layer.
  • the tapered points 3b of the branches 3 can be joined or not the hoop 8.
  • Cover discs can be arranged on each circular face of the rotor 1 to prevent axial movement of the magnet structures 10 or large magnets between two arms 3.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a rotor 1, in which the width I of each branch 3 at a point of its length extending radially from the external periphery of the hub 2 to the internal periphery of the hoop 8 at a known distance from the central axis 7 of rotation of the rotor 1 is determined from an evaluation of an admissible mechanical stress capable of being applied to the rotor 1, of a maximum admissible speed of rotation of the rotor 1 and mechanical resistance of the material of the branch.
  • a decrease in the width I of each branch 3 away from the hub 2 is obtained by selecting for each branch 3 a width I for each point of its length allowing an iso-stress to be obtained inside the branch 3.
  • FIG. 4 also referring to FIGS. 1 and 2, shows for example and without being limiting a curve giving the width I of a branch 3 in millimeters (mm) as a function of a distance from a point r taken in the length of the branch 3 relative to the central axis 7 of the rotor 1, r being expressed in millimeters (mm).
  • This curve is established for a rotational speed of the rotor 1 chosen arbitrarily of 1,400 revolutions per minute or rpm, another speed which can also be chosen, in particular a maximum permissible rotational speed of the rotor 1.
  • the width I of the branches 3 decreases more r therefore increases away from the central axis 7 of the rotor 1.
  • the distance from the point r to the central axis 7 of the rotor 1 is between the radius of the hub 2 referenced ri for internal radius and the internal radius of the hoop 8 equivalent to the external radius re of each magnet structure 10.
  • K being a constant varying according to a thickness of the hoop 8 and representative of the mechanical resistance of the material of the branch
  • p a density of the magnet structure 10
  • am an admissible mechanical stress capable of being applied to the rotor 1 and consequently on the branch
  • Q an opening angle of each magnet structure 10, W the maximum permissible speed of rotation of the rotor 1 and r the distance from the point of the length taken relative to the center of the rotor, as before mentionned.
  • the angle Q is visible in FIG. 2.
  • an external face 10b of the magnet structure 10 adjacent to the hoop 8 is of larger size than the inner face 10a of the magnet structure 10, which means that there is more magnet surface towards the outer periphery of the rotor 1 than towards the hub 2.
  • the invention finally relates to an electromagnetic motor or generator with axial flow comprising at least one such rotor 1, the electromagnetic motor or generator comprising at least one stator carrying at least one coil, the electromagnetic motor or generator comprising one or more air gaps between said at least one rotor 1 and said at least one stator.
  • the electromagnetic motor or generator may preferably comprise at least one rotor 1 associated with two stators.

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Abstract

L'invention concerne un rotor (1) d'un moteur ou d'une génératrice électromagnétique présentant un corps comportant un moyeu (2) interne concentrique à un axe central (7) de rotation du rotor (1), des branches (3) s'étendant radialement par rapport à l'axe central (7) de rotation à partir du moyeu (2) interne vers une frette (8) formant un pourtour externe circulaire du rotor (1), au moins un aimant (10) étant logé dans chaque espace délimité entre deux branches (3) adjacentes présentant une largeur décroissante en s'éloignant du moyeu (2) interne pour terminer par une pointe effilée (3b) contre la frette (8). Chaque aimant est sous la forme d'une structure d'aimant (10) constituée d'une pluralité d'aimants unitaires (4) solidarisés par un matériau isolant renforcé de fibres, chaque aimant unitaire (4) étant de forme allongée en s'étendant en direction axiale du rotor (1).

Description

« Rotor pour moteur ou génératrice électromagnétique avec branches effilées »
La présente invention concerne un rotor pour moteur ou génératrice électromagnétique à flux axial présentant un moyeu avantageusement agrandi d’où partent des branches effilées avec au moins une structure d’aimant entre deux branches adjacente. L’invention concerne aussi un moteur ou une génératrice électromagnétique équipé d’un tel rotor.
La présente invention trouve une application avantageuse mais non limitative pour un moteur électromagnétique délivrant une forte puissance avec une vitesse de rotation du rotor élevée, ce qui est obtenu par les caractéristiques spécifiques du rotor selon la présente invention. Un tel moteur peut être utilisé, par exemple, comme moteur électromagnétique dans un véhicule automobile totalement électrique ou hybride.
Avantageusement mais non limitativement, le moteur ou la génératrice électromagnétique peut comprendre au moins un rotor encadré par deux stators, ces éléments pouvant se superposer les uns par rapport aux autres en étant séparés par au moins un entrefer sur un même arbre.
Dans des applications à haute vitesse, il est nécessaire d’avoir une très bonne tenue mécanique de la partie tournante, c’est-à-dire le rotor, afin d’améliorer la fiabilité du système.
Pour une machine électromagnétique à flux axial, le rotor comporte un corps sous forme d’un support discoïdal pour des aimants présentant deux faces circulaires reliées par une épaisseur, le disque étant délimité entre une couronne externe formée par une frette et une périphérie interne délimitant un évidement pour un arbre de rotation.
Les aimants sont chacun maintenus dans le support discoïdal par des moyens de maintien, un intervalle étant laissé entre les aimants.
Les moteurs à flux axial sont souvent utilisés comme moteur ayant des couples massiques supérieurs aux moteurs à flux radial. Ils peuvent donc être utilisés dans des applications à basse vitesse.
Pour les applications à haute vitesse, la conception du rotor dans un moteur à flux axial est plus délicate car les forces dues aux effets centrifuges entraînent des contraintes mécaniques assez importantes dans le rotor. Par ailleurs, les pertes par courant de Foucault deviennent prépondérantes à la fois dans les aimants et également dans la partie rotorique lorsque celle-ci est réalisée avec des matériaux conducteurs de l’électricité.
Pour un rotor qui doit tourner à des vitesses de rotation élevées, le principal désavantage d’un moteur à forte vitesse de rotation réside dans la probabilité élevée de détachement de l’aimant ou des aimants du rotor ainsi que de casse au moins partielle du rotor. Le rotor d’un tel moteur doit donc être apte à supporter des vitesses de rotation élevées.
L’état de la technique pousse l’homme du métier à rigidifier le support discoïdal de l’aimant ou des aimants pour combattre la force centrifuge. Ceci requiert un matériau spécifique pour le support discoïdal et d’augmenter son encombrement en l’épaississant afin que le support discoïdal soit plus rigide.
Ceci n’a pas donné entière satisfaction car le moteur ou la génératrice ainsi doté d’un support discoïdal a un poids plus élevé de même qu’un prix de fabrication augmenté.
Une solution peut être de réaliser des maillages d’aimants unitaires allongés dans des structures fibreuses et résinées, de manière à réduire les courants de Foucault et d’utiliser un corps en matériau composite pour le rotor qui ne conduise pas l’électricité, idéalement un rotor en fibre de verre, avec une frette placée à la périphérie du rotor de manière à maintenir les forces dues aux effets centrifuges.
Cependant, pour des applications où les vitesses deviennent très importantes, les contraintes mécaniques deviennent telles qu’il faut diminuer la masse d’aimant en vue d’accéder à ces vitesses de rotation. Or, le couple que doit fournir une machine électrique est proportionnel à la surface d’aimants en interaction avec les champs magnétiques produits par les stators. Une diminution de la surface d’aimants entraîne donc une diminution du couple et donc de la puissance de la machine.
Le document EP-A-0 353 042, représentant l’état de la technique le plus proche, décrit un rotor d’un moteur ou d’une génératrice électromagnétique présentant un corps comportant un moyeu interne concentrique à un axe central de rotation du rotor, des branches s’étendant radialement par rapport à l’axe central de rotation à partir du moyeu interne vers une frette formant un pourtour externe circulaire du rotor, au moins un aimant étant logé dans chaque espace délimité entre deux branches adjacentes, chaque branche présentant une largeur décroissante en s’éloignant du moyeu interne pour terminer par une pointe effilée contre la frette, chaque aimant présentant une largeur croissante en s’éloignant du moyeu interne pour terminer contre la frette entourant le rotor.
Le document EP-A-2 773 023 décrit un rotor avec les caractéristiques précédemment énoncées sans mentionner des branches effilées.
L’enseignement de ces deux documents ne permet pas un support des multiples aimants permanents qui puisse, d’une part, maintenir les aimants permanents que le rotor supporte de manière efficace en évitant aux aimants de se détacher du rotor tout en compensant la force centrifuge de manière efficace et, d’autre part, présenter une résistance mécanique telle que le rotor puisse tourner à des vitesses très élevées.
De plus, une disposition d’aimants unitaires indépendants les uns des autres présente le grand désavantage d’être sensible aux harmoniques d’espace ou de courants générés par les bobinages statoriques. Par conséquent, les pertes générées dans les structures d’aimants sont très élevées et les rendements, particulièrement à haute vitesse, sont diminués.
Le document FR-A-1 475 501 ne décrit pas un rotor mais seulement une structure d’aimant comprenant plusieurs aimants unitaires sans préciser une application pour cette structure d’aimant et suggérer que les désavantages des deux documents précités puissent être annihilés par l’utilisation d’une telle structure d’aimant à plusieurs aimants unitaires, étant donné qu’une utilisation d’une telle structure d’aimant pour un rotor n’est pas évoquée dans ce document.
Le problème à la base de la présente invention est de concevoir un rotor pour le support de plusieurs aimants permanents muni d’une frette pour une machine électromagnétique à flux axial qui puisse, d’une part, maintenir les aimants permanents que le rotor supporte de manière efficace en évitant aux aimants de se détacher du rotor tout en compensant la force centrifuge de manière efficace et, d’autre part, présenter une résistance mécanique telle que le rotor puisse tourner à des vitesses très élevées.
A cet effet la présente invention concerne un rotor d’un moteur ou d’une génératrice électromagnétique présentant un corps comportant un moyeu interne concentrique à un axe central de rotation du rotor, des branches s’étendant radialement par rapport à l’axe central de rotation à partir du moyeu interne vers une frette formant un pourtour externe circulaire du rotor, au moins un aimant étant logé dans chaque espace délimité entre deux branches adjacentes, chaque branche présentant une largeur décroissante en s’éloignant du moyeu interne pour terminer par une pointe effilée contre la frette, chaque aimant présentant une largeur croissante en s’éloignant du moyeu interne pour terminer contre la frette entourant le rotor, caractérisé en ce que chaque aimant est sous la forme d’une structure d’aimant constituée d’une pluralité d’aimants unitaires solidarisés par un matériau isolant renforcé de fibres, chaque aimant unitaire étant de forme allongée en s’étendant en direction axiale du rotor.
La configuration du rotor selon la présente invention repose sur la constatation que les contraintes maximales s’appliquant à très haute vitesse sur un rotor se font au niveau du moyeu entourant l’axe de rotation médian du rotor. Il convient donc de solidifier cette portion interne du rotor. Cela se fait au détriment des aimants placés dans cette zone qui doivent être remplacés par un moyeu élargi. Il convient aussi d’équiper le rotor de branches relativement épaisses au moins au niveau de leur raccordement avec le moyeu. Or, plus on épaissit la forme des branches et moins on met d’aimants.
L’idée majeure à la base de la présente invention est que les branches n’ont besoin d’être épaissies essentiellement qu’à leur raccord avec le moyeu, les contraintes exercées sur le rotor diminuant plus on s’éloigne du centre du rotor.
Pour des applications où les vitesses linéaires deviennent très importantes, typiquement à partir de 160 mètre par seconde ou 180 mètre par seconde, les contraintes mécaniques deviennent telles qu’il faut diminuer la masse d’aimant en vue d’accéder à ces vitesses de rotation. Ceci présente le grand désavantage que le couple que doit fournir une machine électrique est proportionnel à la surface d’aimants en interaction avec les champs magnétiques produits par les stators. Une diminution de la surface d’aimants entraîne donc une diminution du couple et donc de la puissance de la machine. II existe ainsi un fort préjugé à augmenter la largeur des branches au niveau de la périphérie externe du moyeu, notamment quand le rayon du moyeu est aussi augmenté.
La demanderesse a pris conscience que, dans le cas d’une machine à flux axial, le couple est proportionnel au cube du rayon du rotor. Par conséquent, il est plus astucieux d’ajouter de la surface d’aimants à la périphérie du rotor que dans des portions plus internes du rotor. D’où une absence d’aimant à proximité de l’axe de rotation peut être aisément compensée par un ajout d’aimant en périphérie du rotor, ce qui peut être obtenue par des configurations de branches diminuant de largeur plus on s’éloigne du centre du rotor jusqu’à n’être que des pointes effilées d’une largeur voisine de zéro.
Il est donc souhaitable d’augmenter la surface de la section des branches du rotor au niveau de leur raccordement avec le moyeu et de diminuer cette section progressivement en vue d’augmenter la section des surfaces d’aimants pour maintenir un couple moteur important.
Ceci n’avait jamais été envisagé par l’état de la technique qui n’utilisait que des branches de largeur constante et des moyeux de rayon faible pour laisser la place à des aimants. Il existait donc un fort préjugé à réduire la distribution des aimants sur le rotor pour augmenter la résistance mécanique du rotor et l’état de la technique s’orientait vers d’autre solutions comme une augmentation en direction axiale des branches et du moyeu, ce qui augmentait le poids du rotor sans avoir un grand effet bénéfique sur sa résistance.
Une autre synergie procurée par la présente invention est que le rotor peut présenter entre chaque branche des aimants unitaires regroupés dans une structure d’aimant. Chaque structure d’aimant en trois dimensions est constituée d’une pluralité d’aimants unitaires.
Ceci permet d’avoir une structure d’aimant présentant de nombreux aimants unitaires. Il s’est révélé qu’une structure avec une telle pluralité d’aimants unitaires avait un grand pouvoir de ne pas être sensible aux harmoniques d’espace ou de courants générés par les bobinages statoriques. Par conséquent, les pertes générées dans les structures d’aimants sont très faibles, et les rendements, particulièrement à haute vitesse, sont très élevés. Une telle structure d’aimant peut former un pôle d’aimant ou être un aimant complet.
Une des mesures de la présente invention est de décomposer une structure d’aimant pouvant être un aimant entier ou un pôle magnétique selon l’état de la technique en une pluralité de petits ou micro-aimants. Un gros aimant est sujet à des pertes par courants de Foucault plus importantes que son équivalent en petits ou micro-aimants. L’utilisation de petits aimants ou de micro-aimants permet donc de réduire ces pertes qui sont préjudiciables au fonctionnement de l’actionneur électromagnétique.
Il est connu que, pour obtenir un champ magnétique d'intensité optimale, le volume idéal d'un aimant doit s'approcher d’un cube ou d'un cylindre dont la longueur est égale au diamètre. Il est de connaissance courante qu’augmenter la longueur d'un aimant au-delà n'apporte aucune augmentation du champ magnétique. La démarche de la présente invention va cependant dans le sens contraire de ce préjugé.
La longueur d’un aimant unitaire est sensiblement augmentée par rapport au diamètre ou à une diagonale de sa face longitudinale plane par rapport à ce que la pratique largement répandue, ceci essentiellement pour répondre à des besoins de résistance mécanique de la structure, ce qui est le but principal de la présente invention.
La demanderesse a découvert qu’une pluralité d’aimants unitaires dans une structure d’aimant donne une structure d’aimant présentant une résistance mécanique beaucoup plus importante tout en gardant des propriétés magnétiques quasi similaires à celles d’un aimant seul ayant une surface égale à n fois la surface élémentaire des n aimants unitaires quand n aimants unitaires sont présents.
Avantageusement, la pointe effilée de chaque branche est au moins deux fois moins large qu’une base de la branche reliée au moyeu interne.
Avantageusement, les bases de deux branches adjacentes sont séparées par une portion intermédiaire du moyeu interne, la portion intermédiaire étant de forme concave arrondie en direction de l’axe du rotor, le moyeu interne présentant un rayon égal à au moins un quart d’un rayon du rotor.
Les courbures vers l’intérieur des portions intermédiaires entre branches permettent de diminuer les contraintes mécaniques au niveau de la section la plus épaisse des branches prenant appui sur la périphérie externe du moyeu.
Avantageusement, le moyeu et les branches sont en fibres de verre coulées dans de la résine. Ces fibres de renforcement concourent à augmenter la résistance de la structure d’aimant et notamment la rigidité à la flexion et au flambement.
Avantageusement, le moyeu et les branches sont d’un seul tenant. Ceci accroît la résistance mécanique de l’ensemble et en conséquence du rotor. Avantageusement, chaque aimant unitaire de la pluralité d’aimants unitaires est de forme polygonale ou chaque aimant unitaire présente un contour au moins partiellement ovoïde en comportant une première portion formant corps de l’aimant unitaire présentant une plus grande section et s’étendant sur une plus grande longueur de l’aimant unitaire qu’au moins une deuxième portion d’extrémité longitudinale pointant vers une extrémité longitudinale associée de l’aimant en diminuant de section en se rapprochant de l’extrémité longitudinale.
Les aimants ovoïdes peuvent présenter des facettes. On obtient ainsi comme aimants unitaires des " cristaux" associés entre eux qui ne sont pas liés sur toute la surface de facettes ou de faces longitudinales mais des couches de résine et de colle viennent construire un réseau maillé aux extrémités des plots poly-facettes avec des zones de contact entre aimants limitées.
En alternative, pour des aimants unitaires de forme ovoïde parfaite avec une première portion arrondie, le contact entre deux aimants unitaires adjacents est plus réduit en ne pouvant n’être que ponctuel et correspond sensiblement à un arc de cercle de dimension réduite entre les deux aimants unitaires. Il peut être creusé une strie à la dimension de l’arc de cercle de contact entre deux aimants unitaires adjacents pour recevoir de la colle, avantageusement sous forme de résine.
Avantageusement, chaque structure d’aimant intègre au moins un maillage présentant des mailles délimitant chacune un logement pour un aimant unitaire respectif, chaque logement présentant des dimensions internes justes suffisantes pour permettre une introduction d’un aimant unitaire en son intérieur tout en laissant un espace entre le logement et l’aimant unitaire rempli par une résine renforcée de fibres, les mailles étant en matériau isolant renforcé de fibres.
Le maillage reste en place en pouvant être aussi enrobé dans une couche de composite. Un tel maillage permet de maintenir des aimants unitaires lors de la fabrication de la structure d’aimant et présente l’avantage de représenter un élément de solidification supplémentaire de la structure d’aimant, le maillage pouvant contenir aussi des fibres de renforcement.
Par exemple, un maillage en nid d’abeille est connu pour renforcer la résistance d’un élément, dans ce cas une structure d’aimant. Les aimants unitaires sont insérés dans des logements hexagonaux qui assurent leur maintien. Les parois des logements servent d’isolant électrique et la densité des logements dans la structure d’aimant peut être considérablement augmentée. Le maillage en nid d’abeille peut être en matériau composite isolant renforcé de fibres.
Avantageusement, la frette est en fibres de verre ou en fibres de carbone. La frette en composite entoure circonférentiel lement les aimants de grande taille ou les structures d’aimant à une périphérie extérieure du rotor. La frette concourt, si besoin est, au maintien radial des aimants en supplément de celui garanti par la couche externe d’enrobage en composite. Les pointes effilées des branches peuvent être solidarisées ou non la frette.
Avantageusement, structure d’aimant entre deux branches adjacentes est noyé dans une couche de composite, le rotor étant aussi enrobé dans une couche de composite.
Avantageusement, des disques de recouvrement sont disposés sur chaque face circulaire du rotor.
Ceci vaut principalement mais pas uniquement pour des structures d’aimant comportant une pluralité d’aimants unitaires. Les aimants de grande taille utilisés pour le rotor selon l’état de la technique dissipaient une grande quantité de chaleur. Cette dissipation empêchait d’utiliser des moyens de maintien axial sous forme de disques de recouvrement en composite et la dissipation de chaleur pouvait avoir des conséquences sur la tenue de l’enrobage avec un vieillissement accéléré de cet enrobage ainsi que des aimants.
Les disques de recouvrement en composite n’étaient pas fréquemment utilisés dans l’état de la technique car ne résistant pas à la dissipation de chaleur engendrée par les aimants.
Comme la présente invention utilise de préférence une multitude d’aimants unitaires remplaçant un aimant compact de l’état de la technique, la dissipation de chaleur est moindre et des disques de recouvrement peuvent être utilisés comme moyens de maintien axial, ces disques remplaçant avantageusement des moyens de maintien axial entre aimants et corps du rotor, nécessitant le cas échéant des modifications des aimants ou de leur enrobage pour réaliser des moyens complémentaires de fixation avec des moyens de fixation portés par le rotor. L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’un tel rotor, dans lequel la largeur de chaque branche en un point de sa longueur s’étendant radialement de la périphérie externe du moyeu à la périphérie interne de la frette est déterminée à partir d’une évaluation d’une contrainte mécanique admissible susceptible d’être appliquée au rotor, d’une vitesse maximale admissible de rotation du rotor et d’une résistance mécanique du matériau de la branche, une décroissance de la largeur de chaque branche en éloignement du moyeu étant obtenue en sélectionnant pour chaque branche une largeur pour chaque point de sa longueur permettant d’obtenir une iso-contrainte à l’intérieur de la branche.
Sans que cela soit limitatif, la contrainte maximale s’exerçant sur une branche vers son extrémité raccordée au moyeu peut être évaluée à 120 méga Pascals. L’obtention de cette iso-contrainte permet de minimiser la largeur de la branche et donc de mettre davantage de surface d’aimants de grande taille ou de structures d’aimant, donc dans ce dernier cas plus d’aimants unitaires, ce qui permet d’obtenir plus de couple et de plus que compenser la perte de surface d’aimant vers le moyeu.
Avantageusement, la largeur I de chaque branche en un point de sa longueur s’étendant radialement est donnée par l’équation suivante :
Figure imgf000011_0001
K étant une constante variant selon une épaisseur de la frette et représentative de la résistance mécanique du matériau de la branche, p une masse volumique de la structure d’aimant, am une contrainte mécanique admissible susceptible d’être appliquée sur le rotor et en conséquence sur la branche, Q un angle d’ouverture de chaque structure d’aimant, W la vitesse de rotation maximale admissible du rotor et r la distance du point de la longueur prise par rapport au centre du rotor.
L’invention concerne enfin un moteur ou une génératrice électromagnétique à flux axial caractérisé en ce qu’il comprend au moins un tel rotor, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant au moins un stator portant au moins un bobinage, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant un ou plusieurs entrefers entre ledit au moins un rotor et ledit au moins un stator. Avantageusement, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprend au moins un rotor associé à deux stators.
D’autres 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 :
- la figure 1 est une représentation schématique d’une vue de face d’un rotor destiné à une machine électromagnétique à flux axial selon une première forme de réalisation de la présente invention, des structures d’aimants composées d’aimants unitaires étant insérées chacune entre deux branches adjacentes d’un support discoïdal des aimants, les branches présentant une largeur diminuant en éloignement du moyeu du rotor,
- la figure 2 est une représentation schématique agrandie d’une portion de rotor montrée à la figure 1 ,
- les figures 3a, 3b et 3c sont des représentations schématiques pour les figures 3a et 3b d’une forme de réalisation respective d’un aimant unitaire de forme ovoïde et pour la figure 3c d’une structure d’aimant comprenant des aimants unitaires ovoïdes, quatre aimants unitaires ovoïdes étant montrés espacés de la structure d’aimant,
- la figure 4 montre une courbe de largeur de branche d’un rotor selon la présente invention en fonction d’un point se trouvant à une distance r de l’axe central de rotation du rotor, la branche présentant une largeur diminuant en éloignement de l’axe central de rotation du rotor.
Les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l’invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions des différentes pièces ne sont pas représentatives de la réalité.
Dans ce qui va suivre une seule branche 3, une seule base 3a et une seule pointe effilée 3b de la branche 3 sont référencées pour toutes les branches aux figures 1 et 2. Il en va de même pour une seule structure d’aimant référencée 10 avec des faces interne 10a et externe 40b, une portion intermédiaire 9 entre deux branches pour toutes les portions intermédiaires. A la figure 2, un seul aimant unitaire 4 est référencé pour tous les aimants unitaires de même qu’une seule couche de colle 6 entre aimants unitaires et une seule couche externe 5 enveloppant une structure d’aimant 10.
Tout ce qui est énoncé pour un de ces éléments référencés s’applique à tous les éléments similaires non référencés.
En se référant à toutes les figures et plus particulièrement aux figures 1 et 2, ces figures montrent respectivement un rotor 1 et un agrandissement d’une portion d’un rotor 1 selon la présente invention avec deux branches 3 intercalant entre elles une structure d’aimant 10 composée de plusieurs aimants unitaires 4 polygonaux.
Ceci n’est pas limitatif et un aimant unique de grande taille peut être intercalé entre deux branches 3, cet aimant unique de grande taille n’étant pas à confondre avec les aimants unitaires 4 d’une structure d’aimant 10 visibles et référencés à la figure 2.
Un tel rotor 1 sert dans un moteur ou une génératrice électromagnétique, avantageusement à flux axial. Le rotor 1 , avantageusement sensiblement circulaire, présente un corps comportant un moyeu 2 interne concentrique à un axe central 7 de rotation du rotor 1 ou axe médian longitudinal du rotor 1. Des branches 3 s’étendent radialement dans le rotor 1 par rapport à l’axe central 7 de rotation à partir du moyeu 2 interne vers une frette 8 formant un pourtour externe circulaire du rotor 1.
Au moins une structure d’aimant 10 comprenant une pluralité d’aimants unitaires 4 de petite taille est logée dans chaque espace délimité entre deux branches 3 adjacentes.
Selon la présente invention, chaque branche 3 présente une largeur I, visible aux figures 1 et 4, décroissante en s’éloignant du moyeu 2 interne pour terminer par une pointe effilée 3b contre la frette 8. La largeur I est montrée pour la plus grande largeur d’une branche 3 à la figure 1 , c’est-à-dire à la base 3a de cette branche 3a raccordée au moyeu 2.
Chaque structure d’aimant 10 présente une largeur la croissante en s’éloignant du moyeu 2 interne pour terminer contre la frette 8 entourant le rotor 1. C’est la plus grande largeur de la structure d’aimant 10 qui illustre la largeur la à la figure 1.
La place perdue pour les aimants en augmentant la largeur I des branches 3 vers leur portion d’extrémité ou base 3a en vis-à-vis du moyeu 2 et, le cas échéant, en augmentant aussi le rayon du moyeu 2 est rattrapée sur les portions d’extrémité périphérique du rotor 1. Le fait de placer chaque structure d’aimant 10 avec leur plus grande largeur la orientée vers la périphérie externe du rotor 1 permet d’augmenter les parties d’aimant placées à la périphérie du rotor 1 et donc d’augmenter la surface totale d’aimantation.
Toujours en se référant aux figures 1 et 2, la pointe effilée 3b de chaque branche 3 peut être au moins de deux à quatre fois moins large qu’une base 3a de la branche 3 reliée au moyeu 2 interne.
Comme il peut être le mieux vu à la figure 2 pour une seule base 3a, les bases 3a de deux branches 3 adjacentes peuvent être séparées par une portion intermédiaire 9 du moyeu 2 interne. Cette portion intermédiaire 9 peut être de forme concave arrondie en direction de l’axe du rotor 1. De même, en alternative ou en association, en se référant notamment à la figure 1 , le moyeu 2 interne peut présenter un rayon ri égal à au moins un quart d’un rayon du rotor 1 , ce qui en fait un moyeu 2 plus grand qu’un moyeu 2 de l’état de la technique. Le rayon du rotor est égal au rayon re d’une branche 3 auquel rayon re il est ajouté une épaisseur de frette 8.
Le moyeu 2 et les branches 3 peuvent être en fibres de verre coulées dans de la résine. Des fibres en plastique résistant peuvent aussi être utilisées afin d’augmenter la résistance du rotor 1 et notamment la rigidité à la flexion et au flambement.
Pour solidifier le rotor 1 , le rotor 1 et les branches 3 peuvent être d’un seul tenant. Les branches 3 peuvent être solidarisées ou non à la frette 8 par leur extrémité effilée 3b.
En se référant aux figures 1 , 2, 3a à 3c, chaque structure d’aimant 10 peut être constituée d’une pluralité d’aimants unitaires 4 solidarisés par un matériau isolant renforcé de fibres, chaque aimant unitaire 4 étant de forme allongée en s’étendant en direction axiale du rotor 1. Les aimants unitaires 4 dont un seul est référencé par figure ne sont pas à confondre avec les structures d’aimant 10 ni avec des aimants de grande taille non représentés aux figures.
Il s’ensuit que chaque structure d’aimant 10 peut être en trois dimensions et constituée d’une pluralité d’aimants unitaires 4.
Aux figures 1 et 2, chaque aimant unitaire 4 de la pluralité d’aimants unitaires 4 est de forme polygonale. Aux figures 3a, 3b et 3c, chaque aimant unitaire 4 peut présenter un contour au moins partiellement ovoïde en comportant une première portion 4a formant corps de l’aimant unitaire 4 présentant une plus grande section et s’étendant sur une plus grande longueur de l’aimant unitaire 4 qu’au moins une deuxième portion 4b d’extrémité longitudinale pointant vers une extrémité longitudinale associée de l’aimant unitaire 4 en diminuant de section en se rapprochant de l’extrémité longitudinale.
A la figure 3a, l’aimant unitaire 4 présente une forme ovoïde presque parfaite avec une première portion 4a et deux deuxièmes portions 4b d’extrémité arrondies et de forme convexe. Comme il peut être vu à la figure 3c, le contact entre deux aimants unitaires 4 adjacents et ovoïdes est sensiblement ponctuel ou s’étend selon un arc de cercle limité.
Dans ce cas, l’aimant unitaire 4 peut présenter un contour extérieur au moins partiellement ovoïde avec la première portion 4a formant corps de l’aimant unitaire 4 présentant une plus grande section et s’étendant sur une plus grande longueur de l’aimant unitaire 4 que ladite au moins une deuxième portion 4b.
A la figure 3b, l’aimant unitaire 4 peut présenter au moins une deuxième portion 4b à au moins une extrémité longitudinale de l’aimant unitaire 4 en prolongement de la première portion 4a. Il peut y avoir deux deuxièmes portions 4b avec une deuxième portion 4b respectivement à une extrémité longitudinale de l’aimant unitaire 4.
La ou les deuxièmes portions 4b peuvent pointer vers une extrémité longitudinale associée de l’aimant en diminuant de section en se rapprochant de l’extrémité longitudinale.
Comme montré à la figure 3b, la ou les deuxièmes portions 4b d’extrémité longitudinale peuvent être bombées en étant de forme convexe. La ou les deuxièmes portions 4b d’extrémité longitudinale peuvent se terminer à leur extrémité longitudinale associée par une facette médiane 11 formant l’extrémité longitudinale. A la figure 3b, pour la forme ovoïde, cette facette médiane 11 formant l’extrémité longitudinale est cependant bombée et n’est qu’optionnelle.
A cette figure 3b, la ou les deuxièmes portions 4b d’extrémité longitudinale peuvent comprendre des facettes latérales inclinées vers un axe longitudinal de l’aimant unitaire 4 en s’approchant de l’extrémité longitudinale associée de l’aimant unitaire 4.
Comme montré à la figure 3c, dans une structure d’aimant 10, les aimants unitaires 4 sont directement adjacents les uns aux autres en étant partiellement en contact. Les aimants unitaires 4 sont collés par dépôt de colle. La pluralité d’aimants unitaires 4 réalise un maillage d’aimants sans interposition d’éléments de maintien entre eux autres que la colle, les aimants unitaires 4 étant en contact direct entre aimants adjacents. La première portion 4a et la deuxième portion 4b pour un aimant unitaire sont aussi montrées à cette figure 3c.
A la figure 2, les aimants unitaires 4 sont collés les uns contre les autres sans maillage entre eux. Il en va de même pour la figure 3c. A la figure 2, la référence 5 désigne la couche de colle de la structure d’aimant 10 avec les branches 3, cette couche de colle étant montrée agrandie pour être plus visible. La colle peut être une couche de composite, une résine de collage, avantageusement thermodurcissable ou thermoplastique.
La référence 6 désigne un espacement rempli de colle entre deux aimants unitaires 4, la colle entre aimants unitaires 4 pouvant être similaire à la colle de la structure d’aimant 10 ou d’un aimant de grande taille entre deux branches 3. Chaque structure d’aimant 10 entre deux branches 3 adjacentes peut aussi être noyé dans une couche de composite, le rotor 1 étant aussi enrobé dans une couche de composite dans son entité.
Il peut donc y avoir superposition d’une première couche de composite pour entourer les aimants unitaires 4, d’une deuxième couche de composite pour entourer individuellement les structures d’aimant 10 et d’une troisième couche de composite pour enrober le rotor 1.
Comme non montré aux figures mais en se servant des références qui sont déjà indiquées aux figures pour des éléments similaires, chaque structure d’aimant 10 peut intégrer au moins un maillage présentant des mailles délimitant chacune un logement pour un aimant unitaire 4 respectif. Chaque logement peut présenter des dimensions internes justes suffisantes pour permettre une introduction d’un aimant unitaire 4 en son intérieur tout en laissant un espace entre le logement et l’aimant unitaire 4 rempli par une résine renforcée de fibres, les mailles étant en matériau isolant renforcé de fibres. La frette 8 peut être en fibres de verre ou en fibres de carbone. La frette 8 en composite entoure circonférentiellement les structures d’aimant 10 ou les aimants de grande taille à une périphérie extérieure du rotor 1. La frette 8 concourt, si besoin est, au maintien radial des structures d’aimant 10 ou des aimants de grande taille en complément de celui garanti par la couche externe d’enrobage en composite. Les pointes effilées 3b des branches 3 peuvent être solidarisées ou non la frette 8.
Des disques de recouvrement, non montrés aux figures, peuvent être disposés sur chaque face circulaire du rotor 1 pour empêcher un mouvement axial des structures d’aimant 10 ou des aimants de grande taille entre deux branches 3.
L’invention concerne aussi un procédé de fabrication d’un tel rotor 1 , dans lequel la largeur I de chaque branche 3 en un point de sa longueur s’étendant radialement de la périphérie externe du moyeu 2 à la périphérie interne de la frette 8 à un distance connue de l’axe central 7 de rotation du rotor 1 est déterminée à partir d’une évaluation d’une contrainte mécanique admissible susceptible d’être appliquée au rotor 1 , d’une vitesse maximale admissible de rotation du rotor 1 et d’une résistance mécanique du matériau de la branche.
Une décroissance de la largeur I de chaque branche 3 en éloignement du moyeu 2 est obtenue en sélectionnant pour chaque branche 3 une largeur I pour chaque point de sa longueur permettant d’obtenir une iso-contrainte à l’intérieur de la branche 3.
La figure 4, en se référant aussi aux figures 1 et 2, montre par exemple et sans que cela soit limitatif une courbe donnant la largeur I d’une branche 3 en millimètres (mm) en fonction d’une distance d’un point r pris dans la longueur de la branche 3 par rapport à l’axe central 7 du rotor 1 , r étant exprimé en millimètres (mm). Cette courbe est établie pour une vitesse de rotation du rotor 1 choisie arbitrairement de 1.400 tours par minute ou rpm, une autre vitesse pouvant aussi être choisie, notamment une vitesse de rotation maximale admissible du rotor 1.
Il est visible que la largeur I des branches 3 décroît plus r augmente donc en éloignement de l’axe central 7 du rotor 1. Comme il est visible aux figures 1 et 2, pour lesquelles deux points r différents sont montrés, la distance du point r à l’axe central 7 du rotor 1 est comprise entre le rayon du moyeu 2 référencé ri pour rayon interne et le rayon interne de la frette 8 équivalent au rayon externe re de chaque structure d’aimant 10.
Avantageusement, la largeur I de chaque branche en un point de sa longueur s’étendant radialement est donnée par l’équation suivante :
Figure imgf000018_0001
K étant une constante variant selon une épaisseur de la frette 8 et représentative de la résistance mécanique du matériau de la branche, p une masse volumique de la structure d’aimant 10, am une contrainte mécanique admissible susceptible d’être appliquée sur le rotor 1 et en conséquence sur la branche, Q un angle d’ouverture de chaque structure d’aimant 10, W la vitesse de rotation maximale admissible du rotor 1 et r la distance du point de la longueur prise par rapport au centre du rotor, comme précédemment mentionné.
L’angle Q est visible à la figure 2. A cette figure 2 et aussi à la figure 1 , il est visible qu’une face externe 10b de la structure d’aimant 10 adjacente à la frette 8 est de dimension plus importante que la face interne 10a de la structure d’aimant 10, ce qui fait qu’il y a plus de surface d’aimant vers la périphérie externe du rotor 1 que vers le moyeu 2.
L’invention concerne enfin un moteur ou une génératrice électromagnétique à flux axial comprenant au moins un tel rotor 1 , le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant au moins un stator portant au moins un bobinage, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant un ou plusieurs entrefers entre ledit au moins un rotor 1 et ledit au moins un stator.
Le moteur ou la génératrice électromagnétique peut comprendre de préférence au moins un rotor 1 associé à deux stators.

Claims

REVENDICATIONS
1. Rotor (1 ) d’un moteur ou d’une génératrice électromagnétique présentant un corps comportant un moyeu (2) interne concentrique à un axe central (7) de rotation du rotor (1 ), des branches (3) s’étendant radialement par rapport à l’axe central (7) de rotation à partir du moyeu (2) interne vers une frette (8) formant un pourtour externe circulaire du rotor (1 ), au moins un aimant étant logé dans chaque espace délimité entre deux branches (3) adjacentes, chaque branche (3) présentant une largeur (I) décroissante en s’éloignant du moyeu (2) interne pour terminer par une pointe effilée (3b) contre la frette (8), chaque aimant (10) présentant une largeur croissante (la) en s’éloignant du moyeu (2) interne pour terminer contre la frette (8) entourant le rotor (1 ), caractérisé en ce que chaque aimant est sous la forme d’une structure d’aimant (10) constituée d’une pluralité d’aimants unitaires (4) solidarisés par un matériau isolant renforcé de fibres, chaque aimant unitaire (4) étant de forme allongée en s’étendant en direction axiale du rotor (1 ).
2. Rotor (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel la pointe effilée (3b) de chaque branche (3) est au moins deux fois moins large qu’une base (3a) de la branche (3) reliée au moyeu (2) interne.
3. Rotor (1 ) selon la revendication 2, dans lequel les bases (3a) de deux branches (3) adjacentes sont séparées par une portion intermédiaire (9) du moyeu (2) interne, la portion intermédiaire (9) étant de forme concave arrondie en direction de l’axe du rotor (1 ), le moyeu (2) interne présentant un rayon (ri) égal à au moins un quart d’un rayon du rotor (1 ).
4. Rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyeu (2) et les branches (3) sont en fibres de verre coulées dans de la résine.
5. Rotor (1 ) selon la revendication précédente, dans lequel le moyeu (2) et les branches (3) sont d’un seul tenant.
6. Rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque aimant unitaire (4) de la pluralité d’aimants unitaires (4) est de forme polygonale ou chaque aimant unitaire (4) présente un contour au moins partiellement ovoïde en comportant une première portion (4a) formant corps de l’aimant unitaire (4) présentant une plus grande section et s’étendant sur une plus grande longueur de l’aimant unitaire (4) qu’au moins une deuxième portion d’extrémité longitudinale (4b) pointant vers une extrémité longitudinale associée de l’aimant unitaire (4) en diminuant de section en se rapprochant de l’extrémité longitudinale.
7. Rotor (1 ) selon l’une quelconque l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque structure d’aimant (10) intègre au moins un maillage présentant des mailles délimitant chacune un logement pour un aimant unitaire (4) respectif, chaque logement présentant des dimensions internes justes suffisantes pour permettre une introduction d’un aimant unitaire (4) en son intérieur tout en laissant un espace entre le logement et l’aimant unitaire (4) rempli par une résine renforcée de fibres, les mailles étant en matériau isolant renforcé de fibres.
8. Rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque structure d’aimant (10) entre deux branches (3) adjacentes est noyé dans une couche de composite, le rotor (1 ) étant aussi enrobé dans une couche de composite.
9. Rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des disques de recouvrement sont disposés sur chaque face circulaire du rotor (1 ).
10. Procédé de fabrication d’un rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la largeur (I) de chaque branche (3) en un point de sa longueur s’étendant radialement de la périphérie externe du moyeu (2) à la périphérie interne de la frette (8) est déterminée à partir d’une évaluation d’une contrainte mécanique admissible susceptible d’être appliquée au rotor (1 ), d’une vitesse maximale admissible de rotation du rotor (1 ) et d’une résistance mécanique du matériau de la branche (3), une décroissance de la largeur (I) de chaque branche (3) en éloignement du moyeu (2) étant obtenue en sélectionnant pour chaque branche (3) une largeur (I) pour chaque point de sa longueur permettant d’obtenir une iso- contrainte à l’intérieur de la branche (3).
11. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la largeur I de chaque branche en un point de sa longueur s’étendant radialement est donnée par l’équation suivante :
Figure imgf000021_0001
K étant une constante variant selon une épaisseur de la frette (8) et représentative de la résistance mécanique du matériau de la branche, p une masse volumique de la structure d’aimant (10), am une contrainte mécanique admissible susceptible d’être appliquée sur le rotor (1 ) et en conséquence sur la branche (3), Q un angle d’ouverture de chaque structure d’aimant (10), W la vitesse de rotation maximale admissible du rotor (1 ) et r la distance du point de la longueur prise par rapport au centre du rotor.
12. Moteur ou génératrice électromagnétique à flux axial caractérisé en ce qu’il comprend au moins un rotor (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant au moins un stator portant au moins un bobinage, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant un ou plusieurs entrefers entre ledit au moins un rotor (1 ) et ledit au moins un stator.
13. Moteur ou génératrice électromagnétique selon la revendication précédente, lequel comprend au moins un rotor (1 ) associé à deux stators.
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