WO2022003190A1 - Machine électrique synchrone équipée d'un commutateur mécanique - Google Patents

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WO2022003190A1
WO2022003190A1 PCT/EP2021/068412 EP2021068412W WO2022003190A1 WO 2022003190 A1 WO2022003190 A1 WO 2022003190A1 EP 2021068412 W EP2021068412 W EP 2021068412W WO 2022003190 A1 WO2022003190 A1 WO 2022003190A1
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WO
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blades
rotor
electric machine
stator
machine
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/068412
Other languages
English (en)
Inventor
Nicolas Labbe
Geoffrey DEVORNIQUE
Baptiste RISTAGNO
Khadija El-Baraka
Svetislav JUGOVIC
Julien FONTCHASTAGNER
Denis Netter
Noureddine TAKORABET
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/26—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/26—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings
    • H02K23/38—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings having winding or connection for improving commutation, e.g. equipotential connection

Definitions

  • the present invention relates to a mechanical switch for supplying a rotating electrical machine with a polyphase current system.
  • the invention also relates to an electric machine equipped with such a switch for a motor vehicle.
  • This electric machine belongs in particular to the fields of variable reluctance machines.
  • the invention finds a particularly advantageous application in the field of rotating electrical machines such as alternators, alternator-starters, electric motors and reversible machines.
  • the invention also finds particular application in the traction of low-power motor vehicles, in particular between 4kW and 25kW, for example between 4kW and 8kW, for example between 15kW and 25kW.
  • the invention can thus advantageously be implemented in particular with low-power four-wheel electric vehicles ("microcars" in English), two-wheeled vehicles of the motorcycle type, or heavy quadricycles.
  • Direct current electric machines are known from the prior art, in particular used in motor vehicle starters but also for propelling a vehicle. These machines have a stator, here the inductor, comprising several permanent magnets or wound poles (electromagnets) and a rotor, here the armature, comprising conductors forming the rotor winding.
  • the armature comprises a mechanical collector with blades on which brushes rub to supply the armature with direct current.
  • the brush / collector assembly forms a mechanical switch which allows the mechanical self-piloting of the winding power supply.
  • Each change in the angular position of the armature corresponds, thanks to the arrangement of the angular position of the blades and of the brushes, to a new supply of the winding.
  • the positioning of the brushes and the collector is fixed by the angular position of the field poles.
  • the main drawback of these machines lies in the sudden variations in the magnetic energy at each switching of current in the conductors, in particular in armature sections of the winding. Switching current causes excessive brush wear.
  • the performance of such machines is insufficient for an application in the traction chain of a motor vehicle in comparison with polyphase synchronous rotating electrical machines, in particular three-phase, with synchronous alternating current.
  • Such a polyphase synchronous machine conventionally comprises a rotor movable in rotation about an axis and a fixed stator surrounding the rotor.
  • alternator mode when the rotor is rotating, it induces a voltage at the stator which transforms it into electric current to then supply the electrical consumers of the vehicle and recharge the battery.
  • motor mode the stator is electrically supplied and creates a rotating magnetic field and then a torque relative to the field poles, driving the rotor in rotation for example to start the heat engine.
  • Such a machine conventionally comprises a shaft, integral with the rotor, a rear end of which carries slip rings belonging to a collector. Brushes are arranged to rub on the slip rings.
  • the brush holder is connected to a voltage regulator for use in alternator mode.
  • the stator comprises a body formed by a stack of thin sheets forming a ring, the inner face of which is provided with notches open inwardly to receive a winding comprising phase windings connected together, for example, in a star. or in a triangle. These windings pass through the notches of the body of the stator and form buns projecting on either side of the body of the stator.
  • the phase windings are obtained for example from a continuous wire covered with enamel or from conductive elements in the form of pins connected together by welding.
  • the coil is electrically connected to an electronic assembly by an input and an output. Unlike direct current electric machines, the windings are open.
  • the electronic assembly comprises electronic power modules making it possible to control the supply to the phases of the winding.
  • Switching here is electronic and requires semiconductor inverters.
  • the phases of the winding are conventionally supplied by an electronic inverter comprising 6 stages of MOSFET-type power transistors, the control of which requires the position data of the rotor obtained at by means of different position sensors.
  • 6 inverter arms each with MOFSETs are required, twice as many as in the case of a three-phase supply.
  • the position sensors can be Hall effect in the case of a synchronous machine with direct current permanent magnets ("BLDC" in English) whose power supply is toothed.
  • the position sensors can also be of the resolver type, more expensive than Hall effect sensors, in the case of a synchronous machine with permanent magnets with alternating current (“BLAC” in English) whose power supply is sinusoidal.
  • the invention aims to effectively remedy this drawback by providing a mechanical switch for an electrical machine capable of supplying power by a polyphase current system comprising q phases, with q positive integer strictly greater than 1, a rotor of a rotating electrical machine having 2 * visible magnetic poles and a magnetic reduction ratio G, comprising:
  • the mechanical switch is also characterized in that the brushes of the same pair are circumferentially offset from each other by [(2k + 1) * 2 * TT] / (2 * G * p)] , k being a natural number.
  • Such a switch allows the supply of electrical machines by a polyphase current system without an electronic converter so that the number of power electronic components and the associated cost is greatly reduced or even eliminated.
  • Such a self-piloted power supply also eliminates the need for a rotor position sensor.
  • the angular offset between the brushes is from center to center, that is to say between the median planes of each brush.
  • a broom may have a substantially parallelepipedal shape.
  • the brushes can always be in contact with a blade.
  • a broom can have a radially inner cylindrical surface in contact with the collector, in particular with the blades.
  • the number of pairs of brushes is between 1 and G * p.
  • the number of pairs of brushes can be equal to one or to two for a machine with two pairs of visible poles with a magnetic reduction ratio G equal to 1. All the pairs of brushes rub on the same blades. According to the invention, the number of brushes is therefore even.
  • the collector has G * p * q passages from one type of blade to another.
  • the type of a blade is defined by its membership in one of the groups of blades. Two successive blades do not belong to the same group of blades.
  • the collector has the same sequence of blades G times.
  • the magnetic reduction ratio is strictly greater than 1.
  • the blades all have the same angular sector and / or the axial dimension. In particular, all the blades are identical.
  • the blades may not be axially offset.
  • the blades can be copper.
  • the blades can have a radial thickness between 1 mm and 3mm, for example 2mm. This thickness makes it possible to reduce the volume density of the current in the blades.
  • the blades can have an axial dimension between 8mm and 12mm, for example 10mm.
  • the collector has a single circumferential arrangement of conductive blades around the axis.
  • the collector comprises a skeleton, of revolution about the axis of the electrical machine, to keep the blades in position.
  • the skeleton can be made of an electrically insulating material, for example plastic.
  • the skeleton can be in one piece.
  • the skeleton can include radial openings, in particular G * p * q openings receiving the blades.
  • the skeleton can be overmolded on the blades.
  • the skeleton can include a central opening for receiving a rotor shaft.
  • the manifold may include a sleeve disposed in the central opening of the skeleton and capable of be integral with the rotor shaft. The sleeve is fixed relative to the skeleton. The sleeve is more rigid than the skeleton so as to strengthen the connection between the collector and the rotor shaft.
  • q can be equal to 3.
  • the switch is thus able to supply an electric machine according to a three-phase current system.
  • the friction zone between the brushes and the blades may be at a radial distance from the axis of between 20 mm and 45 mm, in particular 25 mm, in particular 35 mm.
  • an angular sector on which a given part is defined is the smallest sector that includes the given part in a plane perpendicular to the axis of the machine.
  • the blades of the same group can all be electrically connected to a ring disposed radially inside the blades.
  • Such a ring allows the electrical connections to be shared between the blades of the same group, which simplifies the manufacture of the switch. As requested, the brushes do not rub on the rings but on the blades.
  • a bridge can be provided between each blade and the associated ring.
  • the bridges extend radially from the ring, in particular without axial offset from the ring.
  • the bridges and the associated ring are in an interior space of the skeleton while the blades are flush outwards to come into electrical contact with the brushes.
  • the blades of the same group, the bridges and the ring form a one-piece ring.
  • the ring and the ring associated with the blades of group q are said to be of type q.
  • the collector comprises q connecting arms, each being integral with a ring, in particular by welding.
  • Each arm has a free end capable of being connected to one phase, or to several phases, of the rotor winding in order to supply it or to supply them.
  • Each link arm opens, in particular radially, from the skeleton of the collector through a radial hole made in the skeleton.
  • the rings of each group can follow one another axially.
  • bridges of the same type q are offset from bridges of other types.
  • the rings can be axially distributed over an axial length of the blade.
  • Bridges can be connected to a central area of the blades or to one end thereof.
  • the collector comprises three rings, a central one and two ends surrounding the central ring.
  • the bridges associated with the central ring are axially connected to the center of the blades and the bridges associated with the end rings are connected at corners of the blades.
  • the rings can be concentric.
  • each blade can be separated from the two adjacent blades by an inter-blade.
  • the inter-blade is defined to prevent circumferential contact between two successive blades.
  • the inter-blades can all have the same angular opening.
  • each leaf can thus be equal, in radians, to [2 * TT- G * q * p * (opening of an inter-leaf)] / (G * p * q).
  • the angular opening of an inter-blade is smaller than the angular opening of one of the blades.
  • the angular opening of an inter-blade may be greater than the angular opening of one of the blades.
  • the minimum dimension in the circumferential direction between two successive blades is chosen to avoid dielectric breakdown.
  • the minimum dimension can be between 1.6mm and 2.4mm when the switch is powered at 48V.
  • This dimension of the inter-blades makes it possible to avoid electric arcs between the adjacent blades while leaving sufficient space for the blades, which simplifies the manufacture of the skeleton.
  • This inter-blade dimension can also allow the continuity of the friction between the brushes and the blades.
  • the minimum radial dimension of the collector is imposed by the number of blades and by the minimum dimension of the inter-blades to be observed.
  • the angular opening of the slats can be identical to the angular opening of the inter-slats.
  • Each blade and each inter-blade each extend over 2 * TT / (2 * G * p * q).
  • the interblade can be insulating.
  • the inter-blade can be an empty space between two successive blades.
  • the inter-blade may include a non-conductive protuberance, in particular formed by the skeleton.
  • one of the inter-blades may include an isolated blade.
  • the insulated blade is not electrically connected to any other blade.
  • the blade is said to be isolated in opposition to the conductive blades, electrically connected, which form the q groups.
  • the inter-blades can be connected together forming a group of insulated blades under the same conditions of electric potential.
  • the single blades can be attached to an interblade ring.
  • the interblade ring can be disposed in the interior space of the skeleton.
  • the interblade ring may be radially on the outside of the q-type rings.
  • Insulated blades have a foot inserted into an opening in the interblade ring for securing the insulated blade.
  • the inter-leaf ring may include windows for the passage of bridges between the blades of one of the q groups and the associated ring.
  • the insulated blade is separated from the conductive blades by interstices.
  • the gaps can be between 1mm and 5mm in the circumferential direction.
  • the insulated blades are received in radial openings.
  • the collector can then understand 2 * G * p * q blades, the conductive blades being alternating with the isolated blades.
  • the insulated blades are at floating potential.
  • the angular opening of the insulated blades can be between 20 and 50%, in particular between 40% and 50% of the angular opening of the conductive blades.
  • the insulated blades make it possible to guarantee a uniformity of contact between the collector and the brushes. Indeed the brushes rub almost continuously on the blades, isolated or conductive.
  • each blade is greater than the angular opening of the inter-blades.
  • each broom is always in contact with at least one blade.
  • Each brush can be in simultaneous contact with at most two different groups of blades.
  • the coverage rate can be the ratio between the difference between the angular opening of a brush and the angular opening of an inter-blade divided by the elementary pattern of the collector.
  • the recovery rate may be between
  • the sum of the angular opening of a brush and the angular opening of a blade may be greater than or equal to 120 electrical degrees and strictly less than 180 electrical degrees.
  • the recovery is the period during which a given broom is in contact with two blades of different groups. During this overlap, the brush can thus feed two distinct groups of blades simultaneously.
  • the simultaneous supply of two groups of blades for the same brush influences the form of a polyphase current system.
  • the waveform of each phase is changed.
  • the recovery makes it possible to supply the rotor according to a polyphase current system, for example square waves, for example quasi-sinusoidal while maintaining the current of the voltage source at a non-zero mean value, of the same current sign over time .
  • a polyphase current system for example square waves, for example quasi-sinusoidal while maintaining the current of the voltage source at a non-zero mean value, of the same current sign over time .
  • the opening of the brushes can be chosen to obtain different forms of current system. For a given collector, there can therefore be several current systems.
  • the invention also relates to an electric machine which comprises:
  • stator forming the inductor of the machine
  • a movable rotor in rotation around the axis of the electric machine, the rotor forming with the collector an armature of the machine, the rotor comprising: i. a rotor shaft, and ii. a rotor body comprising:
  • the winding being divided into q phases (a, b, c) supplied by the switch, the phases comprising winding sections housed in the notches, the sections of each phase succeeding one another circumferentially, each phase having two ends (32).
  • Such a machine is particularly remarkable in that the rotor is supplied in a polyphase current system by means of a mechanical switch supplied with direct current.
  • the rotor obtains its voltage and current from a voltage source, for example the accumulator battery, so DC and not AC.
  • Such a polyphase electric machine is economical because it avoids an expensive electronic assembly for the alternating current supply of the multiple phases of the machine from a direct current.
  • the brushes are also supplied with direct current, they are connected to the same voltage source. They are not connected to the phases of the rotor, they are the groups of blades which are connected to the q phases of the rotor.
  • the machine can have a number of pairs of visible poles p between 1 and 24, for example 12.
  • the machine can have 6 pairs of visible magnetic poles.
  • the number of notches cannot be between 1 and 50, preferably between 10 and 30, for example equal to 12 or 24.
  • the winding can be distributed or in fractional pitch.
  • the rotor having a fractional pitch winding comprises a number of notches per apparent pole and per phase which is not whole.
  • Ne ' cannot be greater than 0.2 and strictly less than 1.
  • each phase may have a single conductor forming the different winding sections.
  • Each phase can have multiple conductors assembled together outside of the notches.
  • These conductors can be pins, for example U-shaped, for example I-shaped. These pins can be inserted axially and then connected together. The pins allow better performance, especially in terms of engine torque.
  • Nr can be between 2 and 50, preferably between 16 and 24 and for example equal to 20.
  • the number of notches can be equal to Nr, each notch then being arranged. between two successive rotor teeth.
  • the rotor teeth may have a domed shape.
  • the stator comprises Ns stator teeth.
  • the stator is not supplied by a voltage and / or current source.
  • the stator is not in wire connection with a voltage or current source.
  • the stator is pure reluctance.
  • the stator does not include permanent magnets. This electric machine is economical in expensive raw material and the manufacturing process is extremely simplified.
  • the stator can be formed by a bundle of sheets.
  • the stator can include recesses between each successive stator teeth. These recesses may have a rounded shape.
  • Ns can be between 2 and 50, preferably between 10 and 30 and for example equal to 24.
  • G can be between 1 and 20, preferably between 3 and 15, for example 5, for example 11.
  • the stator comprises Na pairs of magnetic poles.
  • the number of magnetic poles in the stator is not the number of visible magnetic poles of the electric machine.
  • Na can be between 1 and 50, preferably between 5 and 30 and for example equal to 22.
  • G can be strictly greater than 1 and less than 20, preferably between 3 and 15, for example 5, for example 11.
  • the stator may include a cylinder head fitted with one or more magnets distributed circumferentially.
  • the magnets can be permanent magnets, in particular ferrite, in particular rare earth magnets. In this case, energization of the stator is not necessary.
  • the stator may include one or more Halbach magnetization magnets. Alternatively, the magnets can be electromagnets.
  • the mechanical switch will paradoxically ensure an autopilot between the mechanical speed and the current supply, that is to say at a speed identical to that of the permeance wave, that is to say G x the mechanical speed of the rotor. and blades.
  • the phases of the winding can be connected to the blades of the collector, in particular to the collector rings, via the link arms.
  • the electrical machine may also include a fixed rotating brush holder assembly in which the switch brushes are housed.
  • the brush holder can surround the collector.
  • the electric machine can include a fixed rotating casing.
  • the housing can surround the assembly of the stator, rotor, and commutator.
  • the housing can be in two parts, a front and a rear.
  • the brush holder can be attached to the rear part of the housing.
  • the stator can be fixed on the front part of the housing.
  • the manifold can be fixed in rotation on the rotor shaft, in particular the manifold sleeve can be press-fitted.
  • the manifold can be reversibly mounted on the rotor shaft.
  • Running gear may be disposed between the rotor shaft and the housing to support the rotor.
  • each of the q groups of blades is electrically connected to one of the two ends of one of the q phases of the rotor, the other ends of the q phases are electrically connected together so as to form a winding in star.
  • each phase can be connected to a link arm.
  • Each group of blades can supply a single phase of the q, in particular three, phases of the rotor.
  • the collector may also include a connector capable of electrically connecting the ends of the phases of the winding together.
  • the connector can be disposed circumferentially next to the free ends of the link arms.
  • the connector can open radially from the skeleton.
  • the connector comprises q ends, in particular three, for each to receive each of the phase ends.
  • each of the q groups of blades is electrically connected to two ends of two distinct phases of the q phases of the rotor so as to form a polygon winding.
  • each phase of the rotor can be connected to two separate groups of blades.
  • Each phase of the winding can be connected to two connection arms.
  • Each connection arm can be connected to two phases of the winding.
  • the potential can be identical at both ends of each phase of the winding.
  • the stator comprises The stator can include one or more Halbach magnetization magnets and the winding is fractional pitch. This configuration is less strongly affected by the increase in speed. Such a combination allows the machine to be less disturbed by the armature reaction and to reduce torque ripples.
  • the invention also relates to a traction system for a transport vehicle comprising:
  • a chopper electrically connected to the brushes of the mechanical switch and able to be connected to the vehicle battery.
  • the transport unit can be a vehicle, in particular a motor vehicle.
  • the transport device can be an autonomous vehicle for delivering objects, in particular with wheels, in particular with propellers, for example a device of the "drone" type or
  • the chopper is used to adjust the voltage and thus the power variator function.
  • the chopper is not here an inverter which allows the generation of sinusoidal current signals.
  • a rheostat can be provided in place of the chopper which makes it possible to completely extract the power electronics for supplying the electrical machine.
  • the invention may also relate to an alternator comprising the electric machine.
  • the invention may also relate to a system comprising the electric machine capable of operating in engine mode and in alternator mode.
  • FIG. 2 are schematic sectional views of an electric machine according to the invention.
  • FIG. 6 illustrate an example of a switch manifold according to the invention for supplying the coil in the first mode.
  • FIG. 11 illustrate an example of a switch manifold according to the invention to power the coil in the first mode.
  • FIG. 12 illustrates a ring isolated from the collector of FIG. 9.
  • FIG. 16 schematically illustrates a Halbach magnetization and split-pitch winding machine with the associated switch.
  • FIG 1 There is schematically shown in Figure 1, in section, an electric machine 1.
  • the machine 1 is suitable for equipping a traction system for a transport vehicle, in particular a motor vehicle.
  • the machine comprises a rotor 3 movable in rotation around the axis X of rotation of the machine and a stator 4 fixed in rotation comprising 2 * visible magnetic poles and having a magnetic reduction ratio G.
  • the rotor forms the armature and the stator forms the machine inductor.
  • the machine has a number of visible poles p which can be between 1 and 12. In particular the machine can have 6 pairs of visible magnetic poles.
  • the machine 1 also comprises a casing 5 fixed in rotation, here in two parts, a front 5a and a rear 5b.
  • the casing surrounds the assembly of the stator and the rotor.
  • the casing can be in two parts.
  • the stator 4 is fixed to the front part of the casing, for example force-fitted.
  • the rotor 3 comprises a rotor shaft 10 and a rotor body 11.
  • a front bearing 13 and a rear bearing 14 are traversed by the rotor shaft 10.
  • the rotor shaft 10 is mounted to rotate relative to the housing 5, for example by means of running gear mounted on bearings 13, 14.
  • the rotor 3 comprises a first drive member 20 belonging to the machine 1.
  • a second drive member 21 mounted on an element of a traction chain, for example a crankshaft, of the motor vehicle , and an element 22 transmitting the rotational movement of the second drive member 21 to the first drive member 20 are provided.
  • the drive members 20, 21 are pulleys and the element 22 transmitting the movement is a belt.
  • the pulley 20 is rotatably mounted on the rotor shaft 10.
  • the rotor shaft can therefore be rotated by the rotational movement of the pulley 20.
  • the pulley 20 is arranged on a first end of the shaft 14, called the front end.
  • the shaft 14 has a second end, called the rear end, opposite the front end.
  • the stator 4 comprises a yoke fitted with one or more magnets distributed circumferentially.
  • the magnets are here electromagnets.
  • the electromagnets are supplied with a direct excitation electric current EXC coming from a chopper of the stator 25.
  • the stator 4 is supplied through the stator chopper by a voltage source which here is battery B of the vehicle.
  • the excitation winding is connected to terminal B + of battery B.
  • the stator can have one or more permanent magnets to form the Na poles.
  • These magnets can be ferrites or rare earths.
  • the magnets are Halbach magnetization.
  • stator energization is not necessary.
  • the stator is not wired to a voltage or current source.
  • a machine according to this second variant is illustrated in FIG. 14.
  • the stator 4 this time comprises Ns stator teeth 100. may be equal to 24.
  • the stator 4 may be formed by a bundle of sheets.
  • a machine according to this first variant is illustrated in FIG. 13.
  • the stator is not supplied by the battery.
  • the stator is not wired to a voltage or current source.
  • the stator 4 is pure reluctance.
  • the stator does not include permanent magnets.
  • the rotor body 11 comprises a bundle of sheets, made of ferromagnetic material, comprising sheets stacked axially.
  • the sheet package comprising Nr rotor teeth 101 and a plurality of axial extension slots 102.
  • Nr can be between 2 and 50, for example equal to 20.
  • the number of notches Ne can be equal to Nr, each notch then being placed between two successive rotor teeth 101.
  • the rotor body 11 also comprises at least one winding 30, the winding being distributed in q phases.
  • the phases comprise winding sections 31 housed in the notches, the sections of each phase succeeding one another circumferentially.
  • Each phase has two ends 32.
  • the notches are separated from each other by rotor body teeth.
  • the winding can be distributed or in fractional pitch.
  • the phases of the winding 30 can be connected in a star or in a polygon.
  • the rotor has three phases a, b, c connected in a triangle, as illustrated in FIG. 2.
  • each sheet may have an annular shape and include grooves arranged radially.
  • the notches of the stacked sheets form the sheet bundle notches extending in a direction substantially parallel to the X axis. Between the notches 102 are formed the Nr rotor teeth 101.
  • each phase a, b, c can have a single conductor forming the different winding sections.
  • buns 35 formed by the coil 30 are arranged on either side of the packet of sheets.
  • the machine 1 according to the example considered is particularly remarkable in that it comprises a mechanical switch 40 for supplying the q phases of rotor 3.
  • the mechanical switch therefore supplies power.
  • rotor 3 with a three-phase current system.
  • Switch 40 is located inside the housing.
  • the switch 40 comprises a collector 41 movable in rotation about the X axis.
  • the collector will be described in more detail with the following reference.
  • the collector 41 is fixed in rotation on the rotor shaft 10 and forms with the rotor 3 the armature of the machine 1.
  • the switch 40 also comprises at least one pair of radial extension brushes, a positive brush 45 and a negative brush 46, able to rub on the collector 41.
  • the brushes 45, 46 are fixed in rotation, they are each defined on an angular sector and they are connected to the same source voltage here battery B of the vehicle. The brushes are therefore supplied with direct current.
  • a chopper 48 is arranged between the brushes 45, 46 and the terminal B + of the battery B to adjust the voltage and act as a voltage variator.
  • the brushes 45, 46 have a substantially parallelepipedal shape. Each brush has a radially inner cylindrical surface in contact with the collector 41.
  • the machine 1 comprises a brush holder assembly 50 fixed in rotation in which the brushes 45, 46 are housed.
  • the brush holder 50 carries the brushes.
  • the brush holder 50 surrounds the collector 41.
  • the brush holder is fixed to the housing, in particular to the rear part 5b of the housing.
  • the brush holder can be fixed on the rear bearing 14 or directly on the cylinder head of the stator.
  • the rotor 3 are driven in rotation and the winding of the rotor 30 is supplied electrically by the switch 40.
  • the rotor 3 is then magnetized, a magnetic field is created and generates an induced current in the winding of the stator.
  • the collector 41 has an elementary pattern of blades which is repeated G * p times, here four times.
  • the elementary pattern of blades is here: blade of group a ', blade of group b' and blade of group c '.
  • the collector 41 has G * p * q passages, here twelve, from one type of blade to another.
  • the type of a blade is defined by membership in a group.
  • the collector thus presents an elementary pattern equal to 2 * TT / (G * p * q), that is to say TT / 6 OR again 30 °.
  • each of the three groups a ', b', c 'of blades is electrically connected to one of the two ends 32 of one of the three phases a, b, c of rotor 3.
  • the other ends 32 of the three phases are electrically connected together so as to form a star coil.
  • the rotor may have 12 notches, as many as number of rotor teeth Nr.
  • Each of the twelve blades of the commutator is aligned with a tooth of the rotor body.
  • Each of the notches in which a section belonging to a phase of type q is housed is axially aligned with a blade of the collector 41 of the same type.
  • all the blades all have the same angular sector and the same axial dimension.
  • all the blades 60 are identical and are not offset axially.
  • the blades 60 can be made of copper.
  • the blades 60 may have a radial thickness of between 1 mm and 3mm, for example 2mm.
  • the blades can have an axial dimension between 8mm and 12mm, for example 10mm.
  • the switch comprises a single pair of brushes 45, 46 still in contact with the blades 60. Two pairs of brushes could have been considered because the number of pairs can be between 1 and p.
  • the brushes of the pair shown are circumferentially offset from each other by [(2k + 1) * 2 * TT] / (2 * G * p)], k being a natural integer. In the example considered, the brushes can therefore be offset, for example, by an angle of TT / 2 OR of 3TT / 2, here the brushes 45, 46 are offset by TT / 2.
  • the angular offset between the brushes 45, 46 is from center to center, that is to say between the median planes A of each brush.
  • each blade 60 is separated from the two adjacent blades 60 by an insulating inter-blade 62.
  • the angular opening of each interblade 62 is identical.
  • each blade 45, 46 is greater than the angular opening of the inter-blades 62.
  • each blade is always in contact with at least one blade and with two blades during the recovery phases.
  • the collector therefore presents an elementary pattern equal to 2 * TT / (G * p * q), that is to say TT / 1 2 OR again 15 °.
  • each inter-blade 62 includes an insulated blade 63 which is not electrically connected to any other blade.
  • the blades 63 are said to be insulated in opposition to the electrically connected conductive blades 60 which form the three groups of blades.
  • the insulated blades are at floating potential.
  • the insulated blades 63 are separated from the conductive blades 60 by interstices 64 which can measure between 1mm and 5mm in the circumferential direction.
  • the angular opening of the insulated blades 63 is between 40% and 50% of the angular opening of the conductive blades 60.
  • the collector 41 has G * p * q passages, here 24 passages, from one type of conductive blade to another.
  • the type of a blade is defined by membership in a group. Single slides do not belong to any group.
  • the collector 41 comprises a skeleton 65, made of insulating material, for example plastic, of revolution about the X axis to keep the blades 60, 63 in position.
  • the skeleton is substantially cylindrical in shape.
  • the skeleton 60 is here in one piece.
  • the skeleton comprises 48 radial openings 67 receiving the blades 60, 63.
  • the skeleton comprises a central opening 68 receiving the rotor shaft 10.
  • the manifold 41 also comprises a central hub 69 for the passage of the rotor shaft. The skeleton is fixed on the central hub, for example overmolded on the central hub 69.
  • FIG. 6 is an exploded view of the collector of Figure 5.
  • the collector comprises a ring of type a 70 to connect together the blades 60 of group a ’, a ring of type b 71 and a ring of type c 72.
  • the rings 70, 71, 72 follow one another axially.
  • Type b bushing is central, and type a and type c bushes are at the ends.
  • the rings are axially distributed over an axial length of the blade 60.
  • a bridge 75 is provided between each blade 60 and the associated ring 70, 71, 72. Each bridge is associated with a single blade 60. The bridges 75 extend radially from the rings without offset axial.
  • the bridges 75 of the central b-type ring 71 are connected to a central area of the blades 60.
  • the bridges 75 of the end rings 70, 72 are connected to corners of the blades 60.
  • the bridges and rings are in an interior space of the skeleton 67 while the blades 60 are flush outwardly to come into electrical contact with the brushes 45, 46.
  • the blades 60 of the same group a ', b', c ', the bridges 75 and the ring 70, 71, 72 form a one-piece ring.
  • the collector thus comprises an a-type ring 77, a b-type ring 78 and a c-type ring 79.
  • the b-type ring 78 is shown in isolation in FIG. 8.
  • the isolated blades are fixed on an inter-leaf ring 73.
  • the inter-leaf ring 73 is arranged in the interior space of the skeleton 65.
  • the inter-leaf ring 73 radially outside the rings 70, 71, 72.
  • the insulated blades 63 comprise a foot 74 inserted into an opening of the inter-blade ring by the fixing of the insulated blade.
  • the inter-leaf ring 73 includes windows 76 for the passage of bridges 75 between the leaves 60 of group b and the ring 72 which is in the central position.
  • the bridges 75 of the b-type ring 78 pass through the interblade ring 73.
  • the collector 41 comprises three connecting arms 80, each being integral with one of the rings 70, 71, 72.
  • Each connecting arm comprises a portion made integral with the rings and a portion comprising the free end 81. The two portions are fixed to one another, for example by welding.
  • Each free end 81 is connected to a winding phase a, b, c to supply it.
  • Each link arm 80 opens out radially from the backbone 65 of the collector through a radial hole 82 made in the backbone.
  • each phase a, b, c is connected to a link arm.
  • the collector 41 also includes a connector 90 for electrically connecting together the ends 32 of phases a, b, c.
  • the connector 90 is disposed circumferentially next to the free ends 81 of the link arms.
  • the connector 90 opens out radially from the skeleton 67.
  • the connector comprises three ends 91, each to receive each of the phase ends 32.
  • each phase a, b, c comprises one end 32 connected to a link arm 80 and one end connected to the phase. connector 90.
  • Figures 12 and 13 partially show the switch 40 and the winding of the rotor 30 unwound.
  • each phase a, b, c is connected to two distinct groups of blades a ’, b’, c ’.
  • the collector 41 has G * p * q passages, here 18, from one type of blade to another.
  • the collector 40 has an elementary pattern of blades which is repeated G * p times, here 6.
  • the elementary pattern is here: blade of group a ', blade of group b' and blade of group c '(a', b ', vs').
  • the collector 40 considered here differs from that of the previous ones in that it does not include a connector.
  • the collector only comprises 3 link arms 80 which each receive two phase ends 32.
  • the ends 32 are for example fixed by welding.
  • Each phase a, b, c is therefore connected to two link arms 80 and each link arm 80 is connected to two phases of the coil.
  • the potential is identical at the two ends 32 of each phase a, b, c.
  • the number of apparent poles p is thus equal to 2
  • the magnetic reduction ratio G equal to 5
  • the number of collector blades equal to 30.
  • the number Ne of notches 102 is equal to 24.
  • the Ns rotor teeth 101 have a convex shape in the direction of the stator.
  • the stator 4 comprises recesses 103 between each successive stator teeth each having a rounded shape.
  • the number of apparent poles is equal to 2
  • the magnetic reduction ratio G is equal to 5.
  • the associated switch 40 comprises thirty conductive blades 60 and a single pair of brushes.
  • FIG. 16 shows schematically a three-phase machine 1, the stator 4 of which is Halbach magnetized and the coil 30 of which has a split pitch.
  • the magnetic reduction ratio G is equal to 1.
  • the machine is here with 5 pairs of poles.
  • the associated switch 40 comprises 15 conductive blades 60 and a single pair of brushes.

Abstract

Commutateur (40) mécanique pour machine (1) électrique apte à alimenter par un système de courant polyphasé comprenant q phases, avec q entier positif strictement supérieur à 1, un rotor (3) de machine électrique tournante présentant 2*p pôles magnétiques apparents et un rapport de réduction magnétique G, comprenant : - un collecteur (41) mobile en rotation autour d'un axe (X) de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*π/(G*p*q), - au moins une paire de balais d'extension radiale, un balai positif (45) et un balai négatif (46), aptes à frotter sur le collecteur (41), fixes en rotation, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même une batterie (B) de véhicule, caractérisé en ce que le collecteur (41) mécanique comprend G*p*q, avec G entier, lames conductrices (60) se succédant circonférentiellement, chaque lame (60) étant définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes étant isolées les unes des autres, les lames étant réparties en q groupes (a', b', c'), toutes les lames (60) d'un même groupe étant connectées électriquement ensemble, les q groupes étant alternées circonférentiellement, et en ce que les balais (45, 46) d'une même paire sont circonférentiellement décalés l'un de l'autre de [(2k+1)*2*π]/(2*G*p), k étant un entier naturel.

Description

Description
Titre de l'invention : Machine électrique synchrone équipée d’un commutateur mécanique
[1] La présente invention concerne un commutateur mécanique pour alimenter une machine électrique tournante par un système de courants polyphasé. L’invention se rapporte également à une machine électrique équipée d’un tel commutateur pour véhicule automobile. Cette machine électrique appartient notamment aux domaines des machines à réluctance variable.
[2] L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les alternateurs, les alterno- démarreurs, les moteurs électriques et les machines réversibles. L’invention trouve également une application particulière dans la traction de véhicule automobile de faible puissance, notamment comprise entre 4kW et 25kW, par exemple entre 4kW et 8kW, par exemple entre 15kW et 25kW.
[3] L'invention pourra ainsi avantageusement être mise en oeuvre notamment avec les véhicules électriques à quatre roues de faible puissance ("microcars" en anglais), les véhicules à deux roues de type moto, ou les quadricycles lourds.
[4] Il est connu de l’art antérieur des machines électriques à courant continu, notamment utilisé dans les démarreurs de véhicule automobile mais également pour propulser un véhicule. Ces machines munies d’un stator, ici l’inducteur, comportant plusieurs aimants permanents ou des pôles bobinés (électroaimants) et d’un rotor, ici l’induit, comportant des conducteurs formant le bobinage du rotor. L’induit comprend un collecteur mécanique muni de lames sur lesquelles frottent des balais pour l’alimentation en courant continu de l’induit.
[5] L’ensemble balais/collecteur forme un commutateur mécanique qui permet l’autopilotage mécanique de l’alimentation du bobinage. Chaque changement de position angulaire de l’induit correspond, grâce à l’agencement de position angulaire des lames et des balais, à une nouvelle alimentation du bobinage. Le positionnement des balais et du collecteur est fixé par la position angulaire des pôles inducteurs. [6] L’inconvénient principal de ces machines réside dans les variations brutales de l’énergie magnétique à chaque commutation de courant dans les conducteurs, notamment dans des sections d’induits du bobinage. La commutation de courant entraîne une usure excessive des balais. Par ailleurs, les performances de telles machines sont insuffisantes pour une application dans la chaîne de traction de véhicule automobile en comparaison aux machines électriques tournantes synchrones polyphasées, notamment triphasées, à courant alternatif synchrone.
[7] Une telle machine synchrone polyphasée comprend classiquement un rotor mobile en rotation autour d’un axe et un stator fixe entourant le rotor. En mode alternateur, lorsque le rotor est en rotation, il induit une tension au stator qui la transforme en courant électrique pour ensuite alimenter les consommateurs électriques du véhicule et recharger la batterie. En mode moteur, le stator est alimenté électriquement et crée un champ tournant magnétique puis un couple relativement aux pôles inducteurs, entraînant le rotor en rotation par exemple pour démarrer le moteur thermique. Ces machines présentent un net avantage en termes de performance volumiques par rapport aux machines à courant continu.
[8] Une telle machine comporte classiquement un arbre, solidaire du rotor, dont une extrémité arrière porte des bagues collectrices appartenant à un collecteur. Des balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Le porte-balais est relié à un régulateur de tension pour l’utilisation en mode alternateur.
[9] Le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir un bobinage comprenant des enroulements de phases connectées ensemble, par exemple, en étoile ou en triangle. Ces enroulements traversent les encoches du corps du stator et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phases sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Le bobinage est relié électriquement à un ensemble électronique par une entrée et une sortie. Contrairement aux machines électriques à courant continu, les enroulements sont ouverts. [10] L’ensemble électronique comporte des modules électroniques de puissance permettant de piloter l’alimentation des phases du bobinage. La commutation est ici électronique et nécessite des onduleurs à semi-conducteur. Par exemple, dans le cas d’une traction électrique par une machine synchrone triphasée, les phases du bobinage sont classiquement alimentées par un onduleur électronique comportant 6 étages de transistors de puissance de type MOSFET dont la commande nécessite les données de position du rotor obtenues au moyen de différents capteurs de position. Dans le cas d’une alimentation en double- triphasé, 6 bras d’onduleurs avec chacun de MOFSET sont nécessaires, deux fois plus qu’en cas d’alimentation en triphasé. Les capteurs de position peuvent être à effet Hall dans le cas d’une machine synchrone à aimants permanents à courant continu (« BLDC » en anglais) dont l’alimentation est à créneaux. Les capteurs de position peuvent aussi être de type résolveur, plus onéreux que les capteurs à effet Hall, dans le cas d’une machine synchrone à aimants permanents à courant alternatif (« BLAC » en anglais) dont l’alimentation est sinusoïdale.
[11 ] Cet ensemble électronique est onéreux. La fiabilité des composants à semi- conducteur en environnement sévère en température ou en vibrations n’est pas optimale du fait de la fragilité de ces composants. Ces composants sont aussi dépendants de matière comme le silicium dont l’approvisionnement peut ou pourra s’avérer sensible.
[12] Il est connu de WO2010010906A1 , de US2010308681 A1 , de
JPS61210859A, de JP2008113485A, JP2009303390A, de JP2020058172A, de W02008053829 A1 des commutateurs alimentés en courant continu.
[13] Il existe donc un besoin pour alimenter les machines électriques à système de courant polyphasé de manière moins onéreuse et/ou moins dépendante en électronique de puissance, voire totalement indépendante en électronique de puissance.
[14] L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un commutateur mécanique pour machine électrique apte à alimenter par un système de courant polyphasé comprenant q phases, avec q entier positif strictement supérieur à 1 , un rotor de machine électrique tournante présentant 2*p pôles magnétiques apparents et un rapport de réduction magnétique G, comprenant :
- un collecteur mobile en rotation autour d’un axe de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*TT/(G*p*q),
- au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif et un balai négatif, aptes à frotter sur le collecteur, fixes en rotation, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même source de tension, notamment une batterie de véhicule,
[15] Le commutateur mécanique est caractérisé en ce que le collecteur mécanique comprend G*p*q, avec G entier, avec notamment G=5 ou G=11 , lames conductrices se succédant circonférentiellement, chaque lame étant définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes étant isolées les unes des autres, les lames étant réparties en q groupes, toutes les lames d’un même groupe étant connectées électriquement ensemble, les q groupes étant alternés circonférentiellement.
[16] Le commutateur mécanique est également caractérisé en ce que les balais d’une même paire sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1 )*2*TT]/(2*G*p)], k étant un entier naturel.
[17] Une telle alimentation est ainsi plus durable et moins onéreuse. La performance est aussi sensiblement supérieure à celle d’une machine électrique à courant continu.
[18] Un tel commutateur permet l’alimentation de machines électriques par un système de courant polyphasé sans convertisseur électronique de sorte que le nombre de composants d’électronique de puissance et le coût associé est très fortement diminué, voire annulé. Une telle alimentation autopilotée permet également de se passer de capteur de position du rotor.
[19] Selon un aspect de l’invention, le décalage angulaire entre les balais se fait de centre à centre, c'est-à-dire entre les plans médians de chaque balai. Un balai peut avoir une forme sensiblement parallélépipédique. Selon un aspect de l’invention, les balais peuvent toujours être en contact d’une lame. Un balai peut comporter une surface radialement intérieure cylindrique en contact avec le collecteur, notamment avec les lames.
[20] Selon un aspect de l’invention, le nombre de paires de balais est compris entre 1 et G*p. Par exemple, le nombre de paires de balais peut être égal à un ou à deux pour une machine à deux paires de pôles apparents avec un rapport de réduction magnétique G égal à 1. Toutes les paires de balais frottent sur les mêmes lames. Selon l’invention, le nombre de balais est donc pair.
[21] Selon un aspect de l’invention, le collecteur présente G*p*q passages d’un type de lame à un autre. Le type d’une lame est défini par son appartenance à un des groupes de lames. Deux lames successives n’appartiennent pas à un même groupe de lames.
[22] Selon un aspect de l’invention, le collecteur présente G fois la même séquence de lames.
[23] Selon un aspect de l’invention, le rapport de réduction magnétique est strictement supérieur à 1.
[24] Selon un aspect de l’invention, les lames présentent toutes le même secteur angulaire et/ou la dimension axiale. En particulier, toutes les lames sont identiques. Les lames peuvent ne pas être décalées axialement. Les lames peuvent être en cuivre. Les lames peuvent avoir une épaisseur radiale comprise entre 1 mm et 3mm, par exemple 2mm. Cette épaisseur permet de réduire la densité volumique de courant dans les lames. Les lames peuvent avoir une dimension axiale comprise entre 8mm et 12mm, par exemple 10mm. Selon l’invention, le collecteur possède un seul arrangement circonférentiel de lames conductrices autour de l’axe.
[25] Selon un aspect de l’invention, le collecteur comprend un squelette, de révolution autour de l’axe de la machine électrique, pour maintenir les lames en position. Le squelette peut être en matériau isolant électriquement, par exemple en plastique. Le squelette peut être en seul tenant. Le squelette peut comprendre des ouvertures radiales, en particulier G*p*q ouvertures recevant les lames. Le squelette peut être surmoulé sur les lames. Le squelette peut comprendre une ouverture centrale destinée à recevoir un arbre de rotor. Le collecteur peut comprendre un manchon disposé dans l’ouverture centrale du squelette et apte à être solidaire de l’arbre de rotor. Le manchon est fixe par rapport au squelette. Le manchon est plus rigide que le squelette de sorte à renforcer la liaison entre le collecteur et l’arbre de rotor.
[26] Selon un aspect de l’invention, q peut être égal à 3. Le commutateur est ainsi apte à alimenter une machine électrique selon un système de courant triphasé.
[27] Selon un aspect de l’invention, la zone de frottement entre les balais et les lames peut être à une distance radiale par rapport à l’axe comprise entre 20 mm et 45 mm, notamment 25 mm, notamment 35 mm.
[28] Selon un aspect de l’invention, un secteur angulaire sur lequel est définie une pièce donnée est le plus petit secteur qui comprend la pièce donnée dans un plan perpendiculaire à l’axe de la machine.
[29] Selon un autre aspect de l’invention, les lames d’un même groupe peuvent toutes être connectées électriquement à une bague disposée radialement à l’intérieur des lames.
[30] Une telle bague permet de mutualiser les connexions électriques entre les lames d’un même groupe ce qui simplifie la fabrication du commutateur. Au sens de la demande, les balais ne frottent pas sur les bagues mais bien sur les lames.
[31] Selon un autre aspect de l’invention, un pont peut être prévu entre chaque lame et la bague associée. Les ponts s’étendent radialement depuis la bague, notamment sans décalage axial depuis la bague. Les ponts et la bague associée sont dans un espace intérieur du squelette tandis que les lames affleurent vers l’extérieur pour venir en contact électrique avec les balais. Les lames d’un même groupe, les ponts et la bague forment un anneau d’un seul tenant. La bague et l’anneau associés aux lames du groupe q sont dits de type q.
[32] Selon un autre aspect de l’invention, le collecteur comprend q bras de liaison, chacun étant solidaire d’une bague, notamment par soudure. Chaque bras possède une extrémité libre apte à être connectée à une phase, ou à plusieurs phases, de bobinage du rotor pour l’alimenter ou les alimenter. Chaque bras de liaison débouche, notamment radialement, du squelette du collecteur au travers d’un trou radial ménagé dans le squelette. [33] Selon un aspect de l’invention, les bagues de chaque groupe peuvent se succéder axialement.
[34] Cette juxtaposition axiale favorise la compacité du collecteur.
[35] Selon un aspect de l’invention, les ponts d’un même type q sont décalés des ponts des autres types. Les bagues peuvent être axialement réparties sur une longueur axiale de lame.
[36] Les ponts peuvent être connectés à une zone centrale des lames ou à une extrémité de celles-ci. En particulier, lorsque q = 3 (c'est-à-dire lorsque le système de courant est triphasé) le collecteur comprend trois bagues, une centrale et deux d’extrémités entourant la bague centrale. Les ponts associés à la bague centrale sont connectés axialement au centre des lames et les ponts associés aux bagues d’extrémités sont connectés sur des coins des lames.
[37] En variante, les bagues peuvent être concentriques.
[38] Selon un aspect de l’invention, chaque lame peut être séparée des deux lames adjacentes par une inter-lame.
[39] L’inter-lame est définie pour empêcher le contact circonférentiel entre deux lames successives.
[40] Selon un aspect de l’invention, les inter-lames peuvent toutes présenter la même ouverture angulaire.
[41] L’ouverture angulaire de chaque lame peut ainsi être égale, en radians, à [2*TT- G*q*p*(ouverture d’une inter-lame)]/(G*p*q).
[42] Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire d’une inter-lame est inférieure à l’ouverture angulaire d’une des lames. En variante, l’ouverture angulaire d’une inter-lame peut être supérieure à l’ouverture angulaire d’une des lames.
[43] Selon un aspect de l’invention, la dimension minimale dans la direction circonférentielle entre deux lames successives, c'est-à-dire la dimension circonférentielle des inter-lames, est choisie pour éviter le claquage diélectrique. La dimension minimale peut être comprise entre 1 ,6 mm et 2,4 mm lorsque le commutateur est alimenté sous 48V. [44] Cette dimension des inter-lames permet d’éviter les arcs électriques entre les lames adjacentes tout en laissant un espace suffisant aux lames ce qui simplifie la fabrication du squelette. Cette dimension d’inter-lames peut également permettre la continuité du frottement entre les balais et les lames.
[45] La dimension radiale minimale du collecteur est imposée par le nombre de lames et par la dimension minimale des inter-lames à respecter.
[46] L’ouverture angulaire d’une des inter-lames se déduit de la distance radiale de la zone de frottement et de la dimension circonférentielle de cette inter-lame.
[47] L’ouverture angulaire des lames peut être identique à l’ouverture angulaire des inter-lames. Chaque lame et chaque inter-lame s’étendent chacune sur 2*TT/(2* G*p*q).
[48] Selon un aspect de l’invention, l’inter-lame peut être isolante. L’inter-lame peut être un espace vide entre deux lames successives. L’inter-lame peut comprendre une protubérance non conductrice, notamment formée par le squelette.
[49] Selon un aspect de l’invention, une des inter-lames, notamment chaque inter lame, peut comprendre une lame isolée. La lame isolée n’est connectée électriquement à aucune autre lame. La lame est dite isolée en opposition aux lames conductrices, connectées électriquement qui forment les q groupes. En variante, les inter-lames peuvent être connectées ensemble formant un groupe de lames isolées en mêmes conditions de potentiel électrique.
[50] Selon un aspect de l’invention, les lames isolées peuvent être fixées sur une bague d’inter-lames. La bague d’inter-lames peut être disposée dans l’espace intérieur du squelette. La bague d’inter-lames peut être radialement à l’extérieur des bagues de type q. Les lames isolées comportent un pied inséré dans une ouverture de la bague d’inter-lames pour la fixation de la lame isolée. La bague d’inter-lames peut comprendre des fenêtres pour le passage des ponts entre les lames d’un des q groupes et la bague associée.
[51] La lame isolée est séparée des lames conductrices par des interstices. Les interstices peuvent mesurer entre 1 mm et 5mm dans la direction circonférentielle. Les lames isolées sont reçues dans des ouvertures radiales. Le collecteur peut alors comprendre 2*G*p*q lames, les lames conductrices étant en alternance avec les lames isolées. Les lames isolées sont à potentiel flottant.
[52] Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire des lames isolées peut être comprise entre 20 et 50%, notamment entre 40% et 50% de l’ouverture angulaire des lames conductrices.
[53] Les lames isolées permettent de garantir une uniformité de contact entre le collecteur et les balais. En effet les balais frottent quasiment en continu sur des lames, isolées ou conductrices.
[54] Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire de chaque balai est supérieure à l’ouverture angulaire des inter-lames. Ainsi, chaque balai est toujours en contact avec au moins une lame. Chaque balai peut être en contact simultanée avec au plus deux groupes de lames différents.
[55] Selon un aspect de l’invention, le taux de recouvrement peut être le rapport entre la différence entre l’ouverture angulaire d’un balai et l’ouverture angulaire d’une inter-lame divisée par le motif élémentaire du collecteur. Selon un aspect de l’invention, le taux de recouvrement peut être compris entre compris entre
10% et 55%.
[56] Selon un aspect de l’invention, la somme de l’ouverture angulaire d’un balai et de l’ouverture angulaire d’une lame peut être supérieure ou égale à 120 degrés électriques et inférieur strictement à 180 degrés électriques.
[57] Au sens de la demande, le rapport entre un degré électrique et un degré géométrique est égal à G*p.
[58] Au sens de la demande, le recouvrement est la période durant laquelle un balai donné est en contact avec deux lames de groupes différents. Durant ce recouvrement, le balai peut ainsi alimenter deux groupes distincts de lames simultanément. L’alimentation simultanée de deux groupes de lames pour un même balai influe sur la forme de système polyphasé de courant. La forme d’onde de chaque phase est modifiée. Le recouvrement permet d’alimenter le rotor selon un système polyphasé de courant, par exemple créneaux, par exemple quasi-sinusoïdale tout en maintenant le courant de la source de tension à une valeur moyenne non nulle, de même signe de courant au cours du temps. [59] Selon un aspect de la demande, à collecteur fixé (ouverture angulaire des lames et des inter-lames fixes), l’ouverture des balais peut être choisie pour obtenir différents forme de système de courant. Pour un collecteur donné, il peut donc y avoir plusieurs systèmes de courant.
[60] L’invention a également pour objet une machine électrique qui comprend :
- un commutateur mécanique tel que décrit précédemment,
- un stator fixe en rotation, le stator formant l’inducteur de la machine,
- un rotor mobile en rotation autour de l’axe de la machine électrique, le rotor formant avec le collecteur un induit de la machine, le rotor comprenant : i. un arbre de rotor, et ii. un corps de rotor comprenant :
1. un paquet de tôles comprenant des tôles empilées axialement, le paquet de tôles comprenant Nr dents rotoriques, le paquet de tôles ayant une pluralité d’encoches d’extension axiale,
2. au moins un bobinage, le bobinage étant réparti en q phases (a, b, c) alimentées par le commutateur, les phases comprenant des sections de bobinage logés dans les encoches, les sections de chaque phase se succédant circonférentiellement, chaque phase présentant deux extrémités (32).
[61] Une telle machine est particulièrement remarquable en ce que le rotor est alimenté selon un système de courants polyphasé au moyen d’un commutateur mécanique alimenté en courant continu. Le rotor obtient sa tension et son courant d’une source de tension, par exemple la batterie d’accumulateurs, donc en continu et pas en alternatif.
[62] Une telle machine électrique polyphasée est économe car elle évite un ensemble électronique coûteux pour l’alimentation en courant alternatif des multiples phases de la machine à partir d’un courant continu. [63] Les balais sont également alimentés en courant continu, ils sont reliés à la même source de tension. Ils ne sont pas reliés aux phases du rotor, ce sont les groupes de lames qui sont connectées aux q phases du rotor.
[64] Selon un aspect de l’invention, la machine peut présenter un nombre de paires de pôles apparents p compris entre 1 et 24, par exemple 12. En particulier la machine peut être à 6 paires de pôles magnétiques apparents.
[65] Selon un aspect de l’invention, Le nombre d’encoches Ne peut être compris entre 1 et 50, de préférence entre 10 et 30, par exemple égale à 12 ou à 24.
[66] Selon un aspect de l’invention, le bobinage peut être réparti ou à pas fractionnaire.
[67] Au sens de la demande, le rotor présentant un bobinage à pas fractionnaire, comprend un nombre d’encoches par pôle apparent et par phase qui n’est pas entier. Le nombre d’encoches par pôle apparent et par phase peut être égal à Ne’ = Ne /(2*p*q). Ne’ peut être supérieur à 0,2 et strictement inférieur à 1.
[68] Selon un aspect de l’invention, chaque phase peut présenter un unique conducteur formant les différentes sections de bobinage. Chaque phase peut présenter plusieurs conducteurs assemblés ensemble à l’extérieur des encoches. Ces conducteurs peuvent être des épingles, par exemple en forme de U, par exemple en forme de I. Ces épingles peuvent être insérées axialement puis reliées ensemble. Les épingles permettent d’obtenir de meilleurs performances, notamment en terme de couple moteur.
[69] Selon un aspect de l’invention, Nr peut être compris entre 2 et 50, de préférence compris entre 16 et 24 et par exemple égal à 20. Le nombre d’encoches peut être égal à Nr, chaque encoche étant alors disposée entre deux dents rotoriques successives.
[70] Selon un aspect de l’invention, les dents rotoriques peuvent présenter une forme bombée.
[71] Selon une première variante, le stator comprend Ns dents statoriques. La machine présente 2*p pôles magnétiques apparents avec 2*p = Nr-Ns et un rapport de réduction magnétique G = Ns/2p. [72] Selon cette variante, le stator n’est pas alimenté par une source de tension et/ou de courant. Le stator n’est pas en liaison filaire avec une source de tension ou de courant. Le stator est à réluctance pure. Le stator ne comprend pas d’aimants permanents. Cette machine électrique est économe en matière première coûteuse et le procédé de fabrication est extrêmement simplifié.
[73] Selon un aspect de l’invention, le stator peut être formé par un paquet de tôles. Le stator peut comprendre des renfoncements entre chaque dents statoriques successives. Ces renfoncements peuvent présenter une forme arrondie.
[74] Selon un aspect de l’invention, Ns peut être compris entre 2 et 50, de préférence compris entre 10 et 30 et par exemple égal à 24.
[75] Selon un aspect de l’invention, G peut être compris entre 1 et 20, de préférence compris entre 3 et 15, par exemple 5, par exemple 11.
[76] Selon une deuxième variante, le stator comprend Na paires de pôles magnétiques. La machine électrique présente 2*p pôles magnétiques apparents avec p = Nr-Na et G = Na/p. Selon cette variante, le nombre de pôles magnétiques au stator n’est pas le nombre de pôles magnétiques apparents de la machine électrique.
[77] Selon un aspect de l’invention, Na peut être compris entre 1 et 50, de préférence compris entre 5 et 30 et par exemple égal à 22.
[78] Dans le cas des première et deuxième variante, G peut être strictement supérieur à 1 et inférieur à 20, de préférence compris entre 3 et 15, par exemple 5, par exemple 11.
[79] Selon un aspect de l’invention, le stator peut comprendre une culasse équipée d’un ou de plusieurs d’aimants réparties circonférentiellement. Les aimants peuvent être des aimants permanents, notamment ferrite, notamment aux terres rares. Dans ce cas, une excitation du stator n’est pas nécessaire. Le stator peut comprendre un ou plusieurs aimants à aimantation Halbach. En variante, les aimants peuvent être des électro-aimants.
[80] Ces structures de machines électrique, dites Vernier, notamment à grand nombre dents, procurent une très grande densité de couple, simultanément avec un effet de multiplication de vitesse, partant de la vitesse mécanique du rotor, allant vers la vitesse d’une onde de perméance.
[81] Ces structures permettent d’obtenir un effet de réduction magnéto-mécanique où l’onde de perméance, utile à la conversion électromécanique de l’énergie, tourne G fois plus vite que le rotor. Le rapport de réduction magnétique G s’exprime de façon simple en fonction du nombre de dents et de pôles au stator.
[82] Le commutateur mécanique va paradoxalement assurer un autopilotage entre la vitesse mécanique et l’alimentation en courant, c'est-à-dire à une vitesse identique à celle de l’onde de perméance, soit G x la vitesse mécanique du rotor et des lames.
[83] Selon un autre aspect de l’invention, les phases du bobinage peuvent être reliées aux lames du collecteur, en particulier aux bagues du collecteur, par l’intermédiaire des bras de liaison.
[84] Selon un autre aspect de l’invention, la machine électrique peut également comprendre un ensemble porte-balais fixe en rotation dans lequel sont logés les balais du commutateur. Le porte-balais peut entourer le collecteur.
[85] La machine électrique peut comprendre un carter fixe en rotation. Le carter peut entourer l’ensemble du stator, du rotor et du commutateur. Le carter peut être en deux parties, une avant et une arrière. Le porte-balais peut être fixé sur la partie arrière du carter. Le stator peut être fixé sur la partie avant du carter.
[86] Selon un autre aspect de l’invention, le collecteur peut être fixé en rotation sur l’arbre de rotor, notamment le manchon du collecteur peut être emmanché à force. En variante, le collecteur peut être monté sur l’arbre de rotor de manière réversible. Des organes de roulement peuvent être disposés entre l’arbre de rotor et le carter pour supporter le rotor.
[87] Selon un premier mode de bobinage, chacun des q groupes de lames est connecté électriquement à une des deux extrémités d’une des q phases du rotor, les autres extrémités des q phases sont connectées électriquement ensemble de sorte à former un bobinage en étoile.
[88] Dans un exemple particulier de ce premier mode de bobinage, q est égal à trois, le commutateur alimente donc le rotor selon un système de courant triphasé. Une extrémité de chacune des trois phases de bobinage peut être fixée, notamment par soudure sur une extrémité de l’un des trois bras de liaison.
[89] Selon un autre aspect de l’invention, une seule des deux extrémités de chaque phase peut être connectée à un bras de liaison. Chaque groupe de lames peut alimenter une seule et unique phase des q, notamment trois, phases du rotor. Chaque groupe de lames, notamment chaque anneau du collecteur, alimente une phase distincte.
[90] Selon un aspect de l’invention, le collecteur peut également comprendre un connecteur apte à relier électriquement ensemble les extrémités des phases du bobinage. Le connecteur peut être disposé circonférentiellement à côté des extrémités libres des bras de liaison. Le connecteur peut déboucher radialement du squelette. Le connecteur comprend q extrémités, notamment trois, pour chacune recevoir chacune des extrémités de phase.
[91] Selon un deuxième mode de bobinage, chacun des q groupes de lames est connecté électriquement à deux extrémités de deux phases distinctes des q phases du rotor de sorte à former un bobinage en polygone.
[92] Dans un exemple particulier de ce deuxième mode de bobinage, q = 3, le commutateur alimente donc le rotor selon un système de courant triphasé. Le bobinage est donc en triangle. Une extrémité de chacune de trois phases de bobinage peut être fixée, notamment par soudure sur une extrémité de l’un des trois bras de liaison.
[93] Selon un autre aspect de l’invention, chaque phase du rotor peut être connectée à deux groupes de lames distincts. Chaque phase du bobinage peut être connectée à deux bras de connexion. Chaque bras de connexion peut être connecté à deux phases du bobinage. Le potentiel peut être identique aux deux extrémités de chaque phase du bobinage.
[94] Selon une configuration préférée de la machine électrique, le stator comprend Le stator peut comprendre un ou plusieurs aimants à aimantation Halbach et le bobinage est à pas fractionnaire. Cette configuration subit moins fortement la montée en vitesse. Une telle combinaison permet à la machine d’être moins perturbée par la réaction d’induit et de réduire les ondulations de couple. [95] L’invention a également pour un système de traction pour engin de transport comprenant :
- une machine électrique tel que décrite précédemment, et
- un hacheur connecté électriquement aux balais du commutateur mécanique et apte à être connecté à la batterie du véhicule.
[96] L’engin de transport peut être véhicule, notamment automobile. L’engin de transport peut être un véhicule autonome de livraison d’objets, notamment à roues, notamment à hélices, par exemple un engin de type « drone » ou
« droïde ».
[97] Le hacheur permet le réglage de la tension et ainsi la fonction de variateur de puissance. Le hacheur n’est pas ici un onduleur qui permet la génération de signaux de courants sinusoïdaux. Un rhéostat peut être prévu à la place du hacheur qui permet d’extraire totalement de l’électronique de puissance pour l’alimentation de la machine électrique.
[98] Un tel système de traction permet de propulser à bas coût un véhicule automobile.
[99] En variante, l’invention peut également porter sur un alternateur comprenant la machine électrique. L’invention peut également porter sur un système comprenant la machine électrique pouvant fonctionner en mode moteur et en mode alternateur.
[100] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[101] [fig. 1] et
[102] [fig. 2] sont des vues schématiques, en coupe, d’une machine électrique selon l’invention,
[103] [fig. 3] et
[104] [fig. 4] illustrent schématiquement l’alimentation électrique du bobinage de la machine selon un premier mode de bobinage étoilé, [105] [fig. 5] et
[106] [fig. 6] illustrent un exemple de collecteur de commutateur selon l’invention pour alimenter le bobinage dans le premier mode.
[107] [fig. 7] et [108] [fig. 8] illustrent schématiquement l’alimentation électrique du bobinage de la machine selon un deuxième mode de bobinage triangle.
[109] [fig. 9],
[110] [fig. 10], et
[111] [fig. 11] illustrent un exemple de collecteur de commutateur selon l’invention pour alimenter le bobinage dans le premier mode.
[112] [fig. 12] illustre un anneau isolé du collecteur de la figure 9.
[113] [fig. 13] illustre schématiquement et partiellement une machine électrique selon la première variante
[114] [fig. 14] illustre schématiquement et partiellement une machine électrique selon la deuxième variante
[115] [fig. 15] illustre schématiquement une machine à aimants segmentés avec bobinage réparti avec le commutateur associé
[116] [fig. 16] illustre schématiquement une machine à aimantation Halbach et bobinage à pas fractionné avec le commutateur associé. [117] On a représenté schématiquement sur la figure 1 , en coupe, une machine électrique 1. La machine 1 est apte à équiper un système de traction pour engin de transport, notamment un véhicule automobile.
[118] Dans l’exemple considéré, la machine comprend un rotor 3 mobile en rotation autour de l’axe X de rotation de la machine et un stator 4 fixe en rotation comprenant 2*p pôles magnétiques apparents et présentant un rapport de réduction magnétique G. Le rotor forme l’induit et le stator forme l’inducteur de la machine. La machine présente un nombre de pôles apparents p qui peut être compris entre 1 et 12. En particulier la machine peut être à 6 paires de pôles magnétiques apparents. [119] La machine 1 comprend également un carter 5 fixe en rotation, ici en deux parties, une avant 5a et une arrière 5b. Le carter entour l’ensemble du stator et du rotor Le carter peut être en deux parties, Le stator 4 est fixé sur la partie avant du carter, par exemple monté à force.
[120] Dans l’exemple considéré, le rotor 3 comprend un arbre de rotor 10 et un corps de rotor 11.
[121] Dans l’exemple considéré, un palier avant 13 et un palier arrière 14 sont traversés par l’arbre de rotor 10. L’arbre de rotor 10 est monté à rotation par rapport au carter 5, par exemple au moyen d’organes de roulement montés sur les paliers 13, 14.
[122] Par exemple, le rotor 3 comprend, un premier organe d’entraînement 20 appartenant à la machine 1. Un deuxième organe d’entraînement 21 monté sur un élément d’une chaîne de traction, par exemple un vilebrequin, du véhicule automobile, et un élément 22 transmettant le mouvement de rotation du deuxième organe d’entraînement 21 au premier organe d’entraînement 20 sont prévus. Selon un exemple particulier, les organes d’entraînement 20, 21 sont des poulies et l’élément 22 transmettant le mouvement est une courroie.
[123] Comme mieux visible sur la figure 2, la poulie 20 est montée solidaire en rotation sur l’arbre de rotor 10. L’arbre de rotor peut donc être entraîné en rotation par le mouvement de rotation de la poulie 20. La poulie 20 est disposée sur une première extrémité de l’arbre 14, dite extrémité avant. L’arbre 14 présente une deuxième extrémité, dite extrémité arrière, opposée à l’extrémité avant.
[124] Dans l’exemple considéré à la figure 1 , la machine est dans une deuxième variante. Le stator 4 comprend une culasse équipée d’un ou de plusieurs d’aimants réparties circonférentiellement. Les aimants sont ici des électro aimants. Par exemple, le stator comprend Na paires de pôles magnétiques, avec Na = 22.
[125] Dans l’exemple considéré, les électro-aimants sont alimentés avec un courant électrique d’excitation continu EXC provenant d’un hacheur du stator 25. Le stator 4 est alimenté au travers du hacheur de stator par une source de tension qui est ici la batterie B du véhicule. Le bobinage d’excitation est relié à la borne B+ de la batterie B.
[126] En variante des électro-aimants, le stator peut présenter un ou une pluralité d’aimants permanent pour former les Na pôles. Ces aimants peuvent être ferrites ou aux terres rares. De préférence, les aimants sont à aimantation Halbach.
Dans le cas d’aimants permanents, une excitation du stator n’est pas nécessaire. Le stator n’est pas en liaison filaire avec une source de tension ou de courant. Une machine selon cette deuxième variante est illustrée en figure 14.
[127] Dans une première variante de la machine 1 , le stator 4 comprend cette fois- ci Ns dents statoriques 100. peut être égal à 24. Le stator 4 peut être formé par un paquet de tôles. Une machine selon cette première variante est illustrée en figure 13.
[128] Selon cette première variante, le stator n’est pas alimenté par la batterie. Le stator n’est pas en liaison filaire avec une source de tension ou de courant. Le stator 4 est à réluctance pure. Le stator ne comprend pas d’aimants permanents.
[129] Dans l’exemple considéré, le corps de rotor 11 comprend un paquet de tôles, en matériau ferromagnétique, comprenant des tôles empilées axialement. Le paquet de tôles comprenant Nr dents rotoriques 101 et une pluralité d’encoches d’extension 102 axiale.
[130] Dans l’exemple considéré, Nr peut être compris entre 2 et 50, par exemple égal à 20. Le nombre d’encoches Ne peut être égal à Nr, chaque encoche étant alors disposée entre deux dents rotoriques 101 successives.
[131] Dans sa première variante, la machine 1 présente 2*p pôles magnétiques apparents avec 2*p = Nr-Ns et un rapport de réduction magnétique G = Ns/2p.
[132] Dans sa seconde variante, la machine 1 présente 2*p pôles magnétiques apparents avec p = Nr-Na et G = Na/p.
[133] Le corps de rotor 11 comprend également au moins un bobinage 30, le bobinage étant réparti en q phases. Les phases comprennent des sections de bobinage 31 logés dans les encoches, les sections de chaque phase se succédant circonférentiellement. Chaque phase présente deux extrémités 32. Les encoches sont séparées les unes des autres par des dents de corps de rotor. Le bobinage peut être réparti ou à pas fractionnaire.
[134] Dans l’exemple considéré à la figure 2, q = 3, le bobinage est donc un bobinage triphasé dont les phases sont a, b et c. Le rotor 3 est donc alimenté selon un système de courant triphasé.
[135] Les phases du bobinage 30 peuvent être connectées en étoile ou en polygone. Dans ce mode de réalisation, le rotor comporte trois phases a, b, c connectées en triangle, comme illustré sur la figure 2.
[136] Dans l’exemple considéré, chaque tôle peut présenter une forme annulaire et comporter des rainures disposées radialement. Les encoches des tôles empilées forment les encoches de paquet de tôles s’étendant selon une direction sensiblement parallèle à l’axe X. Entre les encoches 102 sont formés, les Nr dents rotoriques 101.
[137] Dans l’exemple considéré, chaque phase a, b ,c peut présenter un unique conducteur formant les différentes sections de bobinage.
[138] Dans l’exemple considéré, des chignons 35 formés par le bobinage 30 sont disposés de part et d’autre du paquet de tôles.
[139] La machine 1 selon l’exemple considéré est particulièrement remarquable en ce qu’elle comporte un commutateur mécanique 40 pour alimenter les q phases de rotor 3. Dans l’exemple considéré, aux figures 1 et 2, le commutateur mécanique alimente donc le rotor 3 avec un système de courant triphasé. Le commutateur 40 est disposé à l’intérieur du carter.
[140] Dans l’exemple considéré, le commutateur 40 comprend un collecteur 41 mobile en rotation autour de l’axe X. Le collecteur sera décrit plus en détail en référence suivantes. Le collecteur 41 est fixé en rotation sur l’arbre de rotor 10 et forme avec le rotor 3 l’induit de la machine 1.
[141] Dans l’exemple considéré, le commutateur 40 comprend également au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif 45 et un balai négatif 46, aptes à frotter sur le collecteur 41. Les balais 45, 46 sont fixes en rotation, ils sont définis chacun sur un secteur angulaire et ils sont reliés à une même source de tension ici batterie B du véhicule. Les balais sont donc alimentés en courant continu.
[142] Dans l’exemple considéré, un hacheur 48 est disposé entre les balais 45, 46 et la borne B+ de la batterie B pour régler la tension et agir comme variateur de tension.
[143] Dans l’exemple considéré, les balais 45, 46 ont une forme sensiblement parallélépipédique. Chaque balai comporte une surface radialement intérieure cylindrique en contact avec le collecteur 41.
[144] Dans l’exemple considéré, la machine 1 comprend un ensemble porte-balais 50 fixe en rotation dans lequel sont logés les balais 45, 46. Le porte-balais 50 porte les balais. Le porte-balais 50 entoure le collecteur 41. Le porte-balais est fixé au carter, notamment sur la partie arrière 5b du carter. Le porte-balais peut être fixé sur le palier arrière 14 ou directement sur la culasse du stator.
[145] Lorsque la machine 1 fonctionne en mode générateur, la poulie 20 et le rotor
3 sont entraînés en rotation et le bobinage du rotor 30 est alimenté électriquement par du commutateur 40. Le rotor 3 est alors magnétisé, un champ magnétique est créé et génère un courant induit dans le bobinage du stator.
[146] On va maintenant décrire en détail le fonctionnement et la structure du commutateur.
[147] Les figures 3 et 4 illustrent schématiquement l’alimentation par un système de courant triphasé du bobinage d’un rotor 3 d’une machine 1 comprenant deux paires de pôles apparents, i.e. p = 2, selon un premier mode de bobinage étoilé et selon la première variante de machine, i.e. à réluctance pure. Les figures 3 et
4 représentent le commutateur 40 et le bobinage du rotor 30 déroulés.
[148] En référence à la figure 3, le collecteur 41 comprend G*p*q lames conductrices 60 se succédant circonférentiellement, avec ici G= 2, p = 2 et q = 3, donc 12 lames conductrices. Seules la moitié des 12 lames 60 sont représentées ici. Chaque lame 60 est définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes sont isolées les unes des autres. Les lames conductrices sont réparties en q groupes, ici trois groupes a’, b’, c’. Toutes les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’ sont connectées électriquement ensemble et les trois groupes sont alternées circonférentiellement.
[149] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 présente un motif élémentaire de lames qui se répète G*p fois, ici quatre fois. Le motif élémentaire de lames est ici : lame du groupe a’, lame du groupe b’ et lame du groupe c’. Le collecteur 41 présente G*p*q passages, ici douze, d’un type de lame à un autre. Le type d’une lame est défini par l’appartenance à un groupe. Le collecteur présente ainsi un motif élémentaire égal à 2*TT/(G*p*q), soit TT/6 OU encore 30°.
[150] Dans l’exemple considéré, chacun des trois groupes a’, b’, c’ de lames est connecté électriquement à une des deux extrémités 32 d’une des trois phases a, b, c du rotor 3. Les autres extrémités 32 des trois phases sont connectées électriquement ensemble de sorte à former un bobinage en étoile.
[151] Dans l’exemple considéré aux figures 3 et 4, G=2 et p=2 nous donne Nr = 12 et Ns = 8.
[152] Dans l’exemple considéré, le rotor peut comprendre 12 encoches, autant que de dents rotoriques Nr. Chacune des douze lames du collecteur est alignée avec une dent de corps de rotor. Chacune des encoches dans laquelle est logée une section appartenant à une phase du type q est alignée axialement avec une lame du collecteur 41 du même type.
[153] Dans l’exemple considéré, toutes les lames présentent toutes le même secteur angulaire et la même dimension axiale. En particulier, toutes les lames 60 sont identiques et ne sont pas décalées axialement. Les lames 60 peuvent être en cuivre. Les lames 60 peuvent avoir une épaisseur radiale comprise entre 1 mm et 3mm, par exemple 2mm. Les lames peuvent avoir une dimension axiale comprise entre 8mm et 12mm, par exemple 10mm.
[154] En référence à la figure 4, le commutateur comprend une unique paire de balais 45, 46 toujours en contact des lames 60. Deux paires de balais auraient pu être envisagé car le nombre de paires peut être compris entre 1 et p. Les balais de la paire représentée sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1 )*2*TT]/(2*G*p)], k étant un entier naturel. Dans l’exemple considéré, les balais peuvent donc être décalés, par exemple, d’un angle de TT/2 OU de 3TT/2, ici les balais 45, 46 sont décalés de TT/2. [155] Le décalage angulaire entre les balais 45, 46 se fait de centre à centre, c'est- à-dire entre les plans médians A de chaque balai.
[156] Dans l’exemple considéré, chaque lame 60 est séparée des deux lames 60 adjacentes par une inter-lame 62 isolante. L’ouverture angulaire de chaque inter lame 62 est identique.
[157] Dans l’exemple considéré, l’ouverture angulaire de chaque balai 45, 46 est supérieure à l’ouverture angulaire des inter-lames 62. Ainsi, chaque balai est toujours en contact avec au moins une lame et avec deux lames pendant les phases de recouvrement.
[158] En référence aux figures 5 et 6, on va maintenant décrire, une variante concrète de collecteur 41 pour l’alimentation par un système de courant triphasé (q=3) d’une machine 1 à deux paires de pôles apparents et à rapport de réduction magnétique G égal à 4 avec un bobinage en étoile. Le collecteur présente donc un motif élémentaire égal 2*TT/(G*p*q), soit TT/1 2 OU encore 15°.
[159] Dans l’exemple considéré, chaque inter-lame 62 comprend une lame isolée 63 qui n’est connectée électriquement à aucune autre lame. Les lames 63 sont dites isolées en opposition aux lames 60 conductrices connectées électriquement qui forment les trois groupes de lames. Les lames isolées sont à potentiel flottant. Les lames isolées 63 sont séparées des lames conductrices 60 par des interstices 64 qui peuvent mesurer entre 1 mm et 5mm dans la direction circonférentielle.
[160] Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire des lames isolées 63 est comprise entre 40% et 50% de l’ouverture angulaire des lames conductrices 60.
[161] Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend 48 lames, 24 lames conductrices 60 (G=4, p=2 et q=3) et 24 lames isolées 63, les lames conductrices 60 étant en alternance avec les lames isolées 63.
[162] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 présente G*p*q passages, ici 24 passages, d’un type de lame conductrice à un autre. Le type d’une lame est défini par l’appartenance à un groupe. Les lames isolées n’appartiennent à aucun groupe. [163] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend un squelette 65, en matériau isolant, par exemple en plastique, de révolution autour de l’axe X pour maintenir les lames 60, 63 en position. Le squelette est de forme sensiblement cylindrique. Le squelette 60 est ici d’un seul tenant. Le squelette comprend 48 ouvertures radiales 67 recevant les lames 60, 63. Le squelette comprend une ouverture centrale 68 recevant l’arbre de rotor 10. Le collecteur 41 comprend également un moyeu central 69 pour le passage de l’arbre du rotor. Le squelette est fixé sur le moyeu central, par exemple surmoulé sur le moyeu central 69.
[164] La figure 6 est une vue éclatée du collecteur de la figure 5. Les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’ sont toutes connectées électriquement à une bague disposée radialement à l’intérieur des lames. Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend une bague d’un type a 70 pour connecter ensemble les lames 60 du groupe a’, une bague d’une type b 71 et une bague d’une type c 72.
[165] Dans l’exemple considéré, les bagues 70, 71 , 72 se succèdent axialement. La bague de type b est centrale et les bagues de type a et de type c sont d’extrémités. Les bagues sont axialement réparties sur une longueur axiale de lame 60.
[166] Dans l’exemple considéré, un pont 75 est prévu entre chaque lame 60 et la bague associée 70, 71 , 72. Chaque pont est associé à une unique lame 60. Les ponts 75 s’étendent radialement depuis les bagues sans décalage axial.
[167] Les ponts 75 de la bague de type b 71 , centrale, sont connectés à une zone centrale des lames 60. Les ponts 75 des bagues d’extrémités 70, 72 sont connectés sur des coins des lames 60.
[168] Les ponts et les bagues sont dans un espace intérieur du squelette 67 tandis que les lames 60 affleurent vers l’extérieur pour venir en contact électrique avec les balais 45, 46.
[169] Dans l’exemple considéré, les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’, les ponts 75 et la bague 70, 71 , 72 forment un anneau d’un seul tenant. Le collecteur comprend ainsi un anneau de type a 77, un anneau de type b, 78 et un anneau de type c 79. L’anneau de type b 78 est représenté isolément à la figure 8. [170] Dans l’exemple considéré, les lames isolées sont fixées sur une bague d’inter-lames 73. La bague d’inter-lames 73 est disposée dans l’espace intérieur du squelette 65. La bague d’inter-lames 73 radialement à l’extérieur des bagues 70, 71 , 72. Les lames isolées 63 comportent un pied 74 inséré dans une ouverture de la bague d’inter-lames par la fixation de la lame isolée.
[171] La bague d’inter-lames 73 comprend des fenêtres 76 pour le passage des ponts 75 entre les lames 60 du groupe b et la bague 72 qui est en position centrale. Ainsi, les ponts 75 de l’anneau de type b 78 traversent la bague d’inter lames 73.
[172] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend trois bras de liaison 80, chacun étant solidaire d’une des bagues 70, 71 , 72. Chaque bras de liaison comprend une portion venant de matière avec les anneaux et une portion comprenant l’extrémité libre 81. Les deux portions sont fixées l’une à l’autre par exemple par soudure. Chaque extrémité libre 81 est connectée à une phase de bobinage a, b, c pour l’alimenter. Chaque bras de liaison 80 débouche radialement du squelette 65 du collecteur au travers d’un trou radial 82 ménagé dans le squelette.
[173] Dans l’exemple considéré, une seule des deux extrémités 32 de chaque phase a, b, c est connectée à un bras de liaison. Chaque groupe de lames a’, b’, c’ alimente ainsi une seule et unique phase des 3 phases du rotor.
[174] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend également un connecteur 90 pour relier électriquement ensemble les extrémités 32 des phases a, b, c. Le connecteur 90 est disposé circonférentiellement à côté des extrémités libres 81 des bras de liaison. Le connecteur 90 débouche radialement du squelette 67. Le connecteur comprend trois extrémités 91 , pour chacune recevoir chacune des extrémités de phase 32. Ainsi chaque phase a, b, c comprend une extrémité 32 connectée à un bras de liaison 80 et une extrémité connectée au connecteur 90.
[175] Les figures 7 et 8 illustrent schématiquement l’alimentation par un système de courant triphasé du bobinage d’un rotor 3 d’une machine 1 comprenant deux paires de pôles apparents (p = 2) et un rapport de réduction magnétique G égale à deux selon un deuxième mode de bobinage (triangle). Les figures 12 et 13 représentent partiellement le commutateur 40 et le bobinage du rotor 30 déroulés.
[176] Cet exemple diffère de celui illustré aux figures 3 et 4 en ce que chacun des 3 groupes de lames a’, b’, c’ est connecté électriquement à deux extrémités 32 de deux phases a, b, c distinctes de sorte à former un bobinage en triangle.
[177] Dans l’exemple considéré, chaque phase a, b, c est connectée à deux groupes de lames a’, b’, c’ distincts.
[178] En référence aux figures 9 à 12, on va maintenant décrire, un commutateur 40 pour l’alimentation par un système de courant triphasé (q=3) d’une machine 1 à deux paires de pôles et avec un rapport de réduction G égal à 3 avec un bobinage en triangle.
[179] Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend ici 18 lames conductrices 60. (G=3, p=2 et q=3). le collecteur 41 présente G*p*q passages, ici 18, d’un type de lame à un autre. Le collecteur 40 présente un motif élémentaire de lames qui se répète G*p fois, ici 6. Le motif élémentaire est ici : lame du groupe a’, lame du groupe b’ et lame du groupe c’ (a’, b’, c’).
[180] Le collecteur 40 considéré ici diffère de celui des précédents en ce qu’il ne comprend pas de connecteur. Le collecteur comprend uniquement 3 bras de liaison 80 qui reçoivent chacun deux extrémités de phase 32. Les extrémités 32 sont par exemple fixées par soudure. Chaque phase a, b, c est donc connectée à deux bras de liaison 80 et chaque bras de liaison 80 est connecté à deux phases du bobinage. Le potentiel est identique aux deux extrémités 32 de chaque phase a, b, c.
[181] La figure 13 présente schématiquement une machine 1 selon la première variante dans laquelle Nr = 24, Ns = 20. Le nombre de pôles apparents p est ainsi égal à 2, le rapport de réduction magnétique G égal à 5 et le nombre de lames du collecteur égal à 30. Le nombre Ne d’encoches 102 est égal à 24.
[182] Dans l’exemple considéré, Selon un aspect de l’invention, les Ns dents rotoriques 101 présentent une forme bombée en direction du stator. Le stator 4 comprend des renfoncements 103 entre chaque dents statoriques successives présentant chacun une forme arrondie. [183] La figure 14 présente schématiquement une machine 1 selon la première variante dans laquelle Nr = 24, Na = 22. Le nombre de pôles apparents p est ainsi égal à 2, le rapport de réduction magnétique G égal à 11 et le nombre de lames du collecteur égal à 66. Le nombre Ne d’encoches 102 est égal à 24. [184] La figure 15 présente schématiquement une machine 1 triphasée dont la culasse 105 du stator 4 est équipée de vingt aimants permanents 106 réparties circonférentiellement formant 10 paires de pôles magnétiques. Le bobinage 30 est un bobinage réparti. Les sections du bobinage sont réparties dans les 12 encoches 102 du corps de rotor 11. Les encoches 102 sont chacune comprises entre deux dents rotoriques soit Nr = 12.
[185] Dans l’exemple considéré, le nombre de pôles apparents est égal à 2, le rapport de réduction magnétique G est égal à 5. Le commutateur 40 associé comprend trente lames conductrices 60 et une unique paire de balais.
[186] Enfin, la figure 16 présente schématiquement une machine 1 triphasée dont le stator 4 est à aimantation Halbach et dont le bobinage 30 à pas fractionné. Ici le rapport de réduction magnétique G est égal à 1. Lorsque G=1 , le nombre de pôles apparents de la machine 1 est égal au nombre de pôle du stator 4. La machine est ici à 5 paires de pôles.
[187] Les sections du bobinage sont réparties dans les 12 encoches 102 du corps de rotor 11. Le nombre d’encoches par pôle apparent et par phase est égal à Ne’
= Ne /(2*p*q). Soit Ne’ = 12/30=0,4.
[188] Le commutateur 40 associé comprend 15 lames conductrices 60 et une unique paire de balais.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Commutateur (40) mécanique pour machine (1) électrique apte à alimenter par un système de courant polyphasé comprenant q phases, avec q entier positif strictement supérieur à 1 , un rotor (3) de machine électrique tournante présentant 2*p pôles magnétiques apparents et un rapport de réduction magnétique G, comprenant :
- un collecteur (41) mobile en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*TT/(G*p*q),
- au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif (45) et un balai négatif (46), aptes à frotter sur le collecteur (41), fixes en rotation, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même une batterie (B) de véhicule, caractérisé en ce que le collecteur (41) mécanique comprend G*p*q, avec G entier, lames conductrices (60) se succédant circonférentiellement, chaque lame (60) étant définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes étant isolées les unes des autres, les lames étant réparties en q groupes (a’, b’, c’), toutes les lames (60) d’un même groupe étant connectées électriquement ensemble, les q groupes étant alternées circonférentiellement, et en ce que les balais (45, 46) d’une même paire sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1)*2*TT]/(2*G*p), k étant un entier naturel.
[Revendication 2] Commutateur (40) mécanique selon la revendication 1 , les lames (60) d’un même groupe (a’, b’, c’) étant toutes connectées électriquement à une bague (70, 71, 72) disposée radialement à l’intérieur des lames (60).
[Revendication 3] Commutateur (40) mécanique selon la revendication précédente, la somme de l’ouverture angulaire d’un balai (45, 46) et l’ouverture angulaire d’une lame (62) étant supérieure ou égale à 120 degrés électriques et inférieur strictement à 180 degrés électriques
[Revendication 4] Machine (1) électrique comprenant :
- un commutateur (40) mécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3,
- un stator (4) fixe en rotation, le stator (4) formant l’inducteur de la machine, - un rotor (3) mobile en rotation autour de l’axe (X) de la machine électrique, le rotor (3) formant avec le collecteur (41) un induit de la machine, le rotor comprenant : i. un arbre de rotor (10), et ii. un corps de rotor (11 ) comprenant :
1. un paquet de tôles comprenant des tôles empilées axialement, le paquet de tôles comprenant Nr dents rotoriques (101 ), le paquet de tôles (10) ayant une pluralité d’encoches (102) d’extension axiale,
2. au moins un bobinage (30), le bobinage étant réparti en q phases (a, b, c) alimentées par le commutateur (40), les phases comprenant des sections de bobinage logés dans les encoches, les sections (31) de chaque phase se succédant circonférentiellement, chaque phase présentant deux extrémités (32).
[Revendication 5] Machine (1) électrique selon la revendication précédente dans laquelle le stator (4) comprend Ns dents statoriques (100), la machine présentant 2*p pôles magnétiques apparents avec 2*p = Nr-Ns et G = Ns/2p.
[Revendication 6] Machine (1) électrique selon la revendication 4 dans laquelle le stator (4) comprend Na paires de pôles magnétiques, la machine électrique présentant 2*p pôles magnétiques apparents avec p = Nr-Na et G = Na/p.
[Revendication 7] Machine (1) électrique selon la revendication précédente, dans laquelle, le stator (4) comprend un ou plusieurs aimants à aimantation Halbach et le bobinage (30) est à pas fractionnaire.
[Revendication 8] Machine (1) électrique selon l’une quelconques des revendications 4 à 7, chacun des q groupes de lames (a’, b’, c’) étant connecté électriquement à une des deux extrémités (32) d’une des q phases (a, b, c) du rotor, les autres extrémités (32) des q phases étant connectées électriquement ensemble de sorte à former un bobinage (30) en étoile.
[Revendication 9] Machine (1) électrique selon l’une quelconques des revendications 4 à 7, chacun des q groupes de lames (60) étant connecté électriquement à deux extrémités (32) de deux phases distinctes des q phases (a, b, c) du rotor de sorte à former un bobinage (30) en polygone. [Revendication 10] Système de traction pour engin de transport comprenant : - une machine (1 ) électrique selon l’une des revendications 4 à 8, et - un hacheur (48) connecté électriquement aux balais (45, 46) du commutateur (40) mécanique et apte à être connecté à la batterie (B) du véhicule.
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