Brevet FR2005930A1 — publié le 19691219

i 2005930 Cette invention concerne une dynamo électrique et plus particulièrement un alternateur à aimant permanent dont le rotor incorpore matériaux magnétiques permanents fournissant le champ tournant 15alternateur. 5 II est devenu courant de concevoir des alternateurs destinés à divers types d'avions et ces applications dictent une limitation du poids de l'alternateur par rapport à celui des alternateurs plus conventionnels du type à champ électromagnétique. Autrement dit, il est extrêmement intéressant d'obtenir un rapport puissance/poids le plus 10 élevé possible. De plus, dans ces applications il est impératif de pouvoir atteindre dep vitesses de rotation extrêmement élevées pour obtenir une puissance de sortie importante; il devient donc nécessaire de prévoir une structure capable de supporter des vitesses de rotation élevées. Une application typique d'une telle machine implique 15 un fonctionnement sur une plage de vitesses étendue avec des vitesses extrêmes de rotation de l'ordre de 60.000 tpm. Dans les applications futures de telles machines, on envisage la possibilité d'atteindre des vitesses de 100.000 tpm. Il est depuis longtemps admis que grâce à l'existence de maté-20 riaux magnétiques permanents présentant des densités de flux résiduelles et des forces coercitives importantes-par conséquent, des produits à grande puissance -il existe une possibilité d'exploitation de ces caractéristiques pour la construction de rotors à grande vitesse. Toutefois, une difficulté majeure a barré la voie vers 25 l'utilisation de ces matériaux, du fait que ces matériaux magnétiques permanents, ayant les caractéristiques hautement souhaitables précitées, tels que les matériaux du groupe Alnico sont physiquement cassants et ne se prêtent pas à une mise en forme permettant d'obtenir une rigidité structurale. De plus, si l'on tente d'améliorer 30 leur résistance à la traction, les matériaux perdent leur caractéristique inhérente de haute qualité magnétique. Par conséquent, ces matériaux n'ont pas été utilisés jusqu'à maintenant dans la construction des rotors à grande vitesse, mais seulement limités aux vitesses de rotation faibles et aux structures de relativement pe-35 tits diamètres. La présente invention est basée sur l'admission du fait que les matériaux magnétiques permanents hautement désirables peuvent être utilisés pour un rotor en donnant à ces matériaux la forme de barreaux magnétiques. De tels aimants peuvent être fabriqués de manière 40 à. obtenir le maximum possible de propriétés magnétiques souhaitables BAD ORIGINAL * 69 10674 2 2005930 étant donné qu'ils peuvent être traités thermiquement avec une orientation magnétique maximale. Autrement dit, l'utilisation de barreaux magnétiques permanents évite les compromis auxquels on doit avoir recours en essayant d'obtenir des propriétés magnétiques optimales 5 en même temps qu'une rigidité de structure. Ainsi, les propriétés magnétiques des barreaux magnétiques permanents n'ont pas à être compromises pour obtenir une résistance suffisante à la traction. Les barreaux magnétiques peuvent être laissés dans leur état cassant normal tout en étant solidement retenus, ainsi qu'il le sera expliqué 10 plus loin, grâce à la structure de rotor de la présente invention. Par conséquent, la présente invention est basée sur le fait que des matériaux extrêmement fragiles, convenant parfaitement pour des rotors à grande vitesse à aimant permanent, peuvent être effectivement utilisés dans ce but et sur le fait que les inconvénients dus 15 à leur fragilité peuvent être surmontés. Par conséquent, une caractéristique générale de la présente invention réside dans la fourniture d'un moyen approprié servant à retenir les barreaux magnétiques permanents. Les aimants sont disposés de manière à reposer sur les méplats d'un noyau ou moyeu en fer 20 doux. Des plaques d'extrémité sont prévues, faisant partie de l'ensemble du rotor pour bloquer les aimants en position. Une rondelle placée entre chacune des plaques d'extrémité et les aimants sert à rattraper le jeu. Il est également prévu des moyens s'étendant axia-lement à travers l'ensemble pour maintenir assemblés les éléments 25 du rotor. Ce moyen a de préférence la forme d'un tube, ou manchon, passant par le centre de l'ensemble et maintenant le rotor assemblé lorsqu'il est rabattu, afin que le rotor puisse être monté sur un arbre. La construction de rotor décrite ci-dessus, permet donc de 30 maintenir les barreaux magnétiques permanents et de protéger ces aimants physiquement cassants contre d'éventuels dommages dus aux vitesses de rotation élevées du rotor. D'autres avantages découlent de la construction de rotor décrite ci-dessus. On peut obtenir un nombre de pôles plus grand pour un diamètre donné, tout en conser-35 vant le maximum de qualités magnétiques, du matériau Alnico par exemple. Cela permet un plus grand choix de fréquences pour l'alternateur. Un autre avantage réside dans le fait que 1» rotor monté peut être magnétisé au moyen d'un dispositif réalisable. Autrement dit, du fait de sa structure en barreaux magnétiques, le matériau magné-40 tique permanent peut être magnétisé de façon permanente après 69 10674 3 2005930 montage d'une manière très simple et facile. De même, comme mentionné plus haut, des vitesses de fonctionnement très élevées sont possibles sans risque pour les aimants. Grâce aux grandes vitesses pouvant être atteintes, la machine peut être facilement conçue de ma-5 nière à produire un courant constant dans une résistance de charge, la tension de charge demeurant ainsi constante en tant que fonction de la vitesse. L'aspect d'intensité constante d'une telle conception peut être constaté à partir des calculs suivants s N = vitesse de rotation, TPM 10 E = tension de l'alternateur (vecteur) = K, N g 1 R = résistance de l'alternateur ; ohms g X = réactance de l'alternateur, ohms = K_ N g 2 R^ » résistance de charge, ohms I » intensité 15 = constante de la machine Kj = constante de la machine - I Gg * Rj + jXg.7 KjN « I /S_ + Rx + jK2N7 E g KjN 20 Rg + R1 + I = fij = KjN (Rg + Rx)2 + (K2N)2 Pour des vitesses supérieures à 2500 TPM, K2N R^ + D'où s a/ 25 I = KjN = ^ / 2~ 'V (K2N) K2, constante pour un type d'alternateur donné, La tension aux bornes de la charge est : e s t p — tr 1 _ , constante pour une résistance de charge 30 k2 1 donnée à des vitesses supérieurs à 2500 TPM. Une caractéristique secondaire de la présenta invention réside dans la fourniture d'un moyen permettant d'obtenir des entrefers parasites dans la structure du rotor. Ces entrefers parasites rédui-35 sent les effets de la démagnétisation ayant lieu par suite des 69.10674 4 2005930 courants de court-circuit. Les entrefers parasites sont définis par des barreaux magnétiques en acier inoxydable situés 1g long des pôles magnétiques permanents et en contact avec ceux-ci. Les barreaux d'acier sont soudés en place sur les rondelles d'extrémité servant 5 à retenir les aimants permanents contre un déplacement intempestif. Dans les dvasins annexés, La figure 1 est une vue en bout d'un alternateur à aimant permanent incorporant les caractéristiques de la présente invention. La figure 2 est une vue en élévation latérale du rotor, avec le 10 stator représenté en pointillés. La figure 3 est r.ne vue éclatée en coupe des divers éléments du rcuor selon un premier mode de réalisation de la présente invention. La figure 4 est une vue en coupe du rotor montrant les éléments assemblés. 15 La figure 5 est une vue en coupe prise suivant la ligne 5-5 de la figure 4. La figure 6 est une vue partielle en perspective d'une extrémité de l'ensemble rotor. La figure 7 est une vue en perspective de la structure de ron-20 delle et de plaque d'extrémité selon un mode de réalisation de la présente invention. La figure 8 est une vue éclatée en perspective d'éléments du rotor selon un autre mode de réalisation, et représentant particulièrement une modification de la rondelle et de la plaque d'extrémité. 25 La figure 9 est une vue latérale d'une modification de la structure de rotor, représentant des groupes d'aimants séparés, chaque groupe étant espacé circonférentiellement autour de l'axe du rotor. La figure 10 est une vue en plan de dessus d'une structure de rotor selon un autre mode de réalisation, caractérisée par l'addi-30 tion d'entrefers parasitaires. La figure 11 est une vue en coupe prise suivant la ligne 11-11 de la figure ÎO. Maintenant, avec référence aux figures, la figure 1 représente un rotor 10 et un stator 11 en position espacée de marche. Dans un 35 but de simplification, la carcasse, ou carter, Habituelle n'est, pas représentée, et l'on admettra que le rotor 10 est normalement monté sur un arbre afin de tourner dans des paliers appropriés à l'intérieur d'une telle carcasse. Le rotor 10 comprend un moyeu ou noyau 12 autour duquel sont montés plusieurs barreaux 14 en matériau ma-40 gnétique permanent. Ce matériau magnétique permanent peut être, par BAD ORIGINAL* 69 10674 5 2005930 exemple de 1'Alnico V, dont la composition est : 8% d'aluminium, 14,5% de nickel, 24% de cobalt, 3% de cuivre, le reste étant du fer. Le noyau 12 est de préférence en acier magnétique extra doux, ou matériau similaire, et a une forme lui permettant de s'adapter 5 sur le manchon 28, lequel s'adapte à son tour sur l'arbre (non représenté) . La surface périphérique externe 12a du noyau annulaire 12 est constituée par un ensemble de méplats disposés angulairement contre lesquels s'appuient les faces inférieures des barreaux magnétiques permanents 14. Les barreaux magnétiques permanents sont rete-10 nus contre un déplacement circonférentiel par le montage de leurs faces inférieures contre les surfaces planes. Les faces supérieures des barreaux magnétiques permanents 14 sont alternativement des pôles nord et sud, respectivement. .Bien qu'il soit représenté, à titre illustratif, 16 barreaux 15 magnétiques permanents dans le groupe disposé circonférentiellement, on admettra qu'il peut y avoir un nombre quelconque de ces barreaux, selon le nombre de pôles désiré. On comprendra que la présence de 16 barreaux magnétiques correspond à une machine à 16 pôles. L'ensemHe des barreaux magnétiques permanents 14 est assujetti 20 au noyau rotatif 12 au moyen du dispositif de retenue qui constitue la caractéristique principale de la présente invention. Cette caractéristique permet un blocage serré des barreaux de manière à les retenir contre un déplacement radial, mais sans leur imposer une contrainte exagérée. Ce moyen de retenue comprend les plaques d'ex-25 trémité 20 et 22 et les rondelles 24 et 26. Les deux plaques d'extrémité et les deux rondelles sont typiquement en acier inoxydable, ou en matériau équivalent. Les plaques d'extrémité 20 et 22, dans le mode de réalisation représenté aux figures 3 à 7, ont les parties centrales surélevées de leurs faces internes fraisées de manière à 30 fournir une série d'encoches espacées 20a et 22a respectivement, généralement en forme de U et s'étendant radialement. Les rebords 20b et 22b des plaques d'extrémité respectives délimitent, avec le pourtour de la partie centrale surélevée, les gorges circonféren-tielles 20c et 22c, respectivement. Ces gorges sont prévues pour 35 recevoir les rondelles 24 et 26. La surface périphérique externe des rondelles est prévue pour venir en contact avec les rebords 20b et 22b. Comme on le verra, chacune des extrémités 1b d^s barreaux magnétiques permanents est pourvue d'un épaulement 18. Les surfaces périphériques internes des rondelles aboutent contre ces épaulements, 40 lorsque les extrémités des barreaux sont insérées dans les encoches 69 10674 6 2005930 20a et 22a. Comme on peut le voir à la figure 4, lorsque les éléments du rotor sont assemblés, les rondelles 24 et 26 s'adaptent étroitement contre les épaulements 18. Lorsque les rebords 20b et 22b sont rabattus, les barreaux magnétiques 14 sont alors maintenus 5 rigidement dans les encoches 20a et 22a. On peut également constater que lorsque les éléments du rotor sont assemblés, le tube 28 est inséré par le cer.tre de l'ensemble et l'extrémité 28a est rabattue contre le rebord 22d et contre la plaque 22. A 3.'autre extrémité du manchon 28, le rebord 28d vient 10 en prise avec le rebord 20d de la plaque 20. Ainsi, l'ensemble rotor est rigidement assemblé et constitue une seule pièce, afin de pouvoir Être monté sur son arbre en tant qu'unité. Maintenant, avec référence à la figure 8, celle-ci représente une vue partielle en perspective d'un autre mode de réalisation du 15 moyen de retenue selon la présente invention. Dans ce mode de réalisation, à la place des encoches fraisées 20 prévues dans la face interne des plaques d'extrémité, la plaque d'extrémité 220 représentée ici est de configuration plus simple et une solide retenue des extrémités des aimants est fournie par les dents de la rondelle 260 20 qui remplace la rondelle 26 du premier mode de réalisation. Les autres éléments, à savoir le noyau 12 et les barreaux magnétiques 14 sont identiques à ceux du mode de réalisation précédent. La rondelle 260 représentée à la figure 8, est formée de façon à présenter une série de dents espacées 260a délimitant des encoches 25 260b. Les extrémités des barreaux magnétiques s'adaptent dans les encoches 260b par lesquelles ils sont maintenus. Ainsi, le côté supérieur de l'encoche 260b est en prise sur l'épaulement se trouvant à l'extrémité des barreaux magnétiques. La figure 9 représente une structure modifiée du rotor de la 30 présente invention. Dans cette modification, des groupes séparés de barreaux magnétiques disposés circonférentiellement sont prévus. Ainsi, les groupes 300 et 302 sont séparés l'un de l'autre le long de l'axe du rotor, et trois plaques d'extrémité, 304, 306 et 308 sont prévues. La plaque centrale commune 306 retient les extrémités 35 intérieures des aimants 14. Les plaques d'extrémité 304 et 309 retiennent les extrémités opposées des groupes d'aimants respectifs. Cette disposition permet de réaliser des ensembles rotors beaucoup plus longs tout en gardant des longueurs raisonnables pour les barreaux magnétiques permanents individuels. 40 Après l'assemblage du rotor de la présente invention comme 69 10674 7 20Ô5930 décrit ci-dessus, le rotor est magnétisé, c'est-à-dire que les barreaux magnétiques permanents reçoivent leurs charges. Un procédé typique d'aimantation est d'utiliser un dispositif magnétisant approprié (non représenté) ressemblant beaucoup au stator 11 de l'al-5 ternateur de la figure 1. Dans le cas d'un rotor à 16 pôles, le dispositif de magnétisation doit avoir un enroulement ayant un nombre de dents équivalent au nombre de pôles du rotor. Les enroulements de chaque pôle du dispositif de magnétisation sont identiques, en ce qui concerne le nombre de tours et le calibre du fil, mais sont 10 reliés en série par paire, de sorte qu'il y ait alternativement un pôle nord suivi d'un, pôle sud en suivant le pourtour des dents de l'appareil à magnétiser, de manière à correspondre à la configuration alternée,pôle nord-pôle, sud du rotor. Chaque paire de pôles est reliée à une batterie séparée de eon-15 densateurs (non représentée) ayant une capacité suffisante pour donner une forme d'alternance de courant fournissant un courant suffisant dams chacun des enroulements pendant une période assez longue pour magnétiser chacun des aimants du rotor. Toutefois, toutes les batteries de condensateur, qui sont au nombre de 8 dans le cas 20 d'un rotor à 16 pôles, se déchargent en même temps. Le courant dans les enroulements de l'appareil à magnétiser est rendu unidirectionnel pour éviter les effets de démagnétisation. Cette pulsation unidirectionnelle est obtenue par la décharge des batteries de condensateurs précitées à travers un ignitron commun. 25 Le processus d'aimantation d'un rotor tel que le rotor 10 représenté, est le suivant? le rotor eët- inséré dans le dispositif de magnétisation, et comme il doit exister un certain jeu pour permettre l'insertion du rotor, il est nécessaire de positionner le rotor afin qu'une paire de pôles du rotor soit fortement appuyée 30 contre une paire repérée de dents du dispositif à enroulements„ Les pôles restants du rotor sont opposés aux autres dents du dispositif, mais avec un entrefer entre eux. En fonctionnement, toutes les batteries de condensateurs sont chargées jusqu'à la tension désirée, au moyen d'une source d'énergie appropriée (non représentée). L'i-35 gnitron commun est déclenché afin que toutes les batteries de condensateurs se déchargent à travers leurs enroulements correspondants sur le dispositif de magnétisation. Le rotor est alors tourné de sorte que la paire de pôles suivante se trouve fortement appuyée contre la paire de dents marquée et le processus est répété pour 40 chaque paire de pôles. 69 10674 8 2005930 Dans les modes de réalisation déjà décrits, le rotor a été construit de façon à comporter 16 pôles. On a fait remarquer que divers nombres de pôles peuvent être choisis et que la présente invention ne se limite pas à un nombre donné quelconque de pôles du rotor. Tou-5 tefois, au cas où le rotor comporterait 12 pôles ou plus, il n'existe aucune difficulté avec les courants de court-circuit. C'est-à-dire, que le rotor n'est pas facilement démagnétisé par les courants de court-circuit du fait que dans le cas de 12 pôles ou plus, les entrefers parasitaires sont fournis automatiquement en raison de la pro-10 ximité des pôles. Cependant, lorsque l'on utilise moins de 12 pôles, par exemple lorsque l'on construit un rotor à 6 pôles, on a trouvé que le rotor est assez facilement démagnétisé par les courants de court-circuit. Par conséquent, des entrefers parasitaires sont prévus dans le cas précité d'un rotor à 6 pôles, tel que rôprésenté par 15 les figures 10 et 11. Dans ce mode de réalisation, la disposition habituelle des aimants 14 disposés circonférentiellement est prévue et ceux-ci sont montés sur les méplats du moyeu 12. Toutefois, dans ce mode de réalisation, les barreaux magnétiques 15 en acier inoxydable sont placés le long des pôles magnétiques permanents, et en 20 contact avec ceux-ci. Ces barreaux 15 s'étendent longitudinalement sensiblement de la même manière que les pôles magnétiques permanents 14; c'est-à-dire qu'ils s'étendent dans la direction de 1'axe de rotation du rotor. Ils sont assujettis en place pair soudure à leurs extrémités sur les rondelles 26 (aux points de soudure 26a). En s'é-25 tendant latéralement ou circonférentiellement à partir des barreaux magnétiques permanents adjacents 14, les paires de barreaux 15 délimitent chacun des entrefers parasitaires 17 requis. Alors que l'on a représenté, décrit et fait ressortir les caractéristiques fondamentales et originales de l'invention, telles 30 qu'appliquées au mode de réalisation préféré, on comprendra que ceux qui sont compétents dans cette technique peuvent avoir recours à diverses suppressions, substitutions et modifications dans la forme et dans les détails du dispositif représenté et dans son fonctionnement, sans sortir de l'esprit de l'invention. 69 10674 9 2005930 REVEHDICATIONS 1. Un rotor pour dynamo électrique, ledit rotor comprenant : un noyau annulaire en matériau magnétique ; un moyen aimant permanent sous forme de plusieurs barreaux magnétiques indépendants montés sur le pourtour extérieur dudit noyau annulaire ; un moyen s'étendant 5 axialement pour le maintien de l'ensemble rotor assemblé; et des moyens servant à retenir lesdits barreaux magnétiques, lesdits moyens de retenus comprenant une plaque et une rondelle annulaire à chaque extrémité desdits barreaux magnétiques. 2. Un appareil selon la revendication 1, dans lequel chactm des- 10 dits barreaux magnétiques repose contre un segment de surface plane sur le pourtour extérieur dudit moyen annulaire. 3. Un appareil selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit moyen s'étendant axialement comprend un tube passant par le centre dudit noyau annulaire. 15 4. Un appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel ladite plaque comporte une gorge circcnférentielle sur son pourtour et dans lequel ladite rondelle annulaire s'adapte dans ladite gorge. 5. Un appareil selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, dans lequel chacun desdits barreaux magnétiques est pourvu d'un épaulement à 20 chaque extrémité et d?ns lequel lesdits moyens de retenue sont pourvus d'encoches correspondantes pour recevoir les extrémités desdits barreaux magnétiques. 6. Un appareil selon la revendication 5, dans lequel ladite plaque possède des encoches espacées s'étendant radialement pour rece- 25 voir les extrémités desdits barreaux magnétiques. 7. Un appareil selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, dans lequel ladite rondelle comporte des encoches pour le positionnement desdits barreaux magnétiques. 8. Un appareil selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, 30 dans lequel ledit moyen de retenue comporte, un rebord, dirigé axialement vers l'intérieur, sur lesdites plaques. 9. Un appareil selon la revendication 8, dans lequel le moyen de retenue comprend une rondelle serrée entre les extrémités des aimants et ledit rebord. 35 îo. Un appareil selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, comprenant en outre au moins deux barreaux, magnétiques en acier inoxydable placés de chaque côté de chaque barreau magnétique permanent et en contact avec celui-ci, lesdits barreaux d'acier étant assujettis à la rondelle annulaire à chaque extrémité desdits bad original 69 10674 2005930 barreaux magnétiques permanents, les paires de barreaux définissant un entrefer parasitaire en s'étendant circonférentiellement à partir des barreaux magnétiques permanents adjacents. BAD ORIGINAL^