Brevet FR2490423A1 — publié le 19820319

La présente invention concerne une machine électrique à aimantspermanentsà rotor, dont les pôles sont laminés, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle machine. Les aimants permanents qui existent tels que les aimants faits en terre rare font que la réalisation de rotors de machines électriques en aimant permanent plutôt que de bobinez pour assurer le champ d'excitation magnétique, sont intéressants, Les avantages principaux des rotors à aimant permanent sont la réduction de poids et d'encombrement qui sont particulièrement appréciables pour des applications par exemple sur des avions. Les générateurs des avions sont de façon tradi- tionnelle des machines synchrones, alternatives, comportant généralement un système d'excitation sans balai sur le rotor et présentant une structure de redresseur tournant dont l'enrou- lement de champ est alimenté par une génératrice d'excitation, distincte. La réalisation du rotor à l'aide d'aimants permanents supprime la génératrice d'excitation, les enroulements de champ d'excitation et le redresseur rotatif correspondant. Il n'est plus nécessaire d'avoir la génératrice à aimant permanent auxi- hlaire fournissant la puissance de démarrage. Les génératrices d'avions sont en général entraînées à vitesse constante par un convertisseur hydraulique de vitesse entraîné par un moteur à vitesse variable. Or, il est souhaitable de faire travailler les génératrices d'avions à vitesse variable pour supprimer le système de conversion hydraulique de vitesse; un système de conversion électronique de puissance tel qu'un cycloconvertis fournit en sortie un signal électrique de fréquence constante. Un tel système de conversion de puissance permet également à la génératrice de fonctionner en sens inverse, c'est-à-dire comme moteur ce qui est intéressant pour les systèmes démarreurs génératrices de moteur d'avion ou pour le stockage et la récupé- ration d'énergie cinétique. Une:machine bobinée, sans balai n'est pas intéressante pour cela car elle nécessite une générati d'excitation de dimensions plus importantes pour pouvoir travail à vitesse réduite. Un autre domaine d'intérêt pour les application: des machines à rotor à aimant permanent est celui des moteurs à courant continu sans balai. Ces moteurs présentent l'avantage du rendement, de l'encombrement et du poids par comparaison avec des rotors bobinés. Ces moteurs sont intéressants pour avoir dei 2 2490423 rotors à faible inertie, en utilisant des aimants en terres rares, pour des moteurs de commande de surface des avions ou pour d'autres applications nécessitant une réponse rapide. Les organes de manoeuvre ou moteursélectriquE à la place d'organes de manoeuvre ou de moteurs hydrauli4Ques sont ainsi possibles et permettent de réaliser des systèmes d'avion totalement- électriques. Une réalisation possible d'un rotor à aimant permanent utilise des aimants de champ dont les axes magnétiques sont dirigés radialement, une face de chaque aimant de champ étant située du côté de l'entrefer du moteur. Les aimants sont accrochés à l'aide de moyens tels que des cols, sur un élément ferreux, sous-jacent qui conduit le flux magnétique d'un pôle à l'autre. Bien que cette construction soit relativement simple, elle ne convient pas parfaitement pour des applications à grande vitesse étant donné la fragilité de la structure et du support des aimants eux-mêmes et la-. jonction des aimants sur l'élément en fer. Un autre inconvénient des aimants en terres rares est la faible densité du flux dans l'entrefer qui résulte des caracté- ristiques normales des aimants en terres rares qui ont un flux relativement faible et des caractéristiques de-force coercitive relativement élevées. C'est pourquoi ce type de structure ne convient pas efficacement pour des aimants. Un autre inconvénient d'aimants qui sont conducteurs d'électricité découle des ouver- tures des fentes du stator provoquant des-variations à fréquence élevée du flux magnétique à la surface de l'aimant lorsque celui-ci tourne par suite des pertes par courant de Foucault. Pour avoir.une structure-plus résistante, on peut modifier le rotor décrit ci-dessus pour mettre les aimants à l'intérieur d'un élément enveloppant très résistant. Un tel élément enveloppant nécessite généralement de mettre un matériau ferreux radialement au-dessus des aimants pour conduire le flux -magnétique vers l'entrefer; entre les aimants il faut un maté- riau non ferreux-pour éviter-le court-circuit magnétique des aimants. Ce type de structure n'utilise pas efficacement des aimants en terres rares, présente des pertes par courant de Foucault très élevées dans l'enveloppe pleine; de plus, il est difficile de fabriquer de tels éléments car il faut souder des matières ferreuses sur des matières non ferreuses. Dans le document technique Technical Report 3 2490423 AFAPL-TR-76-8, Mars 1976, "150 KVA Samarium Cobalt USCF Starter Generator Electrical System, Phase 1," par General Electric Company, Aircraft Equipment Div., Binghamton, New York, pour Air Force Aeropropulsion Laboratory, Air Force Wright Aeronautical Laboratories, Air Force Systems Command, Wright Patterson Air Force Base, Ohio 45433, on a des.aimants permanente de section rectangulaire; ces aimants sont disposés dans des plans radiaux, dans le noyau du rotor. Le matériau du noyau est formé par des pièces partiellement laminées en acier magné- tique ou segments laminés 12. La périphérie du rotor comporte des bandes de métal non ferreux 14 qui passent sur la face des aimants permanents. Les bandes 14 sont soudées les unes aux autres par des éléments ferreux, en acier 16, partiellement cylindriques, au-dessus de chaque région polaire. Les chemins 18 du flux magnétique résultent de l'orientation de l'axe magné- tique des aimants, à la périphérie du rotor. Le chemin du flux sort d'un côté d'un aimant 10 pour passer dans la pièce polaire ferreuse adjacente puis tourne radialement dans l'entrefer. Le flux revient de.l'entrefer.à.travers.la pièce polaire adja- cente..dans. l'autre..côté_de lPaimant.. Comme la surfacede.l'ai- mant pent.se.déployer..radialement, le.flux.d'tun.aimant..peut être comprimé. suivant une. -surface relativement faible de matière ferreuse.. dans. le. pôle.de.l'entrefer...Cette..solution...utilise la matière de l'aimant de façon plus efficace que la structure précédemment envisagée. Il subsiste toutefois l'inconvénient bperte par courant de Foucault, très important et la difficulté de la fabrication. Divers aspects de la construction d'un rotor en aimants permanents selon l'art antérieur, y compris certaines caractéristiques envisagées et divers points de vue de l'appli- cation des rotors à aimants permanents sont envisagés dans les brevets US suivants: 2 059 518, 3 492 520, 3 671 788, 4 117 360 et 4 139 790. La présente invention a pour but de créer une machine électrique du type ci-dessus, dont le rotor à aimants permanents soit d'une réalisation très solide, présente de faibles pertes par courant de Foucault, utilise efficacement les aimants permanents et aboutit à une structure économique a fabriquer. A cet effet, l'invention concerne de façon 4 2490423 générale une machine électrique à rotor à aimants permanents comportant un stator et un rotorentre lesquels subsiste un entrefer, et qui tourne de façon inductive l'un par rapport à l'autre, le rotor ayant un noyau formé de-plusieurs couches empilées dans la direction axiale du rotor,- les couches se composant d'éléments laminés, magnétiques- et -d' éeéments- l aminés non-magnétiques, le noyau du rotor-ayant plusieurs aimants permanents allongés, placés dans des fentes qui s'étendent axialement et donnent un ensemble de chemins de flux magnétique qui sont répartis à la périphérie du-noyau, chacun des aimants permanents étant retenu radialement vers l'extérieur dans la fente correspondante par un coin longitudinal à travers le noyau, sensiblement à la périphérie extérieure du noyau, les coins en un matériau non magnétique étant verrouillés mécaniquement dans les couches, alors que-les bords périphériques des couches entre les coins sont exposés à l'entrefer. Suivant un mode de réalisation préférentiel, la structure du rotor se compose d'un noyau formé de plusieurs couches empilées comportant principalement des éléments laminés, magnétiques, séparés par des éléments laminés non magnétiques pour assurer la résistance de la structure. Les aimants sont placés dans les plans radiaux traversant longitudinalement le noyau et ayant-une orientation périphérique du champ magnéti- que pour utiliser effectivement les aimants. Les aimants sont fixés par des coins longitudinaux dans les noyaux à la péri- phérie extérieure, les coins étant en un matériau non magné- tique verrouillè mécaniquement en place dans les couches alors que les bords extérieurs des couches entre les coins constituent les éléments polaires et sont exposés à l'entrefer. Plusieurs cordons de soudure s'étendent longitudinalement à la surface du noyau pour réunir les couches en un ensemble tout en rédui- sant la surface du noyau qui est recouverte par rapport à l'entrefer. Suivant une caractéristique préférentielle de l'invention, les cordons de soudure qui fixent les couches constituant le rotor-sont mis en correspondance avec le schéma des fentes du stator de façon à être espacés l'un de l'autre d'une distance équivalente au pas des fentes du rotor pour réduire au minimum le passage du courant des tensions induites dans les soudures. 2490423 L'invention concerne également un procédé de montage-d'une telle machine, procédé selon lequel on assemble une pile de couches sur un axe en utilisant les fentes du bord extérieur des éléments laminés, très résistants, avec des moyens de fixation de position en forme de coin, qui se logent dans les fentes pour positionner et maintenir les éléments laminés, magnétiques, avant le soudage. Puis on réalise les cordons de soudure dans la direction longitudinale de la pile. Puis on introduit les aimants permanents dans les fentes de la pile après avoir soudé les couches pour éviter tout usinage ultérieur des couches après mise en place des aimants. On introduit les coins en métal ferreux ou non métallique mais très résistant, dans les extrémités extérieures des fentes pour y retenir les aimants sans nécessiter de soudage. On augmente encoz plus la résistance mécanique en plongeant l'ensemble ainsi monté dans un vernis puis en laissant sécher ce vernis. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe transversale partiel] d'un rotor à aimants permanents selon un mode de réalisation de l'art antérieur; - - la figure 2 est une vue en coupe partielle d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une coupe longitudinale partielle d'un rotor de machine électrique, coupé. selon le plan III-III de la figure 2; - les figures 4 et 5 sont des vues en plan d'éléments laminés pour un rotor selon les figures 1, 2. La figure 2 montre une machine électrique à rotor à aimants permanents 20 coopérant avec un stator 22 habituel muni de fentes 24 et d'enroulements 25; entre le rotor et le stator existe un entrefer 23. Le rotor 20 présente une. structure en couche formée d'éléments laminés ferreux 26 qui sont empilés avec des éléments laminés non ferreux. Selon la figure 3, les éléments laminés non magnétiques 28 sont interposés dans la structure de noyau environ tous les deux éléments magnétiques 26. Le montage comporte également des éléments laminés d'extrémité 30, non magnétiques. Les éléments - laminés 26 magnétiques sont de préférence des segments laminés correspondant à-ceux-représentés:à-la figure 2. Les éléments laminés non magnétiques 28 sont des éléments en forme d'arc, adjacents, ayant des fentes 31A pour les aimants et des éléments en forme de coin (figure 4). Les éléments laminés d'extrémité 30 (figure 5) ont des fentes 31B, profondes pour les coins de fixation-des éléments-entre eux. Selon la figure 2, les aimants permanents 32 sont disposés dans des plans:radiaux passant longitudinalement par le-noyau (dans les fentes 31A des éléments laminés 28) avec un axe d'aimantation périphérique donnant les chemins de flux 34. Les aimants permanents 32 peuvent être des aimants en terres rares ou en d'autres matériaux magnétiques. - Les-couches sont réunies par des cordons de soudure longitudinaux à la périphérie du noyau (indiqués par de petits x à la figure 2) de préférence en creux pour ne pas venir dans l'entrefer 23. Ces cordons sont espacés de préférence de la même distance que les fentes de stator 24 pour réduire les tensions--induites. Les aimants permanents 32 sont logés dans les fentes 31A de la structure en couche; des coins 36 en métal non ferreux ou en matière organique sont enfoncés dans les extrémités supérieures des fentes 31A ainsi que dans les fentes 31B des éléments laminés 30, d'extrémité, pour les bloquer sans nécessiter aucune soudure entre les coins 36 et la matière des éléments laminés correspondante. Les pôles sont exposés à l'entrefer 23 pour utiliser plus efficacement le champ magnétique. Le nombre d'éléments laminés 26 par rapport à celui des éléments-laminés non magnétiques 28 n'est pas critique. L'inconvénient apparaît de cette structure utilisant une partie de la surface qui correspond normalement à l'acier magnétique et qui dans le cas présent est remplacé-par de l'acier non magnétique, et qui tendrait à saturer l'acier exigerait des aciers magnétiques spéciaux,-:pius -coûteux ou encore des densités-plus-faibles-dans-l'entrefer et-quiren comparaison - avec des structures bobin-ées-ne constituent pas un inconvénient. Les sections magnétiques qui limitent le flux magnétique dans des machines-bobinées, sont en général beaucoup plus minces que les surfaces polaires de rotor exposées à l'entrefer. Ainsi pour des densités d'entrefer équivalentes dans cette structure, 7 2490423 on peut utiliser un acier de qualité normale, ce qui corres- pond à l'économie voulue pour la structure. Au montage, on utilise un axe ou moyen de fixation sur lequel on empile les éléments laminés 26, 28, 30 en utilisant la forme des fentes à la périphérie extérieure des éléments laminés très résistants pour des moyens de position nement en forme de coin, correspondant à la forme des coins utilisés en déflintive mais avec des prolongements dans les fentes pour positionner et maintenir les éléments magnétiques laminés, avant que ceux-ci ne soient soudés. Après avoir empilé les éléments laminés magnétiques et non magnétiques ou les segments laminés, on soude l'ensemble. Les cordons de soudure réalisés selon le procédé TIG ou selon d'autres procédés appropriés, s'étendent dans la direction longitudinale de la pile, avec au moins un cordon par pôle. La matière magnétique et la matière non magnétique doivent être des matériaux tels que "Hipernik" (alliage à 50 % nickel/acier) et l'alliage INCONEL (il s'agit de deux marques) pour obtenir des soudures satisfaisantes. On peut réaliser une soudure d'épaisseur suffi- sante sans surépaisseur en réalisant une cavité dans chaque zone dans laquelle passe la soudure ou encore en meulant le diamètre extérieur après avoir réalisé la soudure, pour rester à une forme et des dimensions appropriées. Les cordons de soudure sont espacés d'un intervalle égal au pas des fentes du stator si bien que toutes les tensions induites dans les cordons de souduru sont en phase, et aucun courant ne passe. Il est souhaitable que la largeur des cordons de soudure soit minimale pour réduire au minimal les courants de Foucault, locaux, dans les cordons de soudure et qui sont engendrés par les perturbations du flux de l'entrefer à partir des ouvertures des fentes du stator. On peut introduire les aimants pré-aimantés 32 dans les fentes de l'empilage au cours de la dernière phase de fabrication possible, pour éviter des usinages lorsque les aimants déjà aimantés sont en place. Les métaux non ferreux ou des coins non métalliques très résistants 36 (qui peuvent être réalisés en des matièresorganiques) dont la forme corres- pond à la figure 2, sont alors introduits dans les fentes extérieures pour retenir les aimants. A la suite de ces opérations, on peut immerger l'ensemble dans un vernis et effectuer une cuisson pour éviter un ramollissement ou un 8 2490423 déplacement des aimants. Pour des fonctionnements à grande vitesse, comme le vernis n'assurerait pas une retenue mécanique suffisante, il faut fixer les aimants contre les coins soit en les forçant pendant le montage ou à l'aide de moyens de retenue ou de rondelles appropriées pendant le soudage. Les essais faits dans le cadre de l'invention ont démontré qu'un rotor-de génératriceà aimants permanents, d'un diamètre de 75 mm, a tourné à des vitesses d'essai maxi- males de 36 000 tours par minute. A de telles vitesses maximales on n'a constaté.aucune défaillance de structure sauf dans le cas de coins en matière non métallique. Avec des coins en alu- minium, on n'a constaté aucun effet gênant, même à la vitesse maximale. Les essais ont démontré que ces réalisations conve- naient pour des moyens d'entraînement de-moteurs d'avions travaillant à des vitesses maximales de 26 250 tours par minute. Selon l'invention, on a ainsi un rotor d'aimant permanent et un procédé de fabrication d'un tel rotor, qui donne une très grande résistance tout en utilisant effi- cacement des aimants dans une structure facile à fabriquer. 9 2490423 REVENDICATIONS 1) Machine électrique à rotor à aimants permanents, machine comportant un stator et un rotor séparés d'un entrefer et coopérant entre eux, machine caractérisée en ce que le rotor a un noyau formé d'un ensemble de couches empilées suivant la direction de l'axe du rotor, ces couches étant formées-d'éléments laminés magnétiques et d'éléments laminés à structure non magnétique, interposés, le noyau du rotor ayant plusieurs aimants permanents allongés placés dans les fentes et s'étendant axialement pour former un ensemble de chemins de flux magnétique répartis à la périphérie du noyau, chacun des aimants permanents étant fixé radialement dans la fente correspondante, vers l'extérieur, par un coin disposé longitudinalement dans le noyau sensiblement à la périphérie extérieurç du noyau, les coins en un matériau non magnétique étant bloqués mécaniquement dans les éléments laminés et les bords périphériques des éléments laminés, compris entre les coins, étant exposés à l'entrefer. 2) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs cordons de soudurE disposés longitudinalement à la surface du noyau pour fixer les couches et former un ensemble tout en réduisant la surface du noyau qui est recouverte du côté de l'entrefer. 3) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments laminés à structure non magnétique qui sont traversés par les aimants permanents, sont constitués chacun par un élément circulaire à fente pour rece- voir les éléments et les coins de mise en place et de blocage, et les éléments laminés se composant chaque plan de laminage, un ensemble de segments laminés, chaque segment étant mis en forme pour se loger entre les positions des aimants correspon- dants. 4) Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le stator se compose d'un noyau magné- tique cylindrique avec plusieurs fentes pour les bobines, la surface intérieure du noyau du stator et l'enroulement de chaque bobine étant placés dans ces fentes, et les cordons de soudure du rotor sont espacés à la périphérie d'une distance équivalente au pas des fentes du stator pour réduire au minimum le passage du courant par les tensions induites dans les cordons de soudure. - 5) Machine électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'ensemble de couches formant le noyau du rotor présente à sa surface extérieure, des cavités longitu- dinales pour recevoir les cordons-de soudure en évitant une surépaisseur de-la matière des cordons-de soudure dans l'en- trefer. 6) Machine. électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le noyau du rotor comporte des éléments laminés d'extrémité en-un matériau non magnétique, à chaque extrémité du rotor, les éléments laminés d'extrémité ayant des encoches pour recevoir et porter les coins et les aimants, pour s'appuyer contre les éléments laminés d'extrémité, ces éléments laminés-d'extrémité étant fixés aux autres éléments laminés par des cordons de soudure. 7) Machine électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que les cordons de soudure du rotor sont les uniques moyens de fixation du noyau, pour aboutir à un ensemble unique formé par les couches, les aimants et les coins. 8) Procédé de montage d'un rotor à aimants permanents d'une machine électrique ayant un stator à enroule- ments placés dans les fentes du stator, avec un pas prédéter- miné, procédé caractérisé en ce qu'on empile un ensemble de couches formant le noyau du rotor, cet ensemble comprenant à partir d'une extrémité du rotor, un élément laminé d'extrémité en matériau non magnétique, un ensemble d'éléments laminés en matière magnétique, un élément laminé-en un matériau non magnétique suivi par-des éléments laminés en matière magnétique, un matériau-non-magnétique, un matériau magnétique et en --extrémité un élément-laminé d'extrémité en un matériau non magnétique, ces ensembles ayant-une forme prédéterminée pour les fentes-traversant les éléments laminés du noyau du rotor - entre leséléments laminés d'extrémité, puis on soude les couches pour former l'empilage du-rotor, en réalisant des cordons de soudure à la périphérie extéfieure:de-cet empilage, longitu- dinalement,--les cordons-de soudure étant de faible épaisseur et leur écartement correspond à la mesure équivalente du pas des fentes dustatori puis on usine l'empilage du rotor seulement--si cela est nécessaire, on introduit les aimants pré-aimantés dans les-fentes de l'empilage formant le rotor 11 2490423 après avoir terminé toutes les soudures et toutes les opérations d'usinage de l'empilage, puis on introduit les coins non magnétiques dans les encoches à l'extrémité extérieure des fentes de l'aimant du rotor pour retenir solidement les aimants sans souder les coins. 9) Procédé de montage d'un rotor à aimants permanents selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'après avoir introduit les aimants permanents et les coins on plonge le rotor dans un bain de vernis puis on fait sécher.