Brevet FR2580874A1 — publié le 19861024

MACHINE ELECTRODYNAMIQUE SYNCHRONE HEXAPOLAIRE A AIMANTS PERMANENTS. La présente invention est relative à une machine syn- chrone à aimants permanents a fort couple massique employant des tôles ordinaires. Les machines synchrones à aimants permanents intéres- sent les fabricants d'automatismes industriels notam- ment de machines outils, robots ou manipulateurs. Grâce à l'absence de contacts qlissants (balais, charbons, bagues, collecteurs), elles ne nécessitent aucune maintenance et ont une longévité égale à celle de leurs roulements. Elles constituent donc un progrès dans l'augmentation de la productivité et de la renta- bilité des équipements industriels. Cependant, jusqu:à présent, les machines synchrones à aimants permanents dites performantes sont limitées quant à leurs rapports prix/couplemassique ou prix/ puissance massique. On observait en effet deux grandes catégories de ces machines: premièrement les machines à aimants du type à haute énergie (terres rares) utilisant des tôles ordinaires (ferro- silicium) mais dont la masse est difficile- ment compatible à une intégration dans un axe d'au- tomatisme embarqué, sans pénaliser l'automatisme par augmentation du poids, et nécessite donc de recourir à des machines de performances plus élevées et donc encore plus lourdes et plus coûteuses. Les spécia- listes d'automatismes préfèrent dans ce cas reporter 49398 11676 -2- la machine en dehors de l'articulation au prix d'une transmission plus compliquée et donc d'une mainte- nance accrue. - Deuxièmement les machines à aimants du type à haute énergie (terres rares)utilisant des tôles perfor- mantes, notamment (ferro-cobalt). Les performances en couple et puissance massiques sont alors bonnes et permettent une intégration plus aisée, mais au prix d'un coût de machine considérablement élevé, et d'utilisation plus délicate due aux problèmes sui- vants: - les tôles performantes notamment ferro - cobalt ont un coût en matière de 60 à 100 fois supérieur à celui des tôles ordinaires. Les tôles ferro - cobalt sont beaucoup moins résis- tives que les tôles ordinaires. Elles ont des pertes massiques pour une épaisseur donnée, très supérieures à celles des tôles ordinaires. On est de ce fait conduit à choisir des tôles d'épais- seur très faible (0,1 à 0,2 mm). Les différentes opérations de matriçage sont alors plus délicates et impliquent des pertes accrues notamment par déformation par rapport au matriçage de tôles ordinaires. A la différence des tôles ordinaires, les tôles ferro -cobalt nécessitent pour conserver les per- formances magnétiques une opération de recuit à haute température engendrant des coûts supplémen- taires de production et une diminution du rende- ment de production, notamment par déformation pen- dant le recuit et les manipulations. -3- Les pertes magnétiques notables existant dans les tôles ferro -cobalt nécessitent souvent pour con- server les performances massiques de la machine, de recourir à un refroidissement forcé de la machine (ventilation, circulation d'un fluide) qui n'est pas compatible avec toutes les applications, ce qui augmente la maintenance et les risques d'incidents. La machine synchrone à aimants permanents, selon l'in- vention, se range dans la première catégorie par son prix et dans la seconde catégorie par ses performances massiques même en refroidissement naturel. Dans les machines électriques connues, l'état de l'art veut que les culasses de flux et les dents statoriques travaillent en régime magnétique linéaire pour les raisons suivantes: - minimisation des pertes magnétiques fonction du carré de l'induction; - possibilité d'utiliser les modèles de dimensionne- ment classiques faisant l'hypothèse d'un fer de per- méabilité infinie (diagrammes de Behn Eschenburg pour les machines à poles lisses, de Blondel pour les machines à poles saillants); - tôles magnétiques caractérisées par les construc- teurs seulement jusqu'à 1,7 Tesla. L'invention réside dans l'amélioration des perfor- mances massiques de structures électromagnétiques con- nues grâce à une saturation%agnétique élevée des 49398 I 1676 -4- dents et culasses en tôles ordinaires (ferro- silicium) en conservant à la machine des pertes magnétiques acceptables et sensiblement constantes en charge ou à vide. Dans ce but, l'invention propose une machine électro- dynamique synchrone hexapolaire à aimants permanents comportant un rotor du type à concentration de flux comprenant un arbre réalisé en matériau amagnétique sur lequel reposent six aimants permanents radiaux parallélépipédiques du type à haute énergie entre les- quels sont disposées les pièces polaires réalisées en tôle magnétique ferro -silicium et un stator compor- tant une carcasse réalisée en tôle magnétique ferro- silicium dans laquelle sont formées une pluralité d'encoches semi-fermées délimitées par une culasse statorique qui reçoivent des bobinages induits, et qui définit avec le rotor un entrefer, caractérisée en ce que le rapport r1 de la hauteur de la section d'un aimant traversée par le flux d'induction divisée par le diamètre d'alésage de l'entrefer est compris entre 0,281 et 0,344: Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le - rapport r2 de la longueur d'un demi-arc polaire péri- phérique du rotor séparant les faces en vis-à-vis de deux aimants consécutifs, divisée par la hauteur de la section d'un aimant traversée par le flux d'induc- tion, est compris entre 0,588 et 0,741. Lfe rapport r3 entre le produit du nombre de dents statoriques sépa- rant les encoches statoriques multiplié par l'épais- seur d'une dent statorique séparant deux encoches con- sécutives, divisé par douze fois la lonqueur d'un demi- arc polaire périphérique du rotor séparant les faces 49398 11676 - 5 - en vis-à-vis de deux aimants consécutifs est compris entre 0,55 et 0,70. Enfin le rapport r4 de douze fois l'épaisseur radiale de la culasse statorique divisé par le produit du nombre de dents statoriques séparant les encoches statoriques multiplié par l'épaisseur d'une dent statorique séparant deux encoches consécu- tives est compris entre O,75 et 0,90. On vient ainsi de définir une série de rapports de dimensionnement r1 à r4 qui permettent, à partir du choix initial d'un diamètre d'alésage d de déterminer l'ensemble des dimensions de la machine permettant d'obtenir une puissance ou un couple massiques maximum avec l'utilisation de tôles magnétiques ordinaires et d'aimants à haute énergie. Les rapports qui viennent d'être définis permettent également par une simple homothétie de transposer la structure magnétique saturée idéale à différentes gammes de puissance. On décrira maintenant l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une machine électrodynamique synchrone; et - la figure 2 est une vue schématique en coupe trans- versale du rotor et de la carcasse d'une machine électrodynamique réalisée conformément aux ensei- gnements de la présente invention. On a représenté à la figure 1 une coupe axiale d'un moteur synchrone. La structure de ce moteur est simi- laire à celle du moteur décrit et représenté dans la 49398 11676 -6- demande de brevet européen publiée sous le n 0 093 041 AI1 au contenu de laquelle on pourra avantageusement se reporter. Le moteur comprend essentiellement un carter 12 dans lequel est monté un stator 14 dont la paroi périphé- rique interne 16 coopère avec la paroi périphérique externe 20 d'un rotor 18 monté dans le carter 12 pour définir entre elles un entrefer 22. Le rotor 18 est monté tournant dans le carter 12 au moyen de deux paliers 24 et 26 comportant chacun un roulement. Le stator 14 représenté aux figures comprend un enrou- lement principal de stator 28 disposé eans des enco- ches 30 semi-fermées délimitées par une culasse stato- rique 32. Le rotor 18 représenté aux figures est constitué par un empilement de tôles magnétiques 34 enfilées sur un arbre amagnétique 36 et maintenues serrées par des tirants 38 entre deux flasques amagnétiques 40 et 42. Le rotor 18 comprend également des aimants 44 montés dans des encoches radiales 46. Le maintien des aimants 44 dans les encoches 46 est obtenu grâce à des éléments rapportés 48 dans des évidements formés aux extrémités des encoches 46; ce mode de fixation des aimants est illustré en détail à la figure 3 de la demande de brevet européen 0 093 041 A1. Dans le cadre de la présente invention, les tôles magnétiques dans lesquelles sont réalisées les pièces polaires 34 et la culasse 32 sont des tôles ordinaires en alliage de ferro- silicium. - 7 - Chacun des six aimants du rotor hexapolaire a une forme générale parallélépipédique rectangle et prend appui sur l'arbre amagnétique 36. Les aimants utilisés sont des aimants à haute énergie c'est-à-dire en l'occurence des aimants possédant des caractéristiques magnétiques équivalentes à celles des aimants réalisés à partir de terres rares. Dans le mode de réalisation présenté, les aimants sont réali- sés en samarium - cobalt et sont chacun constitués d'une pluralité d'aimants élémentaires parallélépipé- diques 48 assemblés entre eux et ce pour des facilités de fabrication. Chaque aimant est aimanté tangentiellement, c'est-à- dire que les lignes de flux sortant par une section latérale S d'un aimant sont sensiblement perpendicu- laires aux rayons du rotor. Conformément à l'invention et afin d'obtenir la satu- ration magnétique maximale la machine électrodynamique est dimensionnée de façon que le rapport r1 défini par la formule h r = dans laquelle - h est la hauteur radiale de la section S d'un aimant 44 traversée par le flux d'induction, et - d est le "diamètre d'alésage" ou diamètre moyen de l'entrefer 22 de la machine électrodynamique, est compris entre 0,281 et 0,344. 49398 11676 - 8 - Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport r1 est égal à 0,3125. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rapport r2 défini par la formule r = a dans laquelle r2 h - a est la longueur d'un demi-arc polaire périphérique externe du rotor 18 séparant les faces S en vis-à- vis de deux aimants consécutifs 44, est compris entre 0,588 et 0,741. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport r2 est égal à 0,658. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rapport r3 défini par la formule r n x e dans laquelle r3 = 12 x a - n est le nombre de dents statoriques 50 séparant les encoches statoriques 30, et - e est l'épaisseur d'une dent statorique 50 séparant deux encoches statoriques consécutives 30, est com- pris entre 0,55 et 0,70. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport r3 est égal à 0,62, le nombre de dents sta- toriques 50 étant égal à trente-six (36). Selon une autre caractéristique de l'invention, le rapport r4 défini par la formule 49398 I 167d -9- _ 9 - r4 1n x e dans laquelle r4 =n x e - c est l'épaisseur radiale de la culasse statorique 32 délimitant les encoches statoriques 30, est com- pris entre 0,75 et 0,90. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport r4 est égal à 0,824. Outre les qualités de prix, de couple et de puissance massiques, l'invention présente les avantages suivants: - le rotor possède une faible inertie et un couple impulsionnel élevé d'o découlent des accélérations -15 théoriques élevées; - du fait de la saturation élevée des tôles, les inductances de la machine sont faibles et par consé- quent la constante de temps électrique est faible permettant une installation très rapide du courant donc du couple. Ce phénomène est intéressant dans les applications à hautes fréquences et à faibles vitesses. - Du fait de la saturation élevée même à vide, les inductances de la machine varient peu en fonction du courant permettant ainsi une maitrise de la fré- quence de découpage de l'électronique d'alimentation. - La machine est à poles saillants par conception mais du fait de la saturation élevée des tôles, la sail- lance est faible. On en déduit que le couple de réluctance de la machine est faible. Cela a deux conséquences: 49398 11676 - 10 - - a) la loi de couple maximal en fonction du courant est quasi linéaire jusqu'à des valeurs de couple très élevées (5 à 6 fois le couple nominal); - b) l'angle de calage entre le flux et le courant au couple maximal est sensiblement constant, ce qui facilite l'électronique de commande de la machine. 49398 1 - 11 - REVENDICATIONS 1. Machine électrodynamique synchrone hexapolaire à aimants permanents (44) comportant un rotor (18) du type à concentration de flux comprenant un arbre (36) réalisé en matériau amagnétique sur lequel reposent six aimants permanents radiaux parallélépipédiques (44) du type à haute énergie entre lesquels sont dis- posées les pièces polaires (34) réalisées en tôle magnétique ferro -silicium et un stator (14) compor- tant une carcasse réalisée en tôle magnétique ferro - silicium dans laquelle sont formées une pluralité d'encoches semi-fermées (30) délimitées par une culasse statorique (32) qui reçoivent des bobinages induits (28), et qui définit avec le rotor (18) un entrefer (22) , caractérisée en ce que le rapport r1 de la hauteur (h) de la section d'un aimant traversée par le flux d'induction divisée par le diamètre d'alé- sage (d) de l'entrefer est compris entre 0,281 et 0,344. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport r1 est égal à 0,3125. 3. Machine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le rapport r2 de la longueur (a) d'un demi-arc polaire périphérique du rotor sépa- rant les faces en vis-à-vis de deux aimants consécu- tifs, divisée par la hauteur (h) de la section d'un aimant traversée par le flux d'induction est compris entre 0,588 et 0,741. 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le rapport r2 est égal à 0,658. 49398 11676 - 12 - 5. Machine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rapport r3 entre le produit du nombre de dents statoriques (n) séparant les encoches statoriques multiplié par l'épaisseur d'une dent statorique (e) séparant deux encoches consécu- tives, divisé par douze fois la longueur (a) d'un demi- arc polaire périphérique du rotor séparant les faces en vis-à-vis de deux aimants consécutifs est compris entre 0,55 et 0,70. 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que le rapport r *est égal à 0,62. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications à à 6, caractérisée en ce que le rapport r4 de douze fois l'épaisseur radiale (c) de la culasse statorique divisé par le produit du nombre (n) de dents stato- riques séparant les encoches statoriques multiplié par l'épaisseur (e) d'une dent statorique séparant deux encoches consécutives est compris entre 0,75 et 0,90. 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que le rapport r4 est égal à 0,824. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le nombre de dents stato- riques (n)séparant les encoches statoriques est égal à 36. 49398 I