Brevet FR2594272A2 — publié le 19870814

FR 2594272 A2 19870814 FR 8601721 A 19860207 MACHINE SYNCHRONE TOURNANT A GRANDE VITESSE A ROTOR A AIMANTS PERMANENTS D'INDUCTION MAGNETIQUE ORTHORADIALE L'invention est relative à une machine synchrone tournant à grande vitesse, de préférence un moteur, dont le rotor est formé d'aimants permanents dont l'aimantation est tangentielle ou orthoradiale et de pièces polaires déviant cette induction des aimants pour qu'elle soit radiale à la périphérie. Un moteur synchrone comporte un stator polyphasé et un rotor à aimants permanents Le stator est alimenté par un courant alternatif polyphasé qui engendre un champ tournant provoquant la rotation du rotor. Pour la fabrication des rotors, on utilise de plus en plus des aimants aux terres rares notamment au samarium-cobalt, par exemple SmCo5, qui présente un faible taux de désaimantation ainsi qu'une forte énergie d'aimantation par unité de volume, ce qui permet d'obtenir des moteurs à couple massique élevé, c'est-à-dire à fort couple pour une faible masse. Toutefois, l'inconvénient de tels aimants est qu'ils présentent une induction rémanente relativement faible. C'est pourquoi ces aimants sont habituellement disposés de façon que leur aimantation soit orthoradiale et sont associés à des pièces polaires de concentration de flux qui permettent de conférer à l'induction la direction radiale dans l'entrefer. Ainsi, on met à profit les deux pôles de chaque aimant. Cette constitution hétérogène du rotor pose des problèmes de cohésion mécanique d'autant plus difficiles à résoudre que la vitesse de rotation est élevée. Pour améliorer cette cohésion et atteindre des vitesses très élevées, de l'ordre de 50 000 tours par minute, dans le Brevet Français nO 2 519 483 on a proposé un rotor feuilleté formé d'un empilage alterné, en direction axiale, de disques amagnétiques de maintien des aimants qui sont traversés par ces derniers et de tôles magnétiques en contact avec les aimants, le maintien en direction radiale de cet empilage étant assuré par des barres traversant les tôles et disques; en outre dans le rotor de ce Brevet français chaque pièce polaire entre deux aimants adjacents est en deux parties, la ligne de séparation étant de direction radiale, et un moyen de précontrainte est disposé entre les deux demi-pièces polaires pour appliquer chacune de celles-ci contre l'aimant correspondant. Ce rotor, particulièrement bien adapté aux très grandes vitesses, est cependant d'une constitution complexe et onéreuse. L'invention vise à fournir un rotor destiné à tourner à des grandes vitesses, de l'ordre de 15 000 tours par minute, qui soit de constitution plus simple et moins onéreuse que celui du Brevet français sus-mentionné. Elle est caractérisée en ce que chaque aimant et chaque pièce polaire est d'un seul tenant en direction axiale, en ce que la cohésion en direction radiale est assurée par les rebords de deux flasques d'extrémité s'appuyant contre des épaulements que présentent les pièces polaires aux extrémités, et en ce que le moyen disposé entre deux demi-pièces polaires pour appliquer chacune de celles-ci contre une face de l'aimant adjacent est constitué par une goupille fendue. Ce rotor est particulièrement simple et bon marché. En outre, une goupille fendue agissant comme un ressort, les jeux sont automatiquement compensés, ce qui augmente les tolérances pour la fabrication des divers composants du rotor et réduit encore le coût. Pour diminuer les risques de balourds, il est préférable que les fentes des goupilles soient toutes orientées de la même manière autour de l'axe, par exemple vers l'extérieur. Le rotor devant tourner à grande vitesse, le montage se termine de la façon suivante: on fait tourner ce rotor à une vitesse supérieure à la vitesse maximale à laquelle il sera soumis au cours de son fonctionnement, puis ce rotor est imprégné d'un vernis polymérisable qui complète la cohésion des divers éléments du rotor. L'invention n'est, bien entendu, pas limitée à la réalisation d'un moteur, elle peut être également utilisée pour la fabrication d'un alternateur. Elle n'est pas limitée non plus à un matériau particulier constituant les aimants. En variante les aimants sont en ferrite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de l'un de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: - la figure 1 est une coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe d'un rotor selon l'invention, - la figure 2 est une coupe selon la ligne 2,2 de la figure 1, et - la figure 3 est une vue en perspective à plus grande échelle d'une partie de l'extrémité du rotor de la figure 1. Dans l'exemple, le moteur est du type autosynchrone, quelquefois appelé aussi moteur à courant continu sans balai, avec un stator polyphasé (non représenté) dont chaque enroulement est en série avec un interrupteur à semi-conducteur commandé par un circuit électronique pour que le couple soit cpnstant. Le rotor 10 comporte, régulièrement répartis autour de l'arbre 11, qui est de préférence en matériau amagnétique, huit aimants 121, 122, ..., 128 au samarium-cobalt ayant chacun la forme d'un parallélépipède rectangle allongé parallèlement à l'axe et qui, en coupe, présente des petits côtés 13 et 13' de direction tangentielle. De plus, l'aimantation de chacun de ces aimants 12 est orthoradiale, ctest-à-dire également de direction tangentielle, parallèle au petit côté 13 et donc perpendiculaire à un rayon correspondant 14. Ainsi, l'aimant 121 présente une face 15, perpendiculaire à la face tangentielle 13, constituant le pôle nord (N) et une face 16, qui lui est parallèle, constituant le pôle sud (S). Les aimants sont disposés de façon telle que les faces les plus voisines de deux aimants voisins soient de même polarité. Ainsi, chaque pièce polaire 17 disposée entre deux aimants voisins présente une polarité unique. Par exemple, la pièce polaire 171 entre les aimants 121 et 122 constitue un pôle sud. Chaque pièce polaire 17 est formée de deux parties 18 et 19, en acier doux dans l'exemple, de longueur axiale légèrement plus importante que celle des éléments 12 comme on le verra plus loin en relation avec la figure 3. La face de séparation entre les deux demipôles 18, 19 est selon un plan radial. Chaque demi-pôle, 18 ou 19, a, en section par un plan perpendiculaire à l'axe 111, sensiblement la forme d'un triangle rectangle. Ainsi, le demi-pôle 181 présente une face 201 appliquée contre la face 16 de l'aimant 121, une face 211 en regard de la face correspondante 221 du demi-pôle 191 et une face externe 231 en forme de zone d'un cylindre constituant la surface externe du rotor. Les faces 211 et 221 présentent chacune une rainure en forme de demi-cylindre d'axe parallèle à l'axe 111 et de même rayon; les axes de ces demi-cylindres sont pratiquement confondus quand le rotor est monté. Ces rainures forment un logement cylindrique 251 dans lequel est disposée une goupille fendue 261 qui a la forme d'un tube fendu selon une génératrice. Les dimensions du logement et de la goupille fendue sont telles que celle-ci est montée à contrainte de façon à appliquer le demi-pôle 181 contre l'aimant 121 et le demipôle 191 contre l'aimant 122; lors du montage final, les faces 211 et 221 des deux demi-pôles 181 et 191 sont séparées par une distance d'environ lmm. La fente 27 de chaque goupille 26 est, dans l'exemple, tournée vers l'extérieur. Il est préférable que chaque goupille soit en matériau amagnétique pour diminuer les fuites magnétiques transversales provoquées par la réaction d'induit. Chaque demi-pôle 18, 19 dépasse en direction radiale de la face externe 13' de chaque aimant 12. Dans la partie dépassante de la face 20, est ménagée une rainure de direction radiale pour une plaque amagnétique de clavetage 30 appliquée contre la face 13' de l'aimant 12. Ainsi, les bords longitudinaux, parallèles à l'axe 111, de la plaque 30 sont logés dans les rainures des demi-pôles de chaque côté de l'aimant 12 correspondant. En direction axiale, les aimants et les pièces polaires sont maintenus ensemble par des flasques d'extrémité 31 et 32 (figures 2 et 3) présentant dans exemple des trous 51, 52 pour laisser le passage aux goupilles afin, d'une part, de faciliter leur montage et, d'autre part, de permettre le repérage angulaire du rotor. Le flasque 31 est prolongé, à l'opposé de ensemble à aimants 12 et pièces polaires 17, par un nez 33 s'appuyant contre un épaulement 34 de l'arbre 11. Le flasque 32 est également prolongé par un nez 35, à l'opposé de l'ensemble à aimants et pièces polaires, contre lequel est en appui une rondelle élastique 3,6 grâce à une autre rondelle 361 et un écrou 37 coopérant avec une partie filetée de l'arbre. Les rondelles 36 et 361 permettent de limiter l'effort axial sur les divers éléments du rotor afin d'éviter une déformation de l'arbre et de limiter la précision d'usinage desdits éléments. Les flasques 31 et 32 sont immobilisés en rotation sur l'arbre par des clavetages 40 et 41 diamétralement opposés au droit des pièces polaires nord, respectivement 178 et 174. Aux deux extrémités chaque pièce polaire 18, 19 dépasse en direction axiale de l'aimant 12. De plus, à ces extrémités, ces pièces polaires présentent un épaulement 60 formant une surface cylindrique de diamètre inférieur au diamètre de la surface externe 61 et plus proche de l'axe 111 que les plaques 30. Ces épaulements 60 coopèrent avec un rebord 62 du flasque correspondant 31 pour assurer la cohésion radiale du rotor. Ainsi en fonctionnement, lorsque le rotor tourne à grande vitesse, la force centrifuge applique les aimants 12 contre les plaques 30 solidaires des demi-pièces polaires 18 , 19 qui sont maintenues ensemble en direction radiale grâce aux rebords 62 des flasques 31 et 32. Les goupilles fendues 26 constituent des moyens simples assurant la cohésion du rotor et qui, en outre, rattrapent les jeux. Le repérage de la position angulaire du rotor grâce aux goupilles est particulièrement utile pour un moteur auto-synchrone dont l'alimentation du stator est asservie à la position angulaire du rotor. Comme déjà mentionné, I'ouverture des fentes dans la même direction permet de limiter les risques de balourds; de plus, I'ouverture vers l'extérieur facilite le contrôle de leurs positions à partir de la périphérie, en particulier à partir de la fente entre les faces 21 et 22 de deux demi-pièces polaires adjacentes. Le rotor devant tourner à grande vitesse, le montage est complété de la façon suivante: ce rotor est entrainé à très grande vitesse, supérieure à la vitesse maximum de fonctionnement, puis ce rotor est soumis à un traitement de dégraissage et, enfin, il est imprégné par un vernis polymérisable qui ensuite durcit à chaud pour compléter la cohésion des divers éléments du rotor. REVENDICATIONS 1. Machine synchrone tournant à grande vitesse comprenant un rotor (10) à aimants permanents (12) dont les inductions sont de directions orthoradiales et qui sont disposés autour de l'axe de façon telle que deux aimants voisins aient des inductions de sens opposés, des pièces polaires (17) déviant cette induction pour qu'elle soit radiale à la périphérie, chacune de ces pièces polaires étant formée de demi-pôles (18, 19) séparés par un moyen appliquant chacun de ceux-ci contre l'aimant voisin, caractérisée en ce que chacun des aimants et chacune des pièces polaires est d'un seul tenant en direction axiale, la cohésion de l'ensemble en direction radiale étant assurée par des rebords (62) de flasques d'extrémités (31 , 32), et en ce que ledit moyen appliquant chaque demi-pôle (18, 19) contre l'aimant voisin (12) est constitué par une goupille fendue (26). .2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'en direction axiale les pièces polaires (18, 19) présentent des extrémités débordant des extrémités des aimants (12) et comportant un épaulement (60) coopérant avec le rebord (62) du flasque correspondant. 2. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ces flasques (31, 32) présentent des trous (51, 52) pour laisser le passage aux goupilles fendues (26). 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les flasques (31, 32) sont clavetés sur l'arbre (11), et en ce que les clavettes (40, 41) ont une position angulaire déterminée par rapport à un pôle du rotor. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la face externe (13') de chaque aimant (12) est recouverte par une plaque amagnétique (30) dont les bords longitudinaux sont logés dans des fentes des demi-pôles adjacents. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'axe de chaque goupille fendue (26) est parallèle à l'axe (111) du rotor. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fentes (27) des goupilles fendues sont toutes orientées de la même manière autour de l'axe (11) du rotor. 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que les fentes sont orientées vers la périphérie du rotor. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les faces adjacentes (21, 22) des deux demi-pôles (18, 19) d'une même pièce polaire (17) sont séparées par une fente, dont épaisseur est par exemple de l'ordre du millimètre. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les faces adjacentes (21, 22) des demi-pôles (18, 19) d'une même pièce polaire (17) présentent des rainures semi-cylindriques dont les ouvertures sont en regard l'une de l'autre pour loger la goupille (26). 11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les pièces polaires sont en acier doux. 12. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les aimants (12) sont à base de samarium-cobalt. 13. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor est imprégné d'un vernis d'assemblage après qu'on l'ait fait tourner à une vitesse supérieure à la vitesse maximum de fonctionnement. 14. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que les goupilles sont en matériau amagnétique.