Brevet FR2616278A1 — publié le 19881209

ALTERNATEUR POUR VEHICULES AUTOMOBILES La présente invention concerne de façon générale un alternateur prévu pour l'utilisation dans des véhicules auto- mobiles tels que des voitures, des véhicules de transport en commun, des camions, des motocyclettes, etc., et-elle porte en particulier sur des perfectionnements concernant la con- ception de circuits magnétiques de rotor pour un tel alterna- teur. De façon générale, l'alternateur du type précité comprend une paire de circuits magnétiques de rotor qui sont logés et supportés de façon tournante dans un carter, un en- roulement de rotor bobiné autour des circuits magnétiques de rotor, un circuit magnétique de stator monté à l'intérieur du carter et fixé à ce dernier de façon à entourer les cir- cuits magnétiques de rotor, avec formation d'un entrefer. entre eux, et des enroulements de stator qui sont bobinés autour du circuit magnétique de stator. Chaque circuit ma- gnétique de rotor comprend un corps et un ensemble de pièces polaires semblables à des griffes qui sont formées d'un seul tenant avec le corps de façon à s'étendre dans la direction axiale de ce dernier. Les circuits magnétiques de rotor sont mutuellement accouplés et ils sont disposés de façon que les pièces polaires de l'un des circuits magnétiques de rotor alternent avec celles de l'autre circuit magnétique de rotor. Cependant, dans l'alternateur de l'art antérieur, chaque circuit magnétique de rotor est formé de façon que ses pièces polaires, lorsqu'on les observe dans la direction radiale du circuit magnétique de stator, s'étendent sur toute l'étendue du circuit magnétique de stator, avec leurs extré- mités distales situées dans un plan commun dans lequel se, trouve l'extrémité correspondante du circuit magnétique de stator, ce qui fait que la longueur complète de chaque pièce polaire est inévitablement grande. Il en résulte que le poids des circuits magnétiques de rotor est excessivement augmenté. En outre, dans la mesure o les pièces polaires sont soumises à une force centrifuge élevée lorsque les circuits magnéti- ques de rotor sont mis en rotation à une vitesse élevée, el- les sont susceptibles de se déformer vers l'extérieur. De ce fait, l'entrefer entre le circuit magnétique de stator et les pièces polaires doit être suffisamment augmenté pour em- pêcher que les pièces polaires ne viennent en contact avec le circuit magnétique, ce qui empêche de construire des alterna- teurs développantune puissEncedesortie plus élevée. Les cir- cuits magnétiques de rotor conçus conformément à l'art anté- rieur présentent également un autre inconvénient, qui consis- te en ce que les parties d'extrémités distales des pièces po- laires sont soumises à une vibration, du fait qu'elles re- poussent et attirent alternativement le circuit magnétique de - stator, à cause de la configuration alternée connue des dents et des encoches du circuit magnétique de stator, ce qui aug- mente un bruit indésirable. L'invention a donc pour but de procurer un alterna- teur qui puisse éviter effectivement la déformation des piè- ces polaires des circuits magnétiques de rotor, ainsi que l'apparition d'une vibration, et qui soit léger et permette d'obtenir une puissance de sortie plus élevée. La présente invention procure un alternateur pour des véhicules automobiles comprenant: un carter; un circuit magnétique de stator disposé à l'intérieur du carter et fixé à ce dernier, le circuit magnétique de stator ayant une forme générale cylindrique, avec une longueur déterminée, et ayant des extrémités avant et arrière; un bobinage de stator placé autour du circuit magnétique de stator; un arbre de circuits magnétiques, traversé par un axe de rotation et supporté de façon tournante dans le carter; une paire de circuits magné- tiques de rotor avant et arrière, montés de façon fixe sur l'arbre de circuits magnétiques, pour tourner avec ce dernier, chacun des circuits magnétiques de rotor comportant un corps et un ensemble de pièces polaires semblables à des griffes, formées sur le corps dans des positions uniformément espacées à la circonférence du corps, ces griffes s'étendant dans la direction de l'arbre de circuits magnétiques, les deux cir- cuits magnétiques de rotor étant mutuellement accouplés de façon que 1-es pièces polaires du circuit magnétique de rotor avant soient disposées en alternance avec les pièces polaires du circuit magnétique de rotor arrière, chacun des circuits magnétiques de rotor ayant une partie de chevauchement d'une longueur déterminée qui est en chevauchement avec le circuit magnétique de stator, lorsqu'on regarde dans la direction ra- diale du circuit magnétique de stator; et des enroulements de rotor placés sur les circuits magnétiques de rotor; carac- térisé en ce que chaque pièce polaire du circuit magnétique de rotor avant est dimensionnée de façon à avoir une extrémi- té distale située à une certaine distance en avant de l'ex- trémité arrière du circuit magnétique de stator, tandis que chaque pièce polaire du circuit magnétique de rotor arrière est dimensionnée de façon à avoir une extrémité distale si- tuée à une certaine distance en arrière de l'extrémité avant du circuit magnétique de rotor, de telle manière qu'un rap- port de chevauchement entre la longueur de la partie de che- vauchement de chaque circuit magnétique de rotor et la lon- gueur du circuit magnétique de stator, soit compris dans une plage allant d'environ 0,88 jusqu'à une valeur inférieure à 1,0. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en élévation latérale, avec certaines parties représentées en coupe, d'un alterna- teur conforme à la présente invention; La figure 2 est une vue en perspective d'un cir- cuit magnétique de rotor qui est utilisé dans l'alternateur de la figure 1; La figure 3 est une représentation schématique en élévation latérale de l'une des pièces polaires du circuit magnétique de rotor de la figure 2; La figure 4 est une représentation schématique montrant la disposition de la pièce polaire du circuit ma- gnétique de rotor, par rapport à un circuit magnétique de stator; La figure 5 est une représentation schématique montrant la déformation de la pièce polaire du circuit ma- gnétique de rotor; La figure 6 est une représentation graphique mon- trant la relation entre le rapport de chevauchement et la valeur de la déformation; La figure 7 est une représentation graphique mon- trant la relation entre le rapport de chevauchement et le courant de sortie; et La figure 8 est une représentation graphique mon- trant la relation entre le rapport de rétrécissement et le courant de sortie. En considérant les figures 1 à 4, on voit un mode de réalisation d'un alternateur conforme à l'invention, dé- signé de façon générale par la référence 10, dont la struc- ture fondamentale est similaire à celle de-l'alternateur de l'art antérieur. Plus précisément, l'alternateur 10 comprend un carter 12, ou une paire de flasques de carter, un arbre de circuits magnétiques 14 traversé par un axe de rotation et supporté de façon tournante dans les flasques de carter 12, une paire de circuits magnétiques de rotor avant et arrière, 16, 16, du type Lundell, ou à griffes, qui sont 26'16278 montés de façon fixe sur l'arbre de circuits magnétiques pour tourner avec lui, un mandrin 18 qui est monté sur les cir- cuits magnétiques de rotor, une bobine ou un enroulement de rotor 20 qui est bobiné autour du mandrin 18, un circuit ma- gnétique de stator 22, de forme générale cylindrique, qui est logé dans le carter 12 et est fixé à ce dernier, et des bobines ou enroulements de stator 24 qui sont bobinés autour du circuit magnétique de stator. Chaque circuit magnétique de rotor 16 comprend un corps 26 qui comporte une plaque d'extrémité en forme de disque, 26a, et une partie cylindri- que de diamètre réduit, 26b, qui est formée sur une surface de la plaque d'extrémité 26a, de façon à s'étendre en posi- tion coaxiale par rapport à cette dernière, et un ensemble de pièces polaires 28, semblables à des griffes, qui sont formées d'un seul tenant avec la plaque d'extrémité 26a du corps 26, qui sont uniformément espacées à la circonférence du corps et qui s'étendent dans la direction axiale de ce dernier. Les circuits magnétiques de rotor avant et arrière 16 et 16 sont mutuellement accouplés, avec les faces d'ex- trémité des parties cylindriques 26b appliquées l'une contre l'autre, de manière que les pièces polaires 28 du circuit magnétique de rotor avant soient disposées en alternance avec celles du circuit magnétique de rotor arrière, et les circuits magnétiques de rotor sont disposés.de manière que les pièces polaires 28 des circuits magnétiques de rotor avant et arrière soient entourées à faible distance par le circuit magnétique de stator 22, avec un entrefer uniforme G formé entre les pièces polaires et le circuit magnétique de stator. L'alternateur 10 comprend en outre des bagues 30 qui sont montées autour de l'arbre de circuits magnétiques 14 et qui sont connectées à l'enroulement de rotor 20, des balais 32 retenus dans un porte-balais 34 et conçus pour être main- tenus en contact élastique avec les bagues 30, un redresseur 36 pour redresser le courant alternatif qui est produit, des' ventilateurs de refroidissement 38 et d'autres éléments con- nus. Comme dans le cas de l'alternateur de l'art anté- rieur, les circuits magnétiques de rotor 16 et 16 sont dispo- sés d'une manière telle que toutes les pièces polaires 28 soient en chevauchement avec le circuit magnétique de stator 22, lorsqu'on observe la structure dans la direction radiale du circuit magnétique de stator 22. Cependant, dans l'alter- nateur 10, chaque circuit magnétique de rotor 16 est formé de façon que ses pièces polaires 28 aient une longueur infé- rieure à celle des pièces polaires de l'art antérieur. En d'autres termes, chaque pièce polaire 28 du circuit magnéti- que de rotor avant est dimensionnée de façon à avoir une extrémité distale 28a située à une certaine distance en avant de l'extrémité arrière du circuit magnétique de stator 22. De façon similaire, chaque pièce polaire du circuit-magnétique de rotor arrière est dimensionnée de façon à avoir une extré- mité distale 28a située à une certaine distance en arrière de l'extrémité avant du circuit magnétique de stator 22. Plus précisément, chaque pièce polaire 28 du cir- cuit magnétique de rotor 16 est dimensionnée de façon à che- vaucher le circuit magnétique de stator 22, lorsqu'on consi- dère la structure dans la direction radiale du circuit ma- gnétique de stator, d'une manière telle qu'un rapport de chevauchement d égal à d/L, soit sélectionné de façon à sa- tisfaire la relation 0 gueur axiale du circuit magnétique de stator 22, et par d la longueur de chevauchement du circuit magnétique de rotor, c'est-à-dire la longueur de la partie du circuit magnétique de rotor qui est disposée exactement face au circuit magné- tique de stator 22, en direction radiale. La différence de structure entre le mode de réalisation de l'invention et l'alternateur de l'art antérieur est représentée schémati- quement sur la figure 4, dans laquelle la réference 28' dé- signe la pièce polaire pour l'alternateur de l'art antérieur. Comme on le voit clairement sur la figure 4, le circuit ma- gnétique de rotor 16 de l'alternateur 10 présente une lon- gueur de chevauchement d2 qui est inférieure à la longueur de chevauchement d1 pour le circuit magnétique de rotor de l'alternateur de l'art antérieur, et par conséquent le rap- port de chevauchement a devient inférieur à 1,0 dans l'al- ternateur 10, alors qu'il est.égal à 1,0 dans l'alternateur. de l'art antérieur. Comme on le vérifiera ultérieurement au moyen d'un exemple, le rapport de chevauchement r décrit ci- dessus doit de préférence être compris entre environ 0,95 et environ 0,88, et encore plus préférablement entre environ 0,93 et environ 0,88. En outre, dans l'alternateur 10, chaque pièce po- laire 28 du circuit magnétique de rotor 16 présente un ré- trécissement depuis son extrémité proximale 28b vers son extrémité distale 28a, non seulement lorsqu'on l'observe dans la direction de la circonférence du circuit magnétique de rotor, mais également lorsqu'on l'observe en direction radiale, bien que la surface extérieure de la pièce polaire 28 soit définie par une surface d'un cylindre coaxial par rapport à l'arbre de circuits magnétiques 14, et soit donc maintenue parallèle au circuit magnétique de stator 22, lorsqu'on l'observe dans la direction de la circonférence du circuit magnétique de rotor. Les pièces polaires sont également rétrécies de façon similaire dans l'alternateur de l'art antérieur. Cependant, dans l'alternateur 10, chaque - pièce polaire 28 est rétrécie, dans la direction radiale du circuit magnétique de rotor 16, d'une manière telle qu'un rapport de rétrécissement f défini par W2/W1 soit fixé de préférence dans une plage d'environ 0,20 à environ 0,45, en désignant par W1 la largeur ou la longueur périphérique de la surface extérieure de la pièce polaire à son extrémité proximale 28b, et par W2 la largeur à son extrémité distale 28a, comme représenté sur les figures 2 et 3. Comme décrit ci-dessus, dans l'alternateur 10, les pièces polaires 28 des circuits magnétiques de rotor.sont dimensionnées de façon à être plus courtes que celles de l'alternateur de l'art antérieur. Par conséquent, les cir- cuits magnétiques de rotor 16 peuvent être suffisamment lé- gers, et on peut donc réduire notablement le poids d'ensem- ble de l'alternateur 10. En outre, les circuits magnétiques de rotor 16 sont moins susceptibles de se déformer pendant la rotation à une vitesse élevée. On peut donc réduire suf- fisamment l'entrefer G entre les circuits magnétiques de rotor 16 et le circuit magnétique de stator 22, pour augmen- ter le rendement de l'alternateur 10. Dans les cas dans lesquels les pièces polaires 28 sont dimensionnées de façon à être trop courtes, le flux magnétique qui doit circuler du circuit magnétique de rotor vers le circuit magnétique de stator pourrait être diminué de façon excessive, ce qui pourrait rendre impossible l'ob- tention d'une puissance de sortie suffisante. Cependant, si le rapport de chevauchement est fixé de façon à être compris dans la plage préférable indiquée ci-dessus, la longueur de chevauchement des circuits magnétiques de rotor sera suffi- samment grande pour assurer la circulation d'un flux magné- tique de valeur suffisante, permettant ainsi à l'alternateur de développer une puissance de sortie suffisamment élevée. Ceci est probablement dû au fait que le flux magnétique qui circule à partir de la face d'extrémité de l'extrémité dis- tale 28a de chaque pièce polaire (voir la figure 4) compense l'absence du flux magnétique qui aurait été produit par la partie du circuit magnétique de rotor de l'art antérieur qui a été supprimée. De plus, dans le mode de réalisation préféré, la pièce polaire 28 est rétrécie depuis son extrémité proximale 28b vers son extrémité distale 28a, dans la direction ra- diale du circuit magnétique de rotor, avec le rapport de ré- trécissement P d'environ 0,20 à environ 0,45. Comme on le vérifiera ultérieurement au moyen d'un exemple, cette struc- ture rétrécie permet à l'alternateur 10 de développer une puissance de sortie maximale. On a en outre trouvé que les pièces polaires 28 aes circuits magnétiques de rotor 16 ayant la structure particulière décrite ci-dessus, sont moins susceptibles de vibrer, ce qui permet de réduire nota- blement le bruit que produit l'alternateur 10. On va maintenant illustrer l'invention de façon plus détaillée, au moyen des exemples suivants. Exemple 1 On a fabriqué divers alternateurs qui avaient des rapports de chevauchement différents, mais le même rapport de rétrécissement de 0,30. Ensuite, pour prouver l'effica- cité des alternateurs de l'invention, on a fait tourner les circuits magnétiques de rotor à des vitesses déterminées, et on a mesuré la valeur de la déformation H des pièces po- laires des circuits magnétiques de rotor, ainsi que le cou- rant de sortie A. Plus précisément, en ce'qui concerne la valeur de déformation H des pièces polaires, on a fait tourner les circuits magnétiques de rotor à une vitesse élevée, c'est-à-dire 20000 t/mn. D'autre part, pour la me- sure du courant de sortie A, on les a fait tourner à une vitesse faible (2000 t/mn), correspondant à la vitesse de ralenti du moteur. Les figures 6 et 7 représentent graphiquement les résultats obtenus, et la première de ces figures montre la relation entre la valeur de déformation H et le rapport de chevauchement ", tandis que la figure 7 montre la relation entre le courant de sortie A et le rapport de chevauchement d. On observe sur la figure 6 que la valeur de déformation H diminue d'une manière linéaire lorsque le rapport de che- vauchement diminue. La figure 5 représente également de façon schématique la valeur de déformation, et sur cette figure H2 et d2 désignent respectivement la valeur de dé- formation et la longueur de chevauchement pour le circuit magnétique de rotor avec un rapport de chevauchement de 1,0, tandis que H1 et d1 désignent respectivement la valeur de déformation et la longueur de chevauchement pour le cir- cuit magnétique de rotor avec un rapport de chevauchement de 0,88. D'autre part, on observe sur la figure 7 que le courant de sortie A conserve une valeur élevée jusqu'à ce que le rapport de chevauchement diminue jusqu'à environ 0,88, mais le courant diminue progressivement lorsque le rapport de chevauchement o tombe au-dessous de cette valeur. On peut conclure de ces résultats que bien que les pièces polaires 28 des circuits magnétiques de rotor 16 doivent être dimensionnées de façon à ne pas être trop courtes, on obtient une diminution de la valeur de déformation tout en maintenant le courant de sortie A à une valeur élevée, tant que le rapport de chevauchement o est maintenu dans la pla- ge dans laquelle il n'est pas inférieur à environ 0,88. En outre, pour réduire suffisamment en pratique la valeur de déformation, le rapport de chevauchement o ne doit pas être supérieur à 0,95, et il est plus préférable qu'il ne dépasse pas 0,93. Exemple 2 On a fabriqué'divers alternateurs ayant des rap- ports de rétrécissement différents, en faisant varier la largeur W2 de la pièce polaire à son extrémité distale, pour une largeur fixe W1 à son extrémité proximale. On a ensuite fait tourner les circuits magnétiques de rotor à une vitesse faible, c'est-à-dire à 2000 t/mn, et on a mesuré le courant de sortie A. Les résultats obtenus sont représentés graphiquement sur la figure 7, qui montre la relation entre le rapport de rétrécissement et le courant de sortie A. On peut observer sur la figure 7 que l'alternateur ayant le rapport de rétrécissement P d'environ 0,35 dévelop- pe le courant de sortie maximal, et que les alternateurs ayant un-rapport de rétrécissement supérieur ou inférieur à cette valeur présentent un courant de sortie inférieur. En pratique, on considère que le courant de sortie A qui est exigé pour la zone de rotation à faible vitesse est supé- rieur à environ 42 ampères. Le rapport de rétrécissement doit donc être compris de préférence entre environ 0,20 et environ 0,45, de façon à garantir une puissance de sortie élevée. Bien qu'on ait décrit et représenté de façon spécifique l'alternateur conforme à l'invention, cette der- nière n'est pas limitée ni restreinte à la configuration exacte des dessins ou à la description correspondante. De nombreuses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Alternateur pour véhicules automobiles, compre- nant: (a) un carter (12); (b) un circuit magnétique de sta- tor (22) placé à l'intérieur du carter (12) et fixé à ce dernier, ce circuit magnétique de stator (22) étant d'une forme générale cylindrique avec une longueur déterminée et des extrémités avant et arrière; (c) un bobinage de stator (24) placé autour du circuit magnétique de circuit; (d) un arbre de circuits magnétiques (14) traversé par un axe de rotation et supporté de façon tournante par le carter (12); (e) une paire de circuits magnétiques de rotor avant et arrière (16), montés de façon fixe'sur l'arbre de circuits magnétiques (14), pour tourner avec ce dernier, chacun des circuits magnétiques de rotor (16) comportant un corps (26) et un ensemble de pièces polaires (28) semblables à des griffes, formées sur le corps dans des positions uniformé.- ment espacées dans la direction de la circonférence du corps, et s'étendant le long de l'arbre de-circuits magné- tiques, ces deux circuits magnétiques de rotor (16) étant mutuellement accouplés de façon que les pièces polaires (28) du circuit magnétique de rotor avant soient disposées en alternance avec les pièces polaires (28) du circuit ma- gnétique de rotor arrière, chacun des circuits magnétiques de rotor ayant une partie de chevauchement d'une longueur déterminée qui est en chevauchement avec le circuit magné- tique de stator (22), lorsqu'on regarde dans la direction radiale du circuit magnétique de stator; et (f) un bobinage de rotor (20) placé sur les circuits magnétiques de rotor; caractérisé en ce que chaque pièce polaire (28) du circuit magnétique de rotor avant (16) est dimensionnée de façon à présenter une extrémité distale située à une certaine dis- tance en avant de l'extrémité arrière du circuit magnétique de stator (22) , tandis que chaque pièce polaire du circuit magnétique de rotor arrière est dimensionnée de façon à présenter une extrémité distale située à une certaine dis- tance en arrière de l'extrémité avant du circuit magnétique de stator (22), d'une manière telle qu'un rapport de che- vauchement entre la longueur de la partie de chevauchement de chaque circuit magnétique de rotor (16) et la longueur du circuit magnétique de stator (22),soit compris dans une plage allant d'environ 0,88 jusqu'à une valeur inférieure à 1,0. 2. Alternateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que chacune des pièces polaires (28) présente une surface extérieure allongée qui est définie par une partie d'une surface cylindrique disposée de façon coaxiale avec l'arbre de circuits magnétiques (14), cette surface extérieure ayant une largeur dans la direction de la circon- férence qui diminue progressivement depuis son extrémité proximale (28b) jusqu'à son extrémité distale (28a), d'une manière telle qu'un rapport de rétrécissement, défini par le rapport entre la largeur à l'extrémité distale et la lar- geur à l'extrémité proximale, soit compris dans une plage allant d'environ 0,20 à environ 0,45.