Brevet FR2645364A1 — publié le 19901005

La présente invention est relative à une machine électro- dynamique synchrone à aimants permanents comportant un rotor du type à concentration de flux comprenant un arbre ou un moyeu réalisé en matériau amagnétique sur lequel reposent des aimants permanents radiaux parallèlé- pipàdiques entre lesquels sont disposées les pièces polaires réalisées en t8ôle magnétique ferro-silicium et un stator comportant une carcasse réa- lisée en tôle magnétique ferro-silicium dans laquelle sont formées une pluralité d'encoches semi-fermées délimitées par une culasse statorique qui recoivent des bobinages induits, et qui définit avec le rotor un entrefer. Dans les machines décrites précédemment, pour obtenir un fort couple massique, on utilise des rotors équipés d'aimants dits à haute énergie, de type terres rares (Samarium Cobalt et plus récemment Néodyme-Fer), faisant parfois appel, dans le meilleur des cas, à une struc- ture de rotor aimanté, connue de l'homme de l'art, la structure à concen- tration de flux. Cette démarche convient à des machines de couples relati- vement faibles et tournant à des vitesses élevées, donc entraînant des charges par l'intermédiaire de réducteurs. Cependant, lorsque l'on désire effectuer l'entraînement direct de charges sans réducteurs, à puissance donnée, le couple néces- saire au niveau du moteur est beaucoup plus élevé que dans la solution à moto-réducteur, on est donc conduit à des machines de dimensions impor- tantes dans lesquelles l'emploi d'aimants terres rares de prix spécifique élevé conduit à un cot très important de la machine dissuadant l'utili- sateur d'employer une solution à Entraînement Direct, alors que technique- ment, pour des questions de jeu, de raideur, d'augmentation de bande pas- sante d'asservissement, et de simplicité de réalisation mécanique, l'En- tratnement Direct est souhaitable. L'invention a pour objet la réalisation de machines syn- chrones à aimants permanents à fort couple massique et volumtque, tour- nant à vitesse lente ce qui permet un Entratnement Direct. L'invention a pour but d'obtenir des rapports élevés de concentration de flux afin d'avoir avec des aimants de type ferrites un flux émanant du rotor proche de celui qu'on obtiendrait avec des aimants terres rares à haute énergie. D'autre part, ces rapports importants de concentration de flux permettent d'obtenir une induction statorique pro- che de l'induction à saturation. Cela est rendu possible par: -- 2 -- - l'utilisation de rotors de diamètre élevé (supérieur à 100 mm) compatibles pour l'utilisateur avec les couples requis (de 25 Nm à plusieurs centaines de Nm). - l'utilisation de rotors à concentration de flux à grand nombre de pôles; les pertes magnétiques restant cependant faibles du fait des faibles vitesses de rotation nécessitées par l'Entraînement Direct (quelques tours/s, généralement moins de 3 trs/s). Les aimants ferrites sont interessants du point de vue du coût du fait que leur prix spécifique est de l'ordre du cinquantième de celui des aimants Samarium - Cobalt actuellement, et du vingt-cinquième de celui qu'atteindront après stabilisation les nouveaux aimants terres rares néodymes fer à haute énergie, lesquels présentent des coefficients importants de perte de champ avec l'augmentation de la température. En conséquence, La solution selon l'invention est compétitive par rapport aux solutions traditionnelles à moto-réducteurs. Notons que le recours à des aimants de type à haute éner- gie apporterait un surcoût notable avec la même structure, mais n'apporte- rait pas de gain notable en couple massique car le coefficient de concen- tration de flux serait inférieur à celui pratiqué pour les ferrites, les tôles magnétiques employées pour le circuit magnétique statorique, satu- rant magnétiquement autour d'une induction de 2 Tesla déjà atteinte avec la machine selon l'invention. Pour obtenir ces résultats, la machine selon l'invention est caractérisée en ce que les aimants sont de type ferrites et que le rap- port rl de la hauteur de la section d'un aimant traversée par le flux d'in- duction divisée par le diamètre d'alésage de l'entrefer est compris entre 0,]9 et 0,27. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rapport r2 de la section d'un aimant tr aversée par le flux d'induction divisée par la longueur d'un demi-arc polaire périphérique du rotor séparant les faces en vis-à-vis de deux aimants consécutifs ou rapport de concentration de flux est compris entre 3,1 et 3,9. Selon une autre caractéristique, le rapport r3 entre le produit du nombre de dents statoriques multiplié par l'épais- seur d'une dent statorique séparant deux encoches consécutives, divisé par 4.P fois la longueur d'un demi-arc polaire périphérique du rotor séparant les faces en vis-à-vis de deux aimants consécutifs, P étant le nombre de paires de pôles de la machine est compris entre 0,75 et 0,95. Selon une autre caractéristique, le rapport r4 de 4.P fois l'épaisseur radiale de la culasse statorique divisé par le produit du nom- bre de dents statoriques séparant les encoches statoriques par l'épaisseur d'une dent statorique séparant deux encoches consécutives est compris entre 0,60 et 0,75. On vient ainsi de définir une série de rapports de dimen- sionnement rn à r4 qui permettent à pattir du choix initial d'un diamètre d'alésage de déterminer l'ensemble des dimensions de la machine permettant d'obtenir un couple massique maximum avec l'utilisation de tôles magnétiques ferro-silicium et d'aimants ferrites. Cette série de rapports optimaux con- duit à une structure de rotor à aimants quasi-jointifs à leur extrémité inférieure. On décrira maintenant l'invention en se référant aux des- sins annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une machine électrodynamique synchrone. - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale du rotor et de la carcasse d'une machine électrodynamique réalisée confor- mément aux enseignements de la présente invention. On a représenté à la figure I une coupe axiale d'un moteur synchrone. Le moteur comprend essentiellement un carter (1) dans lequel est monté un stator (2) dont la paroi périphérique interne (3) coopère avec la paroi périphérique externe (4) d'un rotor (5) monté dans le carter (1) pour définir entre elles un entrefer (6). Le rotor (5) est monté tournant dans le carter (I) au moyen de deux paliers (7) et (8) comportant chacun un roulement. Le stator (2) représenté aux figures 1 et 2 comprend un enroulement principal de stator (9) disposé dans les encoches (10) semi- fermées délimitées par une culasse statorique (11). Le rotor (5) comprend également des aimants (12) montés dans des encoches radiales (13). Dans le cadre de la présente invention, les tôles magné- tiques dans lesquelles sont réalisées les pièces polaires (14) et la culasse (Il) sont des t les ordinaires en alliage de ferro-silicium. Chacun des aimants du rotor a une forme générale para- llèlépipédique rectangle et prend appui sur l'arbre ou moyeu amagnétique (15), -4- Les aimants utilisés sont des aimants ferrites. Dans le mode de réalisation présenté, les aimants sont chacun constitués d'une pluralité d'aimants élémentaires parallèlépipédiques (12) assembles 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 perpendiculaires aux rayons du rotor. Conformément à l'in- vention et afin d'obtenir la saturation magnétique maximalp la machine électrodynamique est dimensionnée de façon que le rapport rIl défini par la formule r à n àd-dans laquelle d - h est la hauteur radiale de la section S d'un aimant (12) traversée par le flux d'induction, et - d est le "diamètre d'alésage" ou diamètre moyen de l'entrefer (6) de la machine électrodynamique, est compris entre 0,19 et 0,27 aux détails de réalisation près. Selon une autre caractéristique de l'invention- le rapport r2 défini par la formule r2 ----h--- dans laquelle a - a est la longueur d'un demi-arc polaire périphérique externe du rotor (5) séparant les faces S en vis-àvis de deux aimants consécutifs (12), est compris entre 3,1 et 3,9. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rapport n.e r3 défini par la formule r3 -_-P-a dans laquelle - n est le nombre de dents statoriques (16) séparant les encoches stato- riques (]0). - e est l'épaisseur d'une dent statorique (16) séparant deux encoches statoriques consécutives (10). - P est le nombre de paires de p8les magnétiques, est compris entre 0,75 et 0,95. Selon un mode de réalisation préférentiel, le nombre de paires de p6les est égal à 6, le nombre de dents statoriques (16) est égal à 72. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rapport r4 défini par la formule r4 4 -'P - dans laquelle n.e d c est l'épaisseur radiale de la culasse statorique (11) délimitant les encoches statoriques (10), est compris entre 0,60 et 0,75. R E V E N D I C A T I 0 N S -- 5-- REVENDICATIONS 1 - Machine électrodynamique synchrone à aimants perma- nents comportant un rotor (5) du type à concentration de flux comprenant un arbre ou un moyeu (15) réalisé en matériau amagnétique sur lequel repo- sent des aimants permanents radiaux parallàlépipédiques (12) entre lesquels sont disposées les pièces polaires (14) réalisées en tôle magnétique ferro- silicium et un stator (2) comportant une carcasse réalisée en tôle magné- tique ferro-silicium dans laquelle sont formées une pluralité d'encoches (10) semi-fermées délimitées par une culasse statorique (11) qui recoivent des bobinages induits (9) et qui définit avec le rotor (5) un entrefer (6) caractérisée en ce que les aimants (12) sont de txpe ferrites et que le rapport rI de la hauteur (h) de la section (S) d'un aimant (12) traversée par le flux d'induction divisée par le diamètre d'alésage (d) de l'entrefer est compris entre 0,19 et 0,27. 2 - Machine selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le rapport r2 de la hauteur (h) de la section (S) d'un aimant tra- versée par le flux d'induction divisée par la longueur (a) d'un demi-arc polaire périphérique du rotor (5) séparant les faces en vis-à-vis de deux aimants (12) consécutifs ou rapport de concentration de flux est compris entre 3,1 et 3,9. 3 - Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le rapport r3 entre le produit du nombre (n) de dents statoriques (16) multiplié par l'épaisseur (e) d'une dent statorique (16) séparant deux encoches consécutives (10) divisé par 4.P fois la longueur (a) d'un demi-arc polaire périphérique du rotor (5) séparant les faces en vis-à-vis de deux aimants consécutifs (12) , P étant le nombre de paires de pôles magnétiques, est compris entre 0,75 et 0,95. 4 - Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le rapport r4 de 4.P fois l'é- paisseur-radiale (c) de la culasse statorique (11) divisé par le produit du nombre (n) de dents statoriques (16) séparant les encoches statoriques (10) par l'épaisseur (e) d'une dent statorique (16) séparant deux encoches consécutives (10) est compris entre 0,60 et 0,75. - Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée par le fait que le nombre P de paires de pôles magnétiques est égal à 6.