Brevet FR2786956A1 — publié le 20000609

La présente invention concerne les machines électriques tournantes et se rapporte plus particulièrement aux machines synchrones, telles que les al- ternateurs pour véhicules automobiles, les moteurs de traction ou autres. Parmi les machines connues, on peut citer les machines à excitation par bobinages montés dans le rotor, les machines à excitation par aimants montés dans le rotor et les machines à double excitation par bobinages et ai- mants montés dans le rotor. De telles machines sont notamment décrites dans la demande de bre- vet FR-97 03 429 déposée le 20 mars 1997 par le Centre National de la Recher- che Scientifique. Une telle machine comprenant un rotor dont le circuit magnétique porte des éléments d'excitation et un stator dont le circuit magnétique porte un bobinage statorique, est caractérisée en ce que le circuit magnétique du rotor comporte montés sur un arbre des flasques d'extrémités et au moins un disque denté disposé entre les flasques d'extrémité, les dents du disque denté étant ré- gulièrement réparties à sa périphérie et au moins une pièce annulaire montée sur les flasques d'extrémité et munie de lumières régulièrement réparties à sa périphérie et dans chacune desquelles est engagée une dent d'au moins un dis- que denté, les flasques d'extrémité et ledit au moins un disque denté définissant entre eux, des intervalles dans lesquels sont logés des éléments d'excitation. En outre, la demande de brevet FR-97 05 030 déposée le 23 avril 1997 par le Centre National de la Recherche Scientifique décrit une machine électrique tournante du type à double excitation montée sur un arbre comprenant un rotor dont le circuit magnétique porte au moins un élément d'excitation et un stator dont le circuit magnétique porte un bobinage statorique, caractérisée en ce que ledit au moins un élément d'excitation comprend au moins un aimant annu- laire associé à au moins deux disques munis chacun de dents radiales réguliè- rement réparties à leur périphérie et au moins une pièce annulaire munie de lu- mières dans chacune desquelles est engagée sans contact, une dent d'au moins un disque denté, et en ce que le circuit magnétique du stator comporte un nom- bre pair au moins égal à deux, d'éléments annulaires de circuit magnétique, au moins un bobinage d'excitation statorique étant agencé entre au moins deux éléments voisins parmi lesdites éléments de circuit magnétique. Bien que donnant des résultats acceptables et permettant la suppres- sion des balais, les machines du type précité présentent une surface d'entrefer active d'excitation rotorique par aimants réduite. L'invention vise à créer une machine à double excitation qui tout en présentant les mêmes avantages que la machine précitée, notamment en ce qui concerne le réglage par la double excitation et la suppression des balais, com- porte une excitation rotorique par aimants renforcée. Elle a donc pour objet une machine électrique tournante à double ex- citation comprenant un rotor et un stator dont le circuit magnétique porte un bo- binage statorique, caractérisée en ce que le stator comporte un noyau magnéti- que annulaire et au moins un bobinage d'excitation, le bobinage statorique étant bobiné sur le noyau, I'ensemble étant disposé dans au moins une couronne ma- gnétique en contact avec la surface extérieure du noyau statorique, ladite au moins une couronne comprenant au moins un rebord d'extrémité radial, et en ce que le rotor comporte un circuit magnétique présentant des portions périphéri- ques, lesdits rebords d'extrémité radiaux de ladite au moins une couronne ma- gnétique du stator, définissant avec les portions périphériques du circuit magné- tique du rotor des entrefers formant trajets de retour de flux. L'invention a également pour objet une machine électrique tournante du type précité, dont le rotor comporte, disposés entre des flasques d'extrémité, un noyau magnétique pourvu de dents radiales, régulièrement réparties à sa pé- riphérie, des aimants annulaires disposés de part et d'autre des extrémités axia- les du noyau et appliqués contre le noyau par les flasques magnétiques d'extré- mité et au moins une pièce magnétique de liaison des flasques d'extrémité entre eux, caractérisée en ce que le rotor comprend plusieurs pièces magnétiques de liaison des flasques d'extrémité entre eux, formées de barres de liaison des flas- ques d'extrémité logées dans les intervalles entre les dents radiales du noyau magnétique, des aimants supplémentaires étant interposés entre chacune desdites barres et au moins les parois latérales des dents radiales du noyau dé- finissant lesdits intervalles. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va sui- vre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins an- nexés, sur lesquels: - la Fig.1 est une vue en élévation et en coupe d'une machine tour- nante suivant l'invention; - la Fig.2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la Fig.3 est une vue en perspective en partie éclatée d'un autre mode de réalisation de la machine tournante suivant l'invention; - la Fig.4 est une vue en élévation et en coupe de la machine de la figure 3; -c - la Fig.5 est une coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 4; - la Fig.6 est une vue en élévation et en coupe d'encore un autre mode de réalisation de la machine tournante suivant l'invention; et - la Fig.7 est une vue partielle en plan développée du rotor de la ma- chine de la figure 6. La machine tournante représentée aux figures 1 et 2 comporte un ar- bre 1 sur lequel est monté un rotor 2 comprenant un circuit magnétique formé d'un noyau en tôle feuilletée 3 pourvu à sa périphérie de dents radiales 4 réguliè- rement réparties. De part et d'autre du noyau 3 sont disposés axialement des aimants d'excitation annulaires 5,6 de polarités inverses qui sont appliqués contre le noyau par des flasques d'extrémité respectifs 7,8 en matière magnétique montés sur l'arbre 1. Des bagues 7a,8a en matière amagnétique par exemple en matière isolante, sont interposées entre l'arbre 1 et les flasques 7,8 correspondants. Chaque flasque 7,8 comporte un rebord axial périphérique 9,10 dirigé vers l'extérieur destiné à coopérer avec le circuit magnétique d'un stator 11 as- socié au rotor 2. Dans les intervalles entre les dents 4 du noyau 3 sont logées des barres 12 en matériau magnétique, de liaison des flasques d'extrémité 7,8 entre eux. Les barres 12 sont avantageusement réalisées en forme de tuiles avec une surface extérieure convexe dont la courbure correspond à celle de la surface extérieure du rotor. Le stator 1 1 comporte un noyau annulaire en tôle magnétique feuilleté 13 de part et d'autre duquel sont disposés des bobinages d'excitation 14, 15. Un bobinage statorique 16 entouré par les bobinages d'excitation 14,15, est bobiné sur le noyau 12 qui présente à cet effet une surface intérieure formée de créneaux 18 comme représenté à la figure 2. L'ensemble du stator est logé dans une couronne magnétique exté- rieure 20 qui est en contact avec la surface extérieure du noyau magnétique 13 et qui comporte des rebords radiaux d'extrémité 21,22 disposés en regard des rebords axiaux 9,10 respectifs des flasques 7,8 du rotor afin de définir des en- trefers 23,24 formant des trajets de retour de flux. Selon une variante, les portions périphériques des flasques 6,7 peu- vent être dépourvues de rebords axiaux. Il suffit alors que les flasques 7,8 aient une épaisseur suffisante pour que leurs portions périphériques définissent avec les rebords radiaux 21,22 de la couronne magnétique du stator; des entrefers de retour de flux de dimensions appropriées. Ainsi qu'on le voit clairement à la figure 2, entre chaque barre 12 de liaison des flasques d'extrémité 7,8 entre eux et les dents voisines 4 du noyau 3, sont interposés des aimants radiaux 25 qui affleurent la surface extérieure du rotor 2 définie par les extrémités des dents 4 et la surface extérieure des barres de liaison 12. Dans le présent mode de réalisation, les barres de liaison 12 sont de section constante sur toute leur longueur. La surface intérieure de chaque barre est séparée du fond de l'inter- valle correspondant entre les dents 4 du noyau 3 par un jeu 26. On peut également disposer dans ce jeu, un aimant supplémentaire (non représenté). La présence dans le rotor 2 des barres de liaison 12 disposées entre les flasques 7,8 permet d'obtenir entre le stator et le rotor, une surface d'entrefer centrale active ayant N paires de pôles non court-circuités magnétiquement. Les rebords axiaux des flasques 7,8 et les rebords radiaux 21,22 de la couronne magnétique extérieure 20 définissent deux surfaces d'entrefer 23,24 de retour de flux entre le stator et le rotor. La machine représentée aux figures 3 à 5 diffère essentiellement de la machine décrite en référence aux figures 1 et 2 par la forme des barres de liai- son entre les flasques d'extrémité du rotor. Ainsi qu'on le voir aux figures 3 à 5, la machine comporte, porté par un arbre 31, un rotor 32 comprenant un circuit magnétique formé d'un noyau en tôle feuilleté 33 pourvu à sa périphérie de dents 34 régulièrement réparties. De part et d'autre du noyau 33 sont disposés axialement des aimants d'excitation annulaires 35,36 de polarités inverses qui sont appliqués contre le noyau 33 par des flasques d'extrémité respectifs 37,38 en matière magnétique montés sur l'arbre 31. Des bagues 37a,38a en matière amagnétique, par exemple en ma- tière isolante sont interposées entre l'arbre 31 et les flasques 37,38 correspon- dants. Chaque flasque 37,38 comporte un rebord axial 39,40 dirigé vers l'extérieur destiné à coopérer avec le circuit magnétique d'un stator 41 associé au rotor32. Dans les intervalles entre les dents 34 du noyau 33 sont logées des barres 42 en matériau magnétique de liaison des flasques 37,38 entre eux. Chaque barre de liaison 42 a la forme d'un T. Elle s'étend entre les flasques d'extrémité 37,38 et son pied central 43 est engagé dans un logement 44 ménagé dans le fond de chaque intervalle entre les dents 34 du noyau 33. Comme représenté à la figure 4, entre le pied 43 de la barre de liaison 42 et les parois du logement 44 sont interposés des aimants supplémentaires 46 disposés de part et d'autre des faces axiales du pied 43 et un aimant supplé- mentaire 48 disposé entre l'extrémité du pied 43 opposée à la barre proprement dite et le fond du logement 44. Ainsi qu'on le voit mieux à la figure 5 entre le pied 43 de chaque barre 42 et les parois radiales des dents 34 consécutives du noyau 33, sont disposés des aimants supplémentaires radiaux 50 que l'on aperçoit également sur la vue en perspective de la figure 3. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, le stator de la ma- chine représentée aux figures 3 à 5 comporte un noyau statorique annulaire feuilleté 52 de part et d'autre duquel sont disposés des bobinages d'excitation 54,55. Un bobinage statorique 56 est bobiné intérieurement aux bobinages d'excitation 54,55 sur le noyau 52 qui présente à cet effet une surface intérieure formée de créneaux 58 dirigés vers la surface extérieure du rotor 32 (Fig.5). L'ensemble du stator est logé dans une couronne magnétique exté- rieure 60 en contact avec la périphérie du noyau magnétique statorique 52. La couronne extérieure 60 comporte des rebords radiaux d'extrémité 61,62, dispo- sés en regard des portions périphériques ou rebords axiaux respectifs 39, 40 des flasques magnétiques 37,38 du rotor et définissent avec lesdits rebords, des en- trefers 63,64 formant des trajets de retour de flux. L'agencement qui vient d'être décrit diffère de celui décrit en référence aux figures 1 et 2, en ce qu'il offre plus de place pour loger des aimants autour des dents du rotor, ce qui permet par conséquent d'augmenter le flux dans l'en- trefer et le couple délivré par la machine. Il comporte un seul noyau denté rotorique pour un nombre identique de cellules élémentaires. Il ne comporte pas d'isthme au rotor tandis que la présence des barres magnétiques en forme de T simplifie la conception de la machine. La machine tournante représentée aux figures 6 et 7, est une machine du type à griffes qui comporte un arbre 71 en matière amagnétique qui porte un rotor 72 comprenant un aimant annulaire 73 de part et d'autre duquel sont dispo- sés des disques 74,75 en tôle feuilletés munis de griffes 76,77 imbriquées dont la section se rétrécit de leur base vers leur sommet. Entre les griffes 76,77 sont disposés des aimants supplémentaires 79. Le rotor peut également ne comporter qu'un aimant annulaire ou encore que des aimants intercalaires logés entre les griffes. Selon une variante, les griffes peuvent également être fixées directe- ment sur l'arbre en matière amagnétique sans être portées par des disques tels que 74 et 75. La machine comporte en outre un stator 81 qui comporte un noyau annulaire feuilleté 82 de part et d'autre duquel sont disposés des bobinages d'excitation 84,85. Un bobinage statorique 86 est bobiné intérieurement aux bobinages d'excitation 84,85 sur le noyau 82 de la manière décrite en référence aux figures 2 et 5. L'ensemble du stator est logé dans deux couronnes magnétiques ex- térieures d'extrémité 88,90 séparées, qui sont en contact chacune avec le noyau magnétique 82 et qui comportent chacune un rebord radial 92,94. Les griffes 76,77 comportent chacune une région 96,98 située en re- gard du rebord radial 92,94 correspondant et définissant avec ce rebord radial, un entrefer 100,102 de retour de flux. Les disques 74,75 portant les griffes peuvent présenter des régions intermédiaires entre les griffes 76,77 qu'ils portent, d'un même diamètre que celui des régions 96,98 des griffes situées en regard des rebords radiaux 92,94 des couronnes correspondantes. Les régions intermédiaires peuvent également pré- senter des diamètres réduits par rapport aux griffes. Dans l'exemple décrit en référence aux figures 6 et 7, le stator est logé dans deux couronnes extérieures. Bien entendu, un tel agencement, peut éga- lement être adopté pour les stators des machines des figures 1 et 3. REVENDICATIONS 1. Machine électrique tournante à double excitation comprenant un rotor et un stator dont le circuit magnétique porte un bobinage statorique (16;56;86), caractérisée en ce que le stator comporte un noyau magnétique an- nulaire (13;52;82) et au moins un bobinage d'excitation (14,15;54,55;84, 85), le bobinage statorique (16;56;86) étant bobiné sur le noyau, l'ensemble étant dis- posé dans au moins une couronne magnétique (20;60;88,90) en contact avec la surface extérieure du noyau statorique (13;52), ladite au moins une couronne comprenant au moins un rebord d'extrémité radial (21,22;61,62; 92,94), et en ce que le rotor (2;32;72) comporte un circuit magnétique présentant des portions périphériques (9,10;39,40;96,98), lesdits rebords d'extrémité radiaux (21,22;61, 62;92,94) de ladite au moins une couronne magnétique (20;60;88,90) du stator, définissant avec les portions périphériques (9,10;39,40;96,98) du circuit magné- tique du rotor (2;32;72) des entrefers (23,24;63,64;100,102) formant trajets de retour de flux. 2. Machine électrique tournante suivant la revendication 1, caractéri- sée en ce que le rotor comporte des flasques magnétiques d'extrémité (7,8;37,38) dont les portions périphériques (9,10;39,40) définissent avec les re- bords d'extrémité radiaux (21,22;61,62) de ladite au moins une couronne ma- gnétique du stator (11;41), lesdits entrefers de retour de flux. 3. Machine électrique tournante suivant la revendication 2, dont le rotor comporte, disposés entre les flasques magnétiques d'extrémité (7,8; 37,38), un noyau magnétique (3;33) pourvu de dents (4;34) radiales, régulièrement ré- parties à sa périphérie, des aimants annulaires (5,6;35,36) disposés de part et d'autre des extrémités axiales du noyau (3;33) et appliqués contre le noyau par les flasques magnétiques d'extrémité et au moins une pièce magnétique (12;42) de liaison des flasques d'extrémité (7,8;37,38) entre eux, caractérisée en ce que le rotor comprend plusieurs pièces magnétiques de liaison des flasques d'extré- mité entre eux, formées de barres (12;42) de liaison des flasques d'extrémité (7,8;37,38) logées dans les intervalles entre les dents radiales (4;34) du noyau magnétique (3;33), des aimants supplémentaires (25;50) étant interposés entre chacune desdites barres (12;42) et au moins les parois latérales des dents ra- diales (4;34) du noyau définissant lesdits intervalles. 4. Machine électrique tournante suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les barres de liaison (12) des flasques d'extrémité (7,8) entre eux ont une section constante sur toute leur longueur. 5. Machine électrique tournante suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les barres de liaison (42) comportent un pied central (43) engagé dans un logement (44) ménagé dans le fond de chaque intervalle entre deux dents (34) consécutives du noyau magnétique (33), des aimants supplé- mentaires (46,48) étant interposés entre le pied central et les parois latérales et de fond dudit logement (44). 6. Machine électrique tournante suivant la revendication 1, dont le cir- cuit magnétique du rotor (72) comporte au moins un aimant d'excitation (73,79) et des griffes axiales (76,77) imbriquées, caractérisée en ce que les griffes com- portent chacune une région (96,98) située en regard d'un rebord radial (92,94) de ladite au moins une couronne magnétique (88,90) du stator et définissant avec ce rebord radial, un entrefer (100,102) de retour de flux. 7. Machine électrique tournante suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le stator (81) est logé dans deux couronnes magnétiques extérieures d'extrémité (88,90) séparées, qui sont en contact chacune avec le noyau magnétique (82) du stator (81) et qui comportent chacune un rebord radial (92,94) définissant avec les portions périphériques correspondantes du circuit magnétique du rotor (72) des entrefers (100,102) de retour de flux. 8. Machine électrique tournante suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que les griffes (76,77) du rotor sont portées par des dis- ques (74,75), présentant des régions intermédiaires entre les griffes d'un diamè- tre réduit par rapport à celui des régions (96,98) des griffes situées en regard des rebords radiaux (92,94) des couronnes (88,90) correspondantes du stator. 9. Machine électrique tournante suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que les griffes du rotor sont portées par des disques pré- sentant des régions intermédiaires entre les griffes d'un même diamètre que ce- lui des régions des griffes situées en regard de rebords radiaux des couronnes correspondantes du stator. 10. Machine électrique tournante suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que les griffes du rotor sont formées par des pièces sépa- rées fixées à l'arbre du rotor.