Brevet FR2784816A1 — publié le 20000421

La présente invention concernc d'une façon gdnérale lc domaine des machines tournantes, et plus particulièrement le domaine icles moteurs ou gdnérateurs - courant alternatif dont l'excitation rotorique est rdalisée par aimants permanents. De telles machines sont bien connues. Lorsque l'excitation est réalisée au niveau du rotor uniquement à l'aide d'aimants permnanents, alors l'on peut très sensiblement simplifier la machine, en évitant notamment le recours à des bobinages de rotor et aux dispositions associées, à savoir balais, portebalais, etc.. 1 0 Il en résulte une machine plus économique et plus fiable. En revanche, la nécessité de prévoir, dans les machines connues, un aimant par pôle du rotor pose des problèmes de poids et d'un coût de revient largement dépendant du coût des aimants. En outre, l'impossibilité dans une telle machine de contrôler le degré 1 5 d'excitation pose un certain nombre de problèmes, qui sont exposés en particulier dans le document " Analyse des possibilités de fonctionnement en régime de désexcitation des moteurs à aimants permanents ", Multon et al., J. Phys. III France 5, 1995, les Editions de Physique 1995. Plus précisément, en particulier dans le cas d'un alternateur de véhicule automobile, la large gamme de vitesses de rotation possibles, de même que la large gamme de puissances électriques demandées, implique que le rotor puisse délivrer des niveaux de flux utile très variables, c'est-à-dire puisse donner lieu en son sein à des phénomènes de défluxage relativement importants. Par ailleurs, comme le montre en particulier le document précité, les machines à aimants permanents comportent typiquement un nombre d'aimants égal au nombre de pôles du rotor, ce qui les rend coûteux, lourds, et parfois délicats à concevoir, avec en particulier des possibilités de défluxage insuffisantes. Ainsi, par exemple, une machine dont le rotor possède des aimants successifs de polarités alternées doit comporter pour le défluxage, entre chaque paire d'aimants adjacents, des pièces magnétiques intermédiaires destinées à 1: 1 1 T véhiculer le flux de défluxage, et il en résulte un abaissement des performances nominalcs. La présente invention vise -t pallier ces inconvénients de l'état de la technique, et à proposer une machine électrique à excitation permanente dont le rotor soit plus économique et plus simple -i réaliser, et de poids réduit, tout en offrant des possibilités de défluxage qui soient bien compatibles notamment avec les exigences évoquées plus haut relativement aux alternateurs ou alternodémarreurs de véhicules automobiles, Ainsi la présente invention propose une machine électrique tournante, comprenant un stator possédant une pluralité d'encoches recevant des bobinages d'induit et un rotor comportant des moyens d'excitation constitués par des aimants permanents principaux reçus dans une structure rotorique pour définir une pluralité de pôl61es Nord et Sud successifs, caractérisée en ce que les aimants permanents principaux sont prévus en un nombre égal à la moitié du nombre de pôles, et en ce que la structure rotorique et lesdits aimants principaux sont agencés de manière à ce qu'une partie substantielle d'un flux magnétique entrant dans un aimant principal soit issu d'au moins un pôle Sud adjacent à l'aimant et qu'une partie substantielle d'un flux magnétique sortant d'un aimant soit dirigé vers au moins un pôle Nord adjacent à l'aimant. Des aspects préférés, mais non limitatifs, de la machine selon l'invention sont les suivants: - les aimants permanents principaux sont répartis essentiellement radialement dans le rotor et aptes à engendrer des flux magnétiques ayant tous le même sens en direction tangentielle, et les pôles du rotor sont délimités par une alternance de cavités recevant lesdits aimants principaux et d'autres cavités essentiellement radiales qui sont sensiblement imperméables au flux magnétique. - lesdites cavités débouchent sur la périphérie du rotor pour séparer les pôles les uns des autres, - - - - - ----- - lesdites cavités sont séparées deux à deux par une zone de la structure rotorique dont la section minimale est choisie de façon à minimiser les flux de fuite tout en autorisant un défluxage de la machinc. - lesdites cavités sont séparées d'un orifice central pour un arbre de rotor par une zone de la structure rotorique dont la section minimale est choisie de façon à minimiser les flux de fuite tout en autorisant un défluxagc de la machine. - les aimants permanents principaux sont répartis essentiellement tangentiellement dans le rotor et aptes à engendrer des flux magnétiques ayant tous le même sens en direction radiale, et les pôles du rotor sont définis d'une part au niveau desdits aimants principaux et d'autre part au niveau de zones intermédiaires de la structure rotorique séparant lesdits aimants. - les aimants principaux sont situés en retrait de la surface périphérique de la structure rotorique. - les aimants principaux définissent, par leur surface radialement extérieure, une partie de la surface périphérique du rotor. - les pôles du rotor sont séparés par des encoches, et chaque aimant principal s'étend, en direction tangentielle, sensiblement entre deux encoches adjacentes. - la distance entre les fonds desdites encoches et l'aimant principal associé est choisie de façon à minimiser les flux de fuite tout en autorisant un défluxage de la machine. - la structure rotorique possède une pluralité de cavités qui s'étendent entre les aimants principaux et la région centrale du rotor et qui sont sensiblement imperméables au flux magnétique, de manière à canaliser le flux entre lesdites zones intermédiaires et les faces radialement intérieures desdits aimants principaux. - le rotor possède une alternance d'aimants principaux à flux tangentiel orientés radialement et d'aimants principaux à flux radial orientés tangentiellement. - lesdites cavités sensiblement imperméables au flux magnétique sont remplies d'un matériau choisi parmi l'air, les matières plastiques et les métaux amagnétiques. 1 I aII r Avantageusement, la machine telle que définie ci-dessus constitue un alternateur ou un alterno-démarreur de véhicule automobile. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux -à la lecture de la description ddtaillée suivante de formes dc rdalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés; sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe transversale d'une machine tournante selon une première forme de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe transversale d'une machine tournante selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe transversale d'une machine tournante selon une troisième forme de réalisation de l'invention, la figure 4 est une vue schématique d'un exemple concret d'un rotor d'une machine selon la première forme de réalisation, 1 5 les figures 5a et 5b sont des vues schématiques de deux exemples concrets de rotors de machines selon la deuxième forme de réalisation, et la figure 6 est une vue schématique d'un exemple concret d'un rotor d'une machine selon la troisième forme de réalisation. On observera à titre préliminaire que la description qui suit est donnée dans le cadre d'une machine tournante possédant douze pôles au rotor et douze pôles au stator. Naturellement, l'homme du métier saura faire les adaptations nécessaires pour réaliser des machines possédant des nombres de pôles différents. En référence tout d'abord à la figure 1, une machine tournante possède un stator 10 et un rotor 20. Le stator est un stator monophasé à douze pôles de type classique, avec des dents de stator 11 qui délimitent deux à deux des encoches 12 dans lesquelles sont bobinés des enroulements d'induit 13 monophasés. Un stator polyphasé est bien entendu également envisageable. *Le rotor 10 est un rotor à aimants permanents, dépourvu de bobinages, également doté de douze pôles. Sa structure rotorique est de préférence réalisée par empilage de tôles, de façon en soi bien connue. Les polarités alternées N et S de I t 1 I ces douze pôl61es sont réalisées à l'aide de six aimants permanents 25, qui ont ici orientés de façon à engendrer des flux ayant totus le même sens dans la direction circonférenticlle du rotor (ici dans le sens des aiguilles d'une montre). Plus précisément, dans la vue Cenl coupe de la figure 1, chaque aimant 25 présente une section généralement rectangulaire dont le grand axe s'étend en direction radiale, et est emprisonné dans une cavité essentiellement complémentaire 23 formée dans la structure rotorique et délimitée par deux dents 21, 22 dont les surfaces extérieures définissent deux pôles adjacents du rotor. En outre, deux dents successives 22 et 21, c'est-à-dire une dent 22 délimitant une cavité 23 du côté horaire et une dent 21 délimitant la cavité suivante 23 du côté anti-horaire, délimitent également une cavité 24 destinée à faire obstacle dans une large mesure au passage d'un flux magnétique à travers elle dans la direction circonférentielle. A cet effet, les cavités 24 ont une largeur dup qui est sensiblement supérieure à la taille de l'entrefer e entre le stator et le rotor, leur caractère magnétiquement imperméable étant désigné, sur cette figure et les deux suivantes, par des doubles hachures. A la circonférence du rotor sont formées des encoches 221, 222 correspondant respectivement aux emplacements des aimants 25 et des cavités 24. On comprend que, grâce à un tel agencement, le flux magnétique entre le rotor et le stator adopte principalement le trajet illustré par les flèches FI et FI', le flux sortant d'un aimant 25 atteignant le pôle opposé de l'aimant suivant, dans le sens horaire, en passant par le stator autour d'un brin de bobinage d'induit 13, ou encore atteignant le pôle opposé du même aimant en passant autour du brin de bobinage d'induit adjacent. On défini-t ainsi à la surface du rotor 20 des pôles alternés nord et sud, avec douze pôles définis par six dents 21 alternées avec six dents 22, et ceci en utilisant seulement six aimants 25. Ainsi l'on peut réaliser le rotor de façon sensiblement plus économique pour un flux nominal donné, étant donné que le nombre d'aimants est égal à la moitié seulement du nombre de pôles. Si le flux recherché est important, on utilise avantageusement des aimants à base de terres rares. I l1 T On observera ici que le flux de fuite des aimants 25, susceptible de passer entre le fond des cavités 24 et l'orifice central 201 pour l'arbre de rotor (voir flèche F172), peut être diminué autant que possible en diminuant d'une part la distance minimale entre chaque cavité 23 d'aimant et la cavité librc 24 adjacente, et en diminuant d'autre part la distance minimale entre le fond de chaque cavité libre 24 et l'orifice central 201, Ces distances sont naturellement choisies pour ne pas compromettre la stabilité mécanique du rotor et ses performances électriques. Dans le même temps, si la machine doit pouvoir donner lieu à un défluxage important, en particulier dans le cas d'un alternateur faiblement chargé, ces distances sont choisies de façon à autoriser un tel défluxage. On notera ici que, l'objet des cavités 24 étant de faire obstacle au flux magnétique, elles peuvent être soit laissées vides (et donc remplies d'air), soit garnies d'un matériau amagnétique tel qu'une matière plastique, de l'aluminium, etc. 1 5 Maintenant en référence à la figure 2, on a représenté une deuxième forme de l'invention o les aimants engendrent non plus un flux en direction essentiellement tangentielle comme dans le cas de la figure 1, mais un flux essentiellement radial. Le stator 10 est essentiellement identique à celui de la figure 1 (en pouvant aussi être polyphasé), et ne sera pas décrit à nouveau. Ainsi le rotor de la figure 2 comporte une série de douze pôles, correspondant à six zones 26 du la structure rotorique en alternance avec six zones 27 de cette même structure, ces pôles étant séparés par des encoches 271 formées en périphérie de la structure rotorique. En retrait vers l'intérieur par rapport aux zones 27 sont prévus respectivement six aimants permanents 30 de forme généralement rectangulaire, dont le grand axe est orient6 en direction tangentielle, ces aimants engendrant un flux magnétique dirigé radialement vers l'intérieur, comme illustré. Les zones 26 de la structure rotorique sont quant à elles dépourvues de tout aimant. En outre, la structure rotorique comprend une série d'ouvertures 31 qui entourent l'orifice central 201 pour l'arbre de rotor en s'étendant de façon I l i 1 essentiellement continue entre cet orifice et les aimants 30, de façon à faire obstacle dans une large mesure à la circulation d'un flux magnétique eni direction radiale à leur niveau. Ces ouvertures 31 délimitent avec les cavités (non référencées) recevant les aimants 30 des zones 28 de la structure rotorique. Par ailleurs ces cavités 31, si elles sont laissées vides, contribuent à alléger le rotor. Si au contraire on souhaite augmenter l'inertie du rotor, on peut les remplir -l l'aide d'un matériau amagnétique de densité choisie. On comprend qu'avec un agencement, le flux magnétique émis par les aimants 30 ne peut se propager que de façon limitée vers le centre du rotor. Il en résulte que le flux magnétique engendré par chaque aimant 30 va se propager en boucle, selon les flèches F3 telles qu'illustrées, en passant par la zone 28 sous- jacente et par les zones 26 situées de part et d'autre, pour alors sortir du rotor et atteindre le stator 10 en passant autour de deux brins de bobinages d'induit, puis en rentrant à nouveau dans le stator au niveau de la zone 27. Ainsi, dans ce cas également, on définit une succession de douze pôles alternés N et S, à l'aide de seulement six aimants 30. On observera ici que cette seconde forme de réalisation autorise un défluxage important, qui est déterminé principalement par la distance qui sépare le fond de chaque encoche 271 de l'aimant adjacent et par la distance qui sépare chaque aimant de la surface d'entrefer adjacente. On observera également que cet agencement des aimant au sein même de la structure rotorique permet de résister aisément aux forces centrifuges auxquelles les aimants sont exposés lors de la rotation du rotor. En variante, on peut naturellement prévoir de monter les aimants 30 de façon surfacique, en étant retenus alors par des griffes ou talons de la structure rotorique. La figure 3 illustre une troisième forme de réalisation de l'invention, o l'on a combiné les agencements des première et deuxième forme de réalisation. Il s'agit ici encore d'un rotor à douze pôles, coopérant avec un stator 10 du type décrit plus haut (ou ici à nouveau polyphasé). Le rotor possède trois aimants 25 à flux tangcnticl selon la figure 1, et trois aimants 30 à flux radial selon la figure 2. A chaque aimant 25 est associée une cavité 24 formant une barrière pour le flux magndtique, cette cavité étant située du c6ôté anti-horaire de l'aimant 25 et séparéc de celui-ci par une dent 21. Par ailleurs, - chaque aimant 30 sont associées d'une part, du côté radialement extérieur, une zone 27 délimitée par deux encoches 271, et d'autre part, du c6té radialement intérieur, une zone 28 délimitée intérieurement par une cavité 31. Ces cellules individuelles sont juxtaposées de telle manière qu'une dent 22 correspondant à un pôle N dans la première forme de réalisation se confonde avec une zone 26 correspondant également à un pôle N dans la deuxième forme de réalisation. On a à cet égard désigné ces zones de la structure rotorique par " 22 + 26 sur la figure 3. Dans cette troisième forme de réalisation, les comportements des première et seconde formes de réalisation se combinent, avec les trajets de flux F1, FI' et F3 tels qu'illustrés. Dans ce cas, le défluxage peut s'opérer tant au niveau de la zone de la structure rotorique entourant l'orifice central 201 qu'au niveau des zones situées entre les encoches 271 et les aimants 30. La figure 4 illustre une forme de réalisation concrète d'un rotor à douze pôles réalisé selon le principe illustré sur la figure 1. Les éléments et parties correspondantes y sont. désignés par les mêmes signes de référence. On observe sur la figure 4 que, pour permettre de loger des aimants 25 de taille suffisamment grande, les cavités 24 se rétr&cissent progressivement de l'extérieur vers l'intérieur. La figure 5a illustre une forme de réalisation concrète d'un rotor à douze pôles réalisé selon le principe de la figure 2. La figure 5b illustre quant à elle une variante de cette forme de réalisation, o les aimants 30 présentent une forme généralement trapézoïdale, avec une dimension en direction circonférentielle qui diminue.lorsque l'on se déplace radialement de l'extérieur vers l'intérieur, pour ainsi conférer aux petits bords une inclinaison propice à la circulation du flux magnétique vers les pôles N adjacents. I ll T Enfin la figure 6 illustre une forme dc réalisation concrètc d'un rotor à douze pôles réalisé scion le principe mixtc dc la figure 3. On observe ici que, pour des raisons lieècs à la conception du rotor et ià sa tenuc mécanique, lcs cavités 23 qui reçoivent les aimants 25 à flux tangcntiel sont complétées, vers l'intérieur en direction radiale, par des prolongements 231 qui permettent de réduire les flux de fuite entre le fond desdites cavités et l'orifice central 201 du rotor. Comme on l'a indiqué plus haut, I'invention s'applique à tout moteur ou générateur à courant alternatif à excitation permanente, et en particulier aux alternateurs et alterno-démarreurs pour véhicules automobiles. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et représentées, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. En particulier, pour mieux encore canaliser les flux magnétiques engendrés par les aimants permanents et donc améliorer la performance de la machine, on peut prévoir des aimants secondaires, plus petits, situés dans les régions du rotor - différentes des régions recevant les aimants principaux 25 ou 30 - o de tels flux de fuite sont susceptibles d'apparaître. REVENICA IO NS 1 Machine électriquc tournantc, comprenant un stator (10) possédant une pluralité d'cncoches (12) recevant des bobinages d'induit (13) et un rotor (20) comportant des moyens d'excitation constitu's par des aimants permanents principaux (25, 30) reçus dans une structure rotorique pour définir une pluralité de pôles Nord et Sud (N, S) successifs, caractérisée en ce que les aimants permanents principaux sont prévus en un nombre égal à la moitié du nombre de pôles, et en ce que la structure rotorique et lesdits aimants principaux sont agencés de manière à ce qu'une partie substantielle d'un flux magnétique entrant dans un aimant principal soit issu d'au moins un pôle Sud adjacent à l'aimant et qu'une partie substantielle d'un flux magnétique sortant d'un aimant soit dirigé vers au moins un pôle Nord adjacent à l'aimant. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les aimants permanents principaux (25) sont répartis essentiellement radialement dans le rotor et aptes à engendrer des flux magnétiques ayant tous le même sens en direction tangentielle, et en ce que les pôles du rotor sont délimités par une alternance de cavités (23) recevant lesdits aimants principaux et d'autres cavités 2 0 essentiellement radiales (24) qui sont sensiblement imperméables au flux magnétique. 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites cavités (23, 24) débouchent sur la périphérie du rotor pour séparer les pôles les uns des autres. 4. Machine selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que lesdites cavités (23, 24) sont séparées deux à deux par une zone (21, 22) de la structure rotorique dont la section minimale est choisie de façon à minimiser les 3 0 flux de fuite tout en autorisant un défluxage de la machine. I o1i 5. Machine selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que lesdites cavités (23, 24) sont séparées d'un orifice central (201) pour un arbre dle rotor par une zone de la structure rotorique dont la section minimale est choisie de façon à minimiscr les flux de fuite tout en autorisant un défluxage dc la machine. 6. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les aimants permanents principaux (30) sont répartis essentiellement tangentiellement dans le rotor et aptes à engendrer des flux magnétiques ayant tous le même sens en direction radiale, et en ce que les pôles du rotor sont définis d'une part au niveau (27) desdits aimants principaux et d'autre part au niveau de zones intermédiaires (26) de la structure rotorique séparant lesdits aimants principaux. 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que les aimants principaux (30) sont situés en retrait de la surface périphérique de la structure rotorique. 8. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que les aimants principaux définissent, par leur surface radialement extérieure, une partie de la surface périphérique du rotor. 9. Machine selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que les pôles du rotor sont séparés par des encoches (271), et en ce que chaque aimant principal (30) s'étend, en direction tangentielle, sensiblement entre deux encoches adjacentes. 10. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que la distance entre les fonds desdites encoches (271) et l'aimant principal associé (30) I]11; est choisie de façon à minimiser les flux de fuite tout en autorisant un défluxage dc la machine, 11. Machine slcion l'une des revendications 6 -à 10, caractérisée en ce que la structure rotoriquc possède une pluralité de cavités (31) qui s'étendent entre les aimants principaux (30) et la région centrale (201) du rotor et qui sont sensiblement imperméables au flux magnétique, de manière à canaliser le flux entre lesdites zones intermédiaires (26) et les faces radialement intérieures desdits aimants principaux. 12. Machine selon l'une des revendications 2 à 6 prises en combinaison avec l'une des revendications 7 à 11, caractérisée en ce que le rotor possède une alternance d'aimants principaux (25) à flux tangentiel orientés radialement et d'aimants principaux (30) à flux radial orientés tangentiellement. 13. Machine selon l'une des revendications 2 à 5 et 11, caractérisée en ce que lesdites cavités (24, 31) sensiblement imperméables au flux magnétique sont remplies d'un matériau choisi parmi l'air, les matières plastiques et les métaux amagnétiques. 14. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle constitue un alternateur ou un alterno-démarreur de véhicule automobile.