Brevet FR2791483A1 — publié le 20000929

La présente invention concerne d'une façon générale les machines électriques tournantes. Plus précisément, I'invention concerne des machines tournantes mettant en oeuvre des aimants intégrés au rotor ou au stator de la machine. Il existe de nombreux modes de réalisation de telles machines, les aimants pouvant être disposés de différentes manières en fonction de la configuration recherchée pour les lignes de flux magnétique. Dans ces modes de réalisation connus, les aimants sont généralement réalisés exclusivement en ferrite, ou comprenant exclusivement des terres rares. Chacun de ces deux types d'aimants possèdent des avantages spécifiques: à performances égales, les aimants comprenant des terres rares sont plus compacts, ce qui permet de réaliser les machines dans un encombrement moindre, À à l'inverse, les aimants en ferrite génèrent un encombrement plus important. Mais le coût de ces aimants est sensiblement inférieur à celui des aimants comprenant des terres rares dont la mise en oeuvre provoque une augmentation du prix de revient de la machine. En fonction des contraintes et objectifs d'encombrement et de coût liées à la conception d'une machine tournante, on choisira ainsi d'intégrer dans la machine soit des aimants en ferrite, soit des aimants comprenant des terres rares. Le but de l'invention est de permettre de réaliser une machine tournante combinant les avantages cités ci-dessus et liés aux deux types d'aimants respectifs actuellement mis en oeuvre dans les machines tournantes. Afin d'atteindre ce but, I'invention propose une machine électrique tournante, notamment un alternateur ou un alterno-démarreur de véhicule automobile, comprenant un stator, un rotor, et des aimants intégrés dans le rotor et/ou dans le stator, caractérisée en ce que les aimants constituent au moins deux groupes définis chacun par un type de composition spécifique. Des aspects préférés, mais non limitatifs de la machine électrique tournante selon l'invention sont les suivants: - les aimants se répartissent en deux groupes, dont un groupe d'aimants comprenant des terres rares et un autre groupe d'aimants en ferrite; - au moins certains aimants d'une première polarité donnée appartiennent à un même groupe, les autres aimants appartenant à un autre groupe; - tous les aimants de ladite première polarité donnée appartiennent audit même groupe; - chaque aimant est situé sensiblement symétriquement, par rapport à l'axe de rotation du rotor, à un autre aimant appartenant au même groupe; - les aimants sont répartis autour de l'axe de rotation de la machine pour constituer une alternance régulière d'au moins une paire d'aimants Nord- Sud appartenant à un premier groupe avec au moins une paire d'aimants Nord-Sud appartenant à un deuxième groupe; - il est prévu en surface du rotor de la machine une pluralité de sous- ensembles d'aimants, chaque sous-ensemble combinant au moins un aimant d'un premier groupe avec au moins un aimant d'un deuxième groupe; - chaque sous-ensemble comprend un aimant comprenant des terres rares entouré de deux aimants en ferrite selon une direction généralement orthoradiale, ou une superposition selon une direction généralement radiale d'un aimant comprenant des terres rares recouvert d'un aimant en ferrite; - il est prévu à l'intérieur du rotor une pluralité de sous- ensembles d'aimants, chaque sous-ensemble combinant au moins un aimant d'un premier groupe avec au moins un aimant d'un deuxième groupe; - chaque sous-ensemble comprend une superposition selon une direction généralement radiale: d'un aimant comprenant des terres rares situé à proximité de la surface du rotor et d'un aimant en ferrite situé à proximité de l'axe de rotation du rotor, ou d'un aimant comprenant des terres rares entouré de deux aimants en ferrite; - chaque sous-ensemble comprend une superposition selon une direction généralement radiale d'un aimant comprenant des terres rares situé à proximité de la surface du rotor et d'un aimant en ferrite de même épaisseur que l'aimant en terres rares, ledit aimant en ferrite comprenant des moyens de détrompage, notamment une partie biseautée ou une rainure. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférés de l'invention, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - les figures la à l d sont quatre représentations schématiques d'un premier mode connu d'implantation d'aimants dans une machine tournante, - les figures 2a à 2c sont trois représentations schématiques d'un deuxième mode connu d'implantation d'aimants dans une machine tournante, - la figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode connu d'implantation d'aimants dans une machine tournante, - les figures 4a et 4b sont deux représentations schématiques montrant respectivement deux variantes d'un premier mode d'implantation d'aimants dans une machine tournante selon l'invention, - la figure 5 est une représentation schématique montrant un deuxième mode d'implantation d'aimants dans une machine tournante selon l'invention, - les figures 6a à 6c sont trois représentations schématiques montrant respectivement un mode d'implantation connu d'aimant surfacique à flux radial, et deux variantes d'un troisième mode d'implantation d'aimants dans une machine tournante selon l'invention, générant un flux radial sensiblement équivalent, - les figures 7a à 7c sont trois représentations schématiques montrant respectivement un mode d'implantation connu d'aimant surfacique à flux orthoradial, et deux autres variantes du troisième mode d'implantation d'aimants dans une machine tournante selon l'invention, générant un flux orthoradial sensiblement équivalent, - la figure 8 est une représentation schématique partielle d'une machine tournante selon l'invention mettant en oeuvre des aimants implantés selon le troisième mode de réalisation, - les figures 9a et 9b sont deux vues de détail montrant respectivement deux variantes de configuration des aimants dans une machine similaire à celle de la figure 8. En référence aux figures la à 3, on va maintenant décrire brièvement les trois principaux modes connus d'implantation d'aimants dans une machine tournante. Dans les exemples présentés ci-dessous, les aimants sont intégrés au rotor de la machine; cependant, il est également possible de mettre en oeuvre ces modes connus d'implantation en intégrant des aimants dans le stator de la machine. Les figures la à ld montrent quatre configurations dans lesquelles des aimants N nord et S Sud sont disposés en alternance autour de l'axe de rotation du rotor. Dans ce premier type de configuration, les aimants produisent un flux essentiellement radial. Sur les figures la et lb, les aimants N Nord et S Sud sont surfaciques, alors qu'ils sont enterrés dans les configurations des figures 1 c et 1 d. Les figures 2a et 2b montrent quant à elles trois configurations permettant de produire un flux magnétique essentiellement orthoradial. On remarquera que dans le mode de réalisation de la figure 2c, le rotor est muni de bobinages d'excitation 20, alimentés par l'intermédiaire de balais (non représentés). Enfin, on peut disposer concentriquement à l'axe de rotation du rotor un ou plusieurs aimants annulaires, pour générer un flux magnétique axial comme représenté sur la figure 3. Il existe bien entendu un nombre potentiellement illimité de configurations des aimants, dérivées des trois modes principaux d'implantation décrit ci-dessus. Ces configurations sont également transposables aux machines linéaires. Comme on l'a dit, les machines existantes mettent en oeuvre soit des aimants en ferrite, soit des aimants comprenant des terres rares. Afin de permettre d'élaborer des machines tournantes présentant à la fois un prix de revient inférieur à celui des machines mettant en oeuvre exclusivement des aimants comprenant des terres rares, et un encombrement inférieur à celui des machines à aimants en ferrite, une caractéristique essentielle de l'invention consiste à intégrer dans une machine tournante une combinaison adaptée d'aimants de compositions (ferrite et terres rares) différentes. Une telle combinaison doit permettre de réconcilier au mieux les contraintes de coûts et de performances. Il est également important selon l'invention qu'une telle combinaison d'aimants de compositions différentes ne dégrade pas sensiblement les performances de la machine en termes de bruit magnétique, du fait de la création de " balourds magnétiques ". On va ainsi voir ci-dessous que les combinaisons préférées selon l'invention permettent de préserver la machine d'un bruit magnétique excessif, grâce à une répartition judicieuse des aimants autour de l'axe de rotation du rotor. Dans la suite de ce texte, on va décrire trois solutions générales préférées dans lesquelles on combine efficacement des aimants de compositions différentes. Par souci de clarté, on a représenté sur les figures 4a à 8 les aimants de type ferrite en hachuré, les aimants comprenant des terres rares étant représentés en blanc. Une première solution générale pour combiner efficacement des aimants de compositions différentes consiste ainsi à remplacer sur une machine ayant des aimants de même composition (ferrite ou terres rares), au moins certains aimants de même polarité par des aimants de composition différente de même polarité. La figure 4a montre ainsi un rotor équipé d'aimants Nord en ferrite et d'aimants Sud comprenant des terres rares. Cette première variante permet de réaliser un rotor à flux radial combinant efficacement des aimants ferrite et des aimants comprenant des terres rares. La figure 4b est une autre variante de ce premier mode d'implantation montrant un anneau aimanté d'un rotor à flux axial. Dans ce cas, I'anneau aimanté est constitué de quatre segments aimantés identiques de même polarité, deux segments étant de type terres rares et les deux autres étant de type ferrite. On remarquera sur les figures 4a et 4b que pour éviter les problèmes de dissymétrie et de balourd, chaque aimant est disposé symétriquement à un aimant identique de même nature par rapport au centre de la machine. Une deuxième solution générale consiste à alterner autour de l'axe de rotation de la machine des sous-ensembles constitués chacun d'une ou plusieurs paires d'aimants Nord-Sud de même composition. La figure 5 montre ainsi un rotor à flux essentiellement radial sur la périphérie duquel alternent des paires 50 et 51 dont chacune est constituée d'un aimant Nord et d'un aimant Sud, composés de ferrite pour les paires 50, et comprenant des terres rares pour les paires 51. Il est possible selon l'invention de décliner ce mode de réalisation, par exemple en faisant alterner une paire d'aimants consécutifs Nord-Sud d'une première composition avec deux paires d'aimants consécutifs Nord- Sud-Nord-Sud d'une deuxième composition, etc. En tout état de cause, on cherchera selon l'invention à opposer diamétralement à chaque paire d'aimants une paire d'aimants identiques, ceci toujours afin de limiter les balourds magnétiques. Une troisième solution générale selon l'invention consiste à remplacer individuellement chaque aimant par une combinaison adaptée de plusieurs aimants de compositions différentes. Les figures 6a à 6c illustrent ainsi qu'un aimant surfacique 60 comprenant des terres rares monté à la surface d'un rotor peut être remplacé par exemple: * par un aimant 620 central comprenant également des terres rares mais plus petit, entouré de deux aimants 621 et 622 en ferrite, ce qui permet de diminuer sensiblement le prix de revient de la machine, * ou encore par un aimant 630 comprenant des terres rares d'épaisseur réduite, recouvert d'un deuxième aimant 631 en ferrite; ici encore le prix de revient de la machine se trouve réduit. De même, il est possible selon l'invention de remplacer un aimant en ferrite 70 enterré dans le rotor et contribuant à produire un flux orthoradial, tel que représenté sur la figure 7a par: * la superposition dans la direction radiale d'un aimant 720 en ferrite situé à proximité de l'arbre, et d'un deuxième aimant 721 comprenant des terres rares à flux radial placé à proximité de l'entrefer pour établir efficacement un flux magnétique avec le stator. Ce type de superposition est représenté sur la figure 7b, À ou encore par une superposition, toujours selon la direction radiale, dans laquelle un aimant comprenant des terres rares 730 est entouré de deux aimants 731 et 732 en ferrite, comme représenté sur la figure 7c. La figure 8 montre un exemple de réalisation de l'invention dans une machine hybride à double excitation par bobinages et par aimants. Le stator S de cette machine est de type connu en soi; il s'agit ici d'un stator triphasé dans lequel des bobinages 80 sont enroulés autour de dents du stator. Le rotor R comporte ici quatre combinaisons d'aimants enterrés correspondant à la représentation de la figure 7b: chacune de ces combinaisons superpose selon une direction radiale un aimant en ferrite 800 situé à proximité de l'axe de rotation X, et un deuxième aimant comprenant des terres rares 810 situé à proximité de l'entrefer de la machine. La machine représentée sur la figure 8 a ainsi des performances magnétiques accrues par rapport à une machine à flux orthoradial ne comportant que des aimants en ferrite, et son coût est sensiblement inférieur à celui d'une machine mettant en oeuvre uniquement des aimants comprenant des terres rares. En référence aux figures 9a et 9b, on a représenté deux variantes de réalisation d'aimants à mettre en oeuvre dans une machine tournante similaire à celle de la figure 8, permettant d'utiliser des aimants de compositions différentes ayant la même section. Il s'avère alors avantageux de prévoir des moyens de détrompage sur l'un des deux aimants, par exemple sur l'aimant en ferrite. La figure 9a représente ainsi une superposition d'un aimant en ferrite 900a et d'un aimant comprenant des terres rares 910, l'aimant en ferrite ayant son extrémité proche de l'axe de rotation, au moins partiellement biseautée (biseau 9000a). Dans ce cas, les formes des toles du rotor sont adaptées pour être complémentaires de la géométrie de l'aimant 900a. La figure 9b présente une deuxième variante de réalisation, les moyens de détrompage résidant ici dans une encoche 9000b pratiquée sur un côté de l'aimant en ferrite 900b. Il est évidemment possible de prévoir tout autre moyen de détrompage à la portée de l'homme du métier, sur l'un ou l'autre des aimants, afin d'éviter d'intervertir les aimants lors de leur introduction dans les encoches du rotor. Il apparaît ainsi qu'une combinaison judicieuse d'aimants de compositions différentes dans une machine tournante permet selon I'invention à la fois de réduire l'encombrement par rapport à une machine mettant en oeuvre exclusivement des aimants en ferrite, et de réduire sensiblement le prix de revient de la machine par rapport à une machine mettant en oeuvre exclusivement des aimants comprenant des terres rares. Comme on l'a dit, bien que les exemples décrits ci-dessus mettent en oeuvre des aimants exclusivement dans le rotor, il est également possible selon l'invention d'intégrer de telles combinaisons dans le stator de la machine. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des alternateurs et des moteurs à aimants, notamment dans le domaine automobile. REVENDICATIONS 1. Machine électrique tournante, notamment un alternateur ou un alternodémarreur de véhicule automobile, comprenant un stator (S), un rotor (R), et des aimants intégrés dans le rotor et/ou dans le stator, caractérisée en ce que les aimants constituent au moins deux groupes définis chacun par un type de composition spécifique. 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les aimants se répartissent en deux groupes, dont un groupe d'aimants comprenant des terres rares et un autre groupe d'aimants en ferrite. 3. Machine électrique selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que au moins certains aimants d'une première polarité donnée appartiennent à un même groupe, les autres aimants appartenant à un autre groupe. 4. Machine électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que tous les aimants de ladite première polarité donnée appartiennent audit même groupe. 5. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque aimant est situé sensiblement symétriquement, par rapport à l'axe de rotation (X) du rotor, à un autre aimant appartenant au même groupe 6. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les aimants sont répartis autour de l'axe de rotation de la machine pour constituer une alternance régulière de au moins une paire (50) d'aimants Nord-Sud appartenant à un premier groupe avec au moins une paire (51) d'aimants Nord-Sud appartenant à un deuxième groupe. 7. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'il est prévu en surface du rotor de la machine une pluralité de sous-ensembles d'aimants (620-622, 630-631), chaque sousensemble combinant au moins un aimant d'un premier groupe avec au moins un aimant d'un deuxième groupe. 8. Machine électrique selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble comprend un aimant comprenant des terres rares (620) entouré de deux aimants en ferrite (621, 622) selon une direction généralement orthoradiale, ou une superposition selon une direction généralement radiale d'un aimant comprenant des terres rares (630) recouvert d'un aimant en ferrite (631). 9. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que il est prévu à l'intérieur du rotor une pluralité de sous-ensembles d'aimants (720-721, 730-732, 800-810), chaque sousensemble combinant au moins un aimant d'un premier groupe avec au moins un aimant d'un deuxième groupe. 10.Machine électrique selon la revendication 9, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble comprend une superposition selon une direction généralement radiale: * d'un aimant comprenant des terres rares (721, 810) situé à proximité de la surface du rotor et d'un aimant en ferrite (720, 800) situé à proximité de l'axe de rotation du rotor, * ou d'un aimant comprenant des terres rares (730) entouré de deux aimants en ferrite (731, 732). 11. Machine électrique selon la revendication 10, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble comprend une superposition selon une direction généralement radiale d'un aimant comprenant des terres rares (910) situé à proximité de la surface du rotor, et d'un aimant en ferrite (900a, 900b), de même épaisseur que l'aimant en terres rares, ledit aimant en ferrite comprenant des moyens de détrompage, notamment une partie biseautée (9000a) ou une rainure (9000b).