Brevet FR2831345A1 — publié le 20030425

Machine électrique à défluxage mécanique La présente invention concerne le domaine des machines électriques, comprenant en général un rotor et un stator, le stator étant fixé par exemple à un carter et le rotor étant couplé à un arbre. Dans le domaine des machines électriques, on connaît les machines synchrones à aimants permanents dont l'utilisation dans les entraînements électriques est croissante. En effet, l'utilisation d'aimants à haute performance, notamment à base de terres rares, permet d'obtenir des machines synchrones très compactes et très performantes. La particularité des machines synchrones à aimants permanents est d'avoir un flux inducteur créé par des aimants permanents, c'est-àdire non modifiable par intervention extérieure. La stabilité du flux inducteur est mise à profit pour obtenir de grands couples massiques. La stabilité du flux inducteur présente un inconvénient dans le cas du fonctionnement à vitesse variable. En effet, la force électromotrice aux bornes de la machine est proportionnelle à la vitesse. Si on souhaite fonctionner à tension constante et vitesse variable, il faut moduler le flux résultant dans la machine. Cela peut se faire en faisant circuler des courants dans le bobinage du stator de façon telle que le flux produit par ces courants s'oppose au flux des aimants. Toutefois, compte tenu de la faible réactance de ces machines, les courants nécessaires pour régler le flux sont importants, de l'ordre du courant nominal. Les pertes Joule ainsi créées dans le bobinage du stator sont très importantes et diminuent notablement le rendement des machines, en particulier en régime de faible charge et vitesse élevée. Le besoin existe donc de modifier le flux généré par un inducteur rotorique à aimants permanents, de manière mécanique, sans dispositif externe de commande ou de contrôle, en particulier sans actionneur électrique ou hydraulique supplémentaire, sans aimant statorique, sans circuit supplémentaire ne s'insérant pas dans la géométrie classique d'un rotor, à changement de configuration automatique, par exemple basée sur le sens de rotation et permettant de réduire l'induction d'entrefer et par conséquent les pertes fer. L'article"Efficiency of a permanent magnet polyphase machine with a mechanical field weakening"de MM. Rattei et Kraper paru dans ICEM 2000, pages 1688 à 1691,28-30 août 2000 ESPOO Finlande, décrit un rotor de machine électrique pourvu d'aimants en surface disposés sur quatre anneaux, deux solidaires en rotation de l'arbre et deux susceptibles de tourner de façon que la polarité des aimants puisse être alternée en direction axiale d'où il découle que la résultante de flux et la force électro-magnétique induite dans le bobinage du stator est nulle. Toutefois, la machine décrite dans cet article est à aimants en surface. Par conséquent, seule la composante vectorielle des champs magnétiques est variable. La présente invention propose un rotor et une machine électrique à perte réduite dans les matériaux magnétiques. La présente invention propose un rotor à aimants encastrés ou enterrés construit de façon telle que les composantes des champs magnétiques puissent être réduites. La machine électrique, selon un aspect de l'invention, comprend un stator, un rotor, et un arbre de sortie. Le rotor comprend une première partie reliée à l'arbre de sortie et une deuxième partie susceptible de tourner par rapport à la première. La machine comprend un moyen pour dériver une partie du flux en interne dans le rotor de façon que le flux dans le stator soit réduit. On diminue ainsi le flux dans les parties magnétiques du stator ce qui réduit les pertes fer tout en bénéficiant d'un défluxage rotorique réduisant les pertes Joule. On obtient ainsi un rendement satisfaisant. Dans un mode de réalisation de l'invention, le rotor comprend une carcasse et une pluralité d'aimants permanents encastrés dans la carcasse. Dans un mode de réalisation de l'invention, la machine comprend un stator bobiné et un rotor à aimants permanents, la machine étant du type synchrone. Dans un mode de réalisation de l'invention, la deuxième partie est mobile en rotation par rapport à la première partie sur un secteur angulaire prédéterminé, la dérivation du flux en interne dans le rotor se fait entre les pôles de la deuxième partie et les pôles de la première partie, et varie en fonction de l'angle. Ledit secteur angulaire peut être inférieur à l'angle entre deux pôles de la machine. Dans un mode de réalisation, le rotor comprend deux butées mécaniques limitant la rotation de la deuxième partie par rapport à la première. Avantageusement, le rotor comprend un couplage mécanique- élastique entre les première et deuxième parties. Ledit couplage mécanique élastique peut être équipé d'une barre de torsion. Ledit couplage mécanique peut être actif sur une fraction dudit secteur angulaire. On obtient ainsi une machine de construction simple, avec un stator classique et un rotor simple ne nécessitant pas de liaisons mécaniques ou électriques supplémentaires avec l'extérieur. L'invention propose également un rotor pour machine électrique, comprenant une première partie reliée à un arbre de sortie et une deuxième partie susceptible de tourner par rapport à la première. Le rotor comprend un moyen pour dériver au moins une partie du flux en interne dans le rotor de façon que le flux dans l'entrefer soit réduit. L'invention propose également un alternateur-démarreur équipé d'un tel rotor. Un véhicule peut être équipé d'un groupe motopropulseur comprenant un alternateur-démarreur. Le rotor peut être divisé en deux parties, de dimensions semblables ou différentes. La partie mobile est apte à se déplacer en rotation entre une première position dans laquelle le flux envoyé au stator est maximal et une deuxième position dans laquelle le flux envoyé au stator est réduit, une partie importante et déterminée du flux passant en interne dans le rotor. Le flux minimal dépend du rapport des réluctances d'entrefer et des réluctances internes du rotor. La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'une machine électrique selon l'invention ; les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en perspective d'un rotor selon l'invention ; - la figure 4 est un diagramme de l'évolution de l'induction d'entrefer et de la force électromotrice en fonction de la rotation de la partie mobile du rotor (angle électrique) ; - les figures 5 à 9 sont des diagrammes d'évolution du couple exercé entre les deux parties du rotor (angle mécanique) selon différents modes de réalisation ; et - la figure 10 est une vue schématique en coupe axiale d'un rotor selon un mode de réalisation de l'invention. Comme on peut le voir sur la figure 1, la machine électrique 1 comprend un stator 2 et un rotor 3. Le stator 2 présente une forme générale de cylindre de révolution creux avec un trou traversant axial dans lequel est disposé le rotor 3. Le stator 2 comprend une carcasse 4 réalisée en matériau magnétique, par exemple un empilage de tôles magnétiques. La carcasse 4 comprend sur son alésage une pluralité, ici douze, d'encoches axiales 5 s'étendant substantiellement sur toute la longueur de la carcasse 4. Dans les encoches 5, est disposé un bobinage 6 relié de façon non représentée, à des moyens d'alimentation de la machine électrique 1. Entre les encoches 5, la carcasse 4 présente un nombre correspondant de dents radiales 7 s'étendant entre l'alésage du stator 2 et le cercle fictif passant par le fond des encoches 5. Le rotor 3 est de type à quatre pôles et présente une forme générale de cylindre de révolution de diamètre extérieur légèrement inférieur à l'alésage du stator 2. Le rotor 3 comprend un arbre 8, sur lequel sont montées une partie 9 solidaire en rotation de l'arbre 8 et une partie 10 susceptible de se déplacer en rotation par rapport à l'arbre 8. Les parties 9 et 10 sont axialement contiguës. La longueur respective des parties 9 et 10 pourra très facilement être adaptée à chaque application en fonction de la variation de flux souhaitée. La construction des parties 9 et 10 est relativement semblable en ce sens qu'elles comprennent toutes deux une carcasse respectivement 11,12 et quatre aimants respectivement 13,14 formant quatre pôles. Les aimants 13 et 14 sont dits encastrés en ce sens qu'ils s'étendent sensiblement entre l'arbre 8 et la périphérie du rotor 3. La carcasse 11, 12 est formée d'un empilement de tôles magnétiques. Chaque carcasse 11, 12 est formée de quatre parties chacune présentant une section transversale en quart de cercle. Comme on le voit plus particulièrement sur les figures 2 et 3, la partie 10 peut tourner d'un angle O par rapport à la partie 9. Pour permettre cette rotation, on pourra prévoir un montage de la partie 10 sur l'arbre 8 par l'intermédiaire de paliers, éventuellement de paliers à roulement, non représentés. Plus particulièrement, on pourra prévoir un palier présentant un coefficient de frottement déterminé pour laisser subsister un couple de frottement lors de la rotation de la partie 10 par rapport à la partie 9. Sur la figure 2, la partie 10 est dans une première position par rapport à la partie 9 dans laquelle les pôles 13 et 14 sont alignés. La machine électrique 1 se comporte alors comme une machine classique dont le rotor est construit en une partie, semblable par exemple à la partie 9. Le flux traversant le stator est alors le flux maximal qui n'est autre que le flux nominal dans le cas d'une machine de construction classique. Sur la figure 3, on voit que la partie 10 est dans une deuxième position après avoir tourné de l'angle 0 par rapport à la partie 9. Les aimants sont alors angulairement décalés de l'angle 0. Il en résulte que le flux peut circuler au moins en partie à l'intérieur du rotor 3 selon la trajectoire de flux partiellement représentée et référencée 15. Plus généralement, l'induction de l'entrefer est maximale dans la première position et décroît ensuite au fur et à mesure de l'augmentation de l'angle entre les pôles 14 et 13, c'est-à-dire entre les parties 10 et 9. La force électromotrice est créée conjointement par les deux demi-rotors (parties 9 et 10) et décroît plus rapidement que l'induction dans chaque entrefer car un déphasage apparaît entre les deux composantes d'induction lorsque l'angle de déphasage entre les parties 9 et 10 augmente. On peut noter que la force électromotrice s'annule pour un angle de 1800 électrique de déphasage bien que l'induction d'entrefer ne s'annule pas, et ce en raison de l'opposition de phase entre les deux composantes d'induction. En outre, il existe des forces d'interaction entre les deux parties 9 et 10 du rotor 3 du fait des flux de fuite échangés entre lesdites parties 9 et 10. Ces forces d'interaction créent un couple qui tend à aligner les pôles sud d'une partie avec les pôles nord de l'autre partie, ce qui correspond à la position de flux minimale. En d'autres termes, le rotor 3 tend par construction à prendre la deuxième position, illustrée sur la figure 3, limitée de façon mécanique par des butées. En outre, deux autres types de force peuvent venir s'appliquer sur la partie mobile 10, notamment la force créée par un système mécanique à ressort placé entre l'arbre 8 et la partie mobile 10 et/ou la force créée par l'interaction des courants statoriques et des aimants de ladite partie mobile 10. L'évolution de l'induction d'entrefer et de la force électromotrice en fonction de la rotation de la partie mobile du rotor est illustrée sur les deux courbes de la figure 4. L'évolution du couple exercé entre les deux parties 9 et 10 du rotor 3 tel qu'illustré sur les figures 1 à 3 est illustrée en figure 5. On voit que le couple évolue entre un minimum noté r pour un angle de déphasage élevé entre les deux parties 9 et 10 et un maximum noté Fc pour un angle minimal de déphasage entre les parties 9 et 10. Les angles minimum et maximum sont déterminés par des butées mécaniques qui limitent la course de rotation de la partie mobile 10. Tant que le couple créé par les courants sur la partie mobile 10 du rotor 3 reste supérieur à-rg, la partie mobile 10 ne change pas de position par rapport à l'arbre 8. La position notée B est stable. Si par contre, le couple descend en-dessous de-rob la partie mobile 10 change de position. Sa nouvelle position d'équilibre est celle pour laquelle le couple interne du rotor vaut l'opposé du couple électromagnétique. Pour un couple inférieur à-rc, la partie mobile 10 se retrouve en butée au point C c'est-à-dire en butée de flux maximal. Le fonctionnement qui vient d'être décrit ci-dessus peut être largement modifié par ajout d'un dispositif mécanique à ressort placé par exemple entre la partie mobile 10 et l'arbre 8. Sur la figure 6, on voit que le couple des ressorts vient s'ajouter et tend à décaler la courbe de couple vers le haut. La position de butée de flux réduit est renforcée en ce sens que la partie mobile 10 ne la quitte que pour une valeur de couple plus importante avec supérieur à Fg. Sur la figure 7, on a prévu un couple de ressorts négatifs qui tend à diminuer la valeur de couple total avec une position B2 atteinte pour un couple r B2 négatif. Pour atteindre la position B2, il faut cette fois appliquer un couple positif sur la partie mobile 10. La position C2 en butée de flux maximal est atteinte pour un couple plus faible que la position C illustrée sur la figure 5. On peut aussi utiliser un système de ressorts qui ne créé un couple que pour une fraction de l'étendue angulaire, voir figure 8. Dans cette configuration, on conserve une bonne rigidité pour atteindre le point C3 de butée de flux maximal et on facilite les modifications de position pour les faibles flux. La position de repos en l'absence d'alimentation en courant de la machine électrique n'est pas la position B3 de butée de flux réduit mais le point pour lequel le couple s'annule. Sur la figure 9, est représentée une courbe de couple de ressorts plus élaborée qui peut être obtenue avec un dispositif mécanique passif constitué de ressorts, galets et cames donnant la possibilité d'ajuster la forme et l'amplitude du couple mécanique. Le couple résultant du couple des ressorts et couple électromagnétique est très faible, ce qui facilite les changements de position angulaire de la partie mobile 10. Pour tout couple positif, la position stable reste la position r à flux minimal. Avec un faible couple négatif, la partie mobile 10 change de position et le flux varie. Sur la figure 10 est illustré un exemple du dispositif mécanique avec un couplage élastique entre la partie mobile 10 et l'arbre 8. L'arbre 8 est creux, percé d'un trou axial 16 et présentant axialement au niveau de la partie fixe 9 une surépaisseur 17 sur sa périphérie. La partie fixe 9 est montée directement sur la périphérie de la surépaisseur 17. La partie mobile 10 est montée sur un manchon 18 dont elle est solidaire, ledit manchon 18 étant apte à tourner par rapport à l'arbre 8 sur lequel il est monté. Le manchon 18 et la surépaisseur 17 présentent un même diamètre extérieur ce qui permet de standardiser la fabrication de la partie mobile 10 et de la partie fixe 9 qui peuvent être identiques ou à tout le moins, de même épaisseur. En outre, le rotor 3 comprend un doigt transversal 19 solidaire du manchon 18 et venant en saillie dans deux trous circulaires diamétralement opposés du manchon 18 et dans deux trous 21 de forme allongée diamétralement opposés, formés dans l'arbre creux 8. Le doigt 19 traverse le trou axial 16. Une barre de torsion 22 est disposée dans ledit trou axial 16 en étant solidaire à une extrémité du doigt 19 et donc de la partie mobile 10 et à son extrémité opposée solidaire de l'arbre 8. La barre de torsion 22 est coaxiale au rotor 3 et s'étend sur une majeure partie de sa longueur. On réalise ainsi une liaison élastique entre les deux parties 9 et 10 du rotor 3. Grâce à l'invention, on dispose d'une machine électrique équipée d'un moyen de défluxage mécanique dont le fonctionnement est entièrement autonome et ne nécessite ni actionneur, ni aimant au stator, ni circuit électrique supplémentaire. En outre, la variation du flux peut être automatique, par exemple basée sur le sens de rotation. Le défluxage permet de réduire l'induction d'entrefer et par conséquent les pertes fer et d'éviter l'utilisation de courant de défluxage générateur de pertes Joule. La machine électrique, selon l'invention, est particulièrement adaptée aux entraînements à vitesse variable, notamment à ceux demandant un grand couple positif à faible vitesse et un faible couple négatif à vitesse moyenne ou élevée, en particulier les alternateurs démarreurs associés aux moteurs thermiques de véhicules automobiles. REVENDICATIONS 1. Machine électrique (1), comprenant un stator (2), un rotor (3), et un arbre de sortie (8), le rotor comprenant une première partie (9) reliée à l'arbre de sortie, et une deuxième partie (10) susceptible de tourner par rapport à la première, caractérisée par le fait qu'elle comprend un moyen pour dériver une partie du flux en interne dans le rotor de façon que le flux dans le stator soit réduit. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le rotor comprend une carcasse (11) et une pluralité d'aimants permanents (13) encastrés dans la carcasse. 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait qu'elle comprend un stator bobiné et un rotor à aimants permanents, la machine étant du type synchrone. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la deuxième partie est mobile en rotation par rapport à la première partie sur un secteur angulaire prédéterminé, la dérivation du flux en interne dans le rotor étant fonction de l'angle entre les pôles de la deuxième partie et les pôles de la première partie. 5, Machine selon la revendication 4, caractérisée par le fait que ledit secteur angulaire est inférieur à l'angle entre deux pôles de la machine. 6. Machine selon la revendication 4 ou 5, caractérisée par le fait que le rotor comprend deux butées mécaniques limitant la rotation de la deuxième partie par rapport à la première. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le rotor comprend un couplage mécanique élastique entre les première et deuxième parties. 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée par le fait que ledit couplage mécanique élastique comprend une barre de torsion (22). 9. Machine selon la revendication 7 ou 8, caractérisée par le fait que ledit couplage mécanique est actif sur une fraction dudit secteur angulaire. 10. Rotor (3) pour machine électrique, comprenant une première partie (9) reliée à un arbre de sortie (8), et une deuxième partie (10) susceptible de tourner par rapport à la première, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour dériver une partie du flux en interne dans le rotor de façon que le flux dans le stator soit réduit. Il. Alternateur-démarreur comprenant un stator et un rotor selon la revendication 10, destiné à être monté sur un groupe motopropulseur de véhicule.