Brevet FR2935204A1 — publié le 20100226

-1- [0001] L'invention se rapporte aux machines électriques tournantes dont le rotor comporte des aimants permanents. Plus précisément, l'invention concerne les machines dans lesquelles les aimants sont disposés dans des évidements du rotor. On désigne communément les machines électriques dont il s'agit par l'expression � à aimants enterrés �. Ce principe d'agencement du rotor est largement appliqué pour les machines synchrones autopilotées à concentration de flux. [0002] Le dimensionnement d'une machine électrique tournante dépend de son couple nominal. Plus le couple qu'un moteur est capable de délivrer est élevé, plus le moteur électrique est volumineux, toutes autres choses égales par ailleurs. Il existe pourtant des applications pour lesquelles il est désirable d'atteindre à la fois des puissances importantes et une grande compacité du moteur. Pour donner simplement un exemple concret, lorsque l'on souhaite implanter des moteurs électriques de traction dans les roues de véhicules automobiles, il est souhaitable de pouvoir développer des puissances valant au moins 10 kW par moteur, et même la plupart du temps au moins 25 ou 30 kW par moteur, pour un poids le plus faible possible afin de limiter tant que faire se peut les masses non suspendues. Il est également désirable que l'encombrement soit aussi très réduit, dépassant le moins possible le volume intérieur de la roue pour ne pas interférer avec les éléments du véhicule lors des débattements de suspension et lors d'autres types de mouvement de la roue par rapport à la caisse du véhicule. [0003] Ces deux impératifs (puissance élevée, encombrement et masses faibles) rendent très problématique l'implantation de moteurs électriques de traction dans les roues de véhicules de tourisme, sauf à améliorer radicalement le rapport poids/puissance des machines électriques actuellement disponibles sur le marché. [0004] Le choix d'une vitesse élevée pour un moteur électrique lors de la conception du moteur est une solution permettant, à puissance donnée, de diminuer le couple, donc l'encombrement. Autrement dit, pour une puissance nominale donnée du moteur, plus grande est sa vitesse de rotation nominale, plus faible sera son encombrement. [0005] L'élévation de la vitesse de rotation d'une machine électrique tournante pose en revanche de nombreux problèmes, notamment en ce qui concerne les efforts de centrifugation subits par les éléments du rotor, en particulier les aimants. [0006] Une autre difficulté rencontrée dans la conception de tels moteurs est liée à l'importance des forces motrices qui sont générées au sein des aimants et qui doivent être transmises jusqu' à l'arbre du moteur. 2935204 -2- [0007] Les vibrations (mécaniques et acoustiques) représentent également une difficulté croissante au fur et à mesure que l'on augmente la vitesse de rotation. [0008] Une conception spécifique pour atteindre de grandes vitesses de rotation a déjà été proposée dans la demande de brevet EP 1001507. Les vitesses visées dans cette demande de brevet 5 sont de l'ordre de 12000 t/min, en proposant pour cela un agencement particulier de l'ensemble constitué par un arbre monobloc polygonal et des pièces polaires judicieusement disposées autour de cet arbre. [0009] Un perfectionnement permettant de viser des vitesses de l'ordre à 20000 t/min a été proposée dans la demande de brevet EP 1359657, en proposant pour cela un agencement utilisant 10 des cales pour bloquer radialement les aimants dans leurs logements. [0010] Un objectif de l'invention est de proposer un rotor amélioré, notamment en ce qui concerne la transmission des efforts moteurs à l'arbre. [0011] L'invention concerne ainsi un rotor intérieur à aimant enterrés pour machine électrique tournante, le rotor comprenant : 15 • un arbre, • une pluralité de pièces polaires réalisées en matière magnétique et entourant l'arbre, les pièces polaires délimitant entre elles des logements, • une pluralité d'aimants permanents disposés dans les logements, ledit rotor étant caractérisé en ce que l'arbre comporte une pluralité de rainures longitudinales 20 coopérant avec des tenons radiaux des pièce polaires. [0012] De préférence, l'arbre comporte autant de rainures longitudinales que le rotor comporte de pôles. [0013] De préférence, le rotor étant un rotor hexa-polaire, l'arbre comporte 6 rainures longitudinales. 25 [0014] De préférence encore, les parois radiales de chaque rainure longitudinale de l'arbre sont parallèles entre elles. - 3 [0015] De préférence, les pièces polaires sont constituées d'un empilement de tôles, chaque tôle s'étendant sensiblement radialement à partir de l'arbre et comportant une projection radiale, ladite projection radiale constituant une partie dudit tenon. [0016] De préférence, le rotor comprend en outre un flasque latéral axialement de chaque côté des pièces polaires le long de l'arbre, lesdits flasques latéraux serrant axialement les pièces polaires par l'intermédiaire de tirants. [0017] De préférence encore, l'ouverture centrale de l'un des flasques latéraux comporte un épaulement apte à coopérer avec un épaulement intérieur de l'arbre pour définir une position axiale des pièces polaires sur l'arbre. [0018] De préférence encore, les flasques latéraux sont montés glissants en rotation sur l'arbre. [0019] L'invention concerne également une machine électrique tournante comprenant un tel rotor à aimant enterrés. [0020] L'invention sera mieux comprise grâce à la suite de la description, qui s'appuie sur les figures suivantes : • la figure 1 est une vue en coupe le long de l'axe d'un rotor selon l'invention suivant une ligne brisée A-A visible aux figures 2 et 3. • la figure 2 est une vue partielle en coupe perpendiculaire à l'axe du rotor de la figure 1 suivant une ligne B-B visible à la figure 1. • la figure 3 est une vue en coupe perpendiculaire à l'axe du rotor de la figure 1 suivant une ligne C-C visible à la figure 1. • La figure 4 est une vue en perspective de l'arbre 2. • La figure 5 est une vue en perspective d'une coupe le long de l'axe du rotor du détail de réalisation des flasques et des cales d'aimants. • la figure 6 est une vue similaire à la figure 1 d'un second mode de réalisation du rotor selon l'invention. [0021] Aux figures annexées, on a représenté un rotor 1 pour une machine hexa-polaire comportant par ailleurs un stator non représenté. Le rotor 1 comprend un arbre 2 reposant sur des paliers 20. On voit six pièces polaires 30, de préférence formées par un empilage de tôles ferro- magnétiques 3. Chaque tôle 3 est sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'arbre. Les tôles peuvent avoir une épaisseur très faible, par exemple de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre, par 2935204 -4- exemple 0,2 mm. Notons simplement au passage que l'invention est aussi utile dans le cas de pièces polaires massives (non feuilletées). [0022] Axialement de part et d'autre de l'arbre 2, on voit un flasque latéral 5, 5' (de préférence en matériau amagnétique), situé de chaque côté des pièces polaires 30. A la figure 1, on 5 voit également deux flasques intermédiaires 7 optionnels (de préférence également en matériau amagnétique). Chaque flasque latéral et le cas échéant chaque flasque intermédiaire 7 comporte une ouverture centrale. Dans l'exemple non limitatif décrit à la figure 1, la forme de l'ouverture centrale des flasques latéraux est circulaire alors que celle de l'ouverture centrale des flasques intermédiaires est ajustée à celle de l'arbre 2, c'est à dire ici rainurée. 10 [0023] Pour chacune des pièces polaires 30, un tirant 6 traverse l'empilage de tôles 3, le cas échéant le ou les flasques intermédiaires, et permet d'enserrer le tout entre les flasques latéraux 5 et 5'. [0024] L' arbre 2 comporte en outre ici un épaulement intérieur 22 destiné à coopérer avec un premier flasque latéral 5 pour déterminer sa position axiale et donc la position axiale des pièces 15 polaires sur l'arbre (voir en particulier les figures 1, 4, 5 et 6). L'épaulement 22 de l'arbre prend de préférence appui au fond d'un lamage 50 du flasque. Une bague extérieure 26 solidarisée à l'arbre par exemple par frettage vient immobiliser le flasque contre l'épaulement de l'arbre. Le deuxième flasque, que l'on peut qualifier de � flottant � ne vient alors pas s'appuyer sur un épaulement de l'arbre, il reste au contraire libre de se déplacer axialement au gré des dilatations thermiques de 20 l'empilage. Ce flasque flottant peut comporter un lamage sensiblement identique à celui du flasque bloqué ou être au contraire alésé sur toute son épaisseur comme représenté ici (voir alésage 50' du deuxième flasque). [0025] On voit des aimants permanents parallélépipédiques 4 disposés dans les logements 40 entre les pièces polaires 30. Les logements sont interrompus par le ou les flasques intermédiaires 7. 25 Dans l'exemple de la figure 1, il y a donc 3 aimants par pôle alors que dans l'exemple de la figure 6, il n'y a que 2 aimants par pôle. Chacun des logements des aimants est fermé par une cale d'aimant 51. [0026] Par ailleurs, comme visible à la figure 2, les faces longitudinales 300 des pièces polaires 30 comportent chacune une rainure 31 parallèle à l'axe du rotor, creusée à un niveau radial 30 proche du bord extérieur 32 de chaque pièce polaire 30 (et donc de chaque tôle 3), lesdites pièces polaires présentant par ailleurs une hauteur (ou plus exactement une dimension radiale) légèrement 2935204 -5 supérieure à la hauteur des aimants 4. Chaque cale 51 prend ainsi appui sur deux rainures 31 disposées sur chacune des pièces polaires adjacentes. Les aimants 4 sont ainsi rendus mécaniquement solidaires des pièces polaires 30. La fonction essentielle de chaque rainure 31 est de former un épaulement pour s'opposer à la centrifugation des cales et des aimants. Les pièces 5 polaires sont elles-mêmes solidaires entre elles grâce aux tirants et aux flasques latéraux et éventuellement intermédiaire(s). [0027] Les cales 51 sont en forme de � T �. Le � T � est renversé si l'on regarde une cale placée en haut du rotor (figure 2). Les ailes du � T � et les rainures 31 ont des surfaces d'appui radial plates, c'est à dire perpendiculaires au rayon central 41 du logement 40. Ce profil des cales 10 51 et des rainures 31 permet d'une part au rotor de résister à la centrifugation sans générer à cette occasion d'effort tendant à élargir les logements 40. [0028] La partie radiale (le pied) du � T � comble d'autre part l'espace entre les pièces polaires ce qui donne au rotor une surface extérieure pratiquement lisse (même en l'absence de rectification) car la surface radialement extérieure 53 de la cale affleure avec la surface extérieur 32 15 des pièces polaires. [0029] Le haut de la cale 53 peut même être légèrement bombé (de préférence en adoptant le même rayon que l'extérieur du rotor) afin de prolonger exactement la courbure du bord extérieur 32 des tôles. De cette manière, la rotation à vitesse élevée provoque encore moins de vibrations acoustiques (bruit). D'autre part les coins des rainures et des cales sont arrondis selon un rayon 20 d'environ 0.5 mm afin d'éviter les concentrations de contraintes. [0030] Les profils en � T � représentés ici sont des profils préférés mais d'autres profils connus en soi, comme de simples profils plats (rectangulaires), sont utilisables dans le cadre de la présente invention. [0031] Comme détaillé à la figure 5, les extrémités 511 des cales 51 s'étendent axialement de 25 part et d'autre au-delà des pièces polaires dans des échancrures 55 des flasques latéraux. De préférence, les extrémités 511 sont affinées pour pouvoir être rabattues dans une gorge périphérique 52 des flasques latéraux afin d'y être immobilisées. [0032] Selon l'invention, les pièces polaires 30 comportent un tenon destiné à coopérer avec une rainure 21 de l'arbre 2. C'est cette liaison qui assure la transmission du couple des pièces 30 polaires vers l'arbre. Les rainures 21 sont de préférence à parois parallèles et coopèrent avec des tenons à faces d'appui également parallèles. Les pièces polaires étant de préférence constituées 2935204 -6 d'un empilage de tôles ferro-magnétiques 3, chaque tôle comporte une projection radiale 34 sensiblement rectangulaire qui constitue une partie du tenon. Naturellement, si seulement une partie des tôles d'une pièce polaire comporte cette projection, les contraintes seront concentrées sur ces tôles-là. 5 [0033] On voit aux figures 2 et 4 que l'arbre comporte de préférence autant de rainures que de pôles (ici au nombre de six) mais on comprend que selon les efforts en jeu, on pourrait se limiter à seulement 4, 3 ou même 2 rainures. [0034] Le ou les épaulements 22 correspondent de préférence aux extrémités de la partie centrale rainurée 23 de l'arbre. Du fait de la présence du lamage 50 et de l'alésage 50', ces 10 extrémités sont alors escamotées dans les flasques 5 et 5'. De cette manière, les tôles d'extrémités des empilages ne peuvent pas s'échapper de la partie centrale rainurée 23 de l'arbre. Ceci est particulièrement avantageux au cours de l'assemblage du rotor. [0035] Des masselottes peuvent en outre être fixées aux flasques afin de parfaire l'équilibrage statique et dynamique du rotor. 15 [0036] Selon le mode de réalisation de l'invention des figures 1, 3 et 6, les masselottes d'équilibrage ont la forme de vis sans tête 101 que l'on positionne dans des perçages 102 filetés dans les flasques. De préférence, les perçages sont situés comme ici en regard des aimants 4 de sorte que les vis d'équilibrage peuvent venir serrer axialement les aimants. Chaque flasque comporte ainsi six perçages filetés 102 en plus des six passages 61 pour les six tirants 6. 20 [0037] Selon un deuxième mode de réalisation, des masselottes d'équilibrage peuvent être positionnées dans des évidements 104 dans les extrémités 60 des tirants. Les masselottes peuvent par exemple avoir la forme de vis sans tête adaptées à des filetages pratiqués dans les évidements des tirants ou même dans les têtes des vis de tirants 62. [0038] On comprend qu'en jouant sur la position, la longueur et/ou le matériau choisi pour 25 chaque masselotte d'équilibrage, on peut ajuster l'équilibre du rotor. Le nombre de filetages étant limité, il est souvent nécessaire de combiner l'effet de deux masselottes, chacune positionnée dans un perçage propre pour obtenir un équilibrage suffisamment fin. Pour obtenir un équilibrage dynamique satisfaisant, il est souvent utile de placer des masselottes sur chacun des deux flasques latéraux. 2935204 -7- [0039] De préférence, les masselottes sont en outre immobilisées par collage dans leurs filetages afin de garantir le maintien de leur position axiale. [0040] Les figures montrent en outre des tirants 6 et vis de tirants 62 spécifiques. Les têtes des tirants sont enfoncées dans l'un des flasques (ici sur la partie droite de la figure) et sont 5 simplement arrêtées par un jonc 63 coopérant avec un épaulement 64 du flasque. Les vis de tirant 62 sont des vis dont les têtes fraisées sont escamotées dans l'épaisseur du flasque (gauche sur la figure). [0041] Cette conception permet d'une part de réduire l'encombrement axial du rotor et d'autre part d'obtenir des flasques pratiquement lisses et donc peu générateurs de bruit. 10 [0042] L'ouverture centrale du flasque intermédiaire 7 du rotor de la figure 6 est circulaire, c'est à dire qu'elle ne permet pas de transmettre d'effort de rotation à l'arbre. Sur cet exemple, l'intégralité du couple est donc transmise à l'arbre par les projections 34 des tôles puisque tous les flasques (latéraux et intermédiaire) sont montés glissants en rotation sur l'arbre. La configuration représentée à la figure 1 dans laquelle les flasques intermédiaires comporte également des tenons 15 peut être en revanche choisie pour faciliter encore la transmission du couple et l'alignement des passages 61 pour les tirants au cours de l'assemblage du rotor. [0043] Le rotor supporte sans dommage des vitesses de rotations très élevées, très supérieures à 10000 t/min, à savoir des vitesses de l'ordre de 20000 t/min au moins. [0044] Les figures représentent un rotor hexa-polaire, c'est à dire comportant 3 paires de 20 pôles mais l'homme du métier sait transposer les enseignements techniques de la présente demande à des rotors comprenant par exemple 2, 4 ou 5 paires de pôles au lieu de trois. 20 25 REVENDICATIONS1. Rotor intérieur (1) à aimant enterrés pour machine électrique tournante, le rotor comprenant : 5 • un arbre (2), • une pluralité de pièces polaires (30) réalisées en matière magnétique et entourant l'arbre, les pièces polaires délimitant entre elles des logements (40), • une pluralité d'aimants permanents (4) disposés dans les logements (40), ledit rotor étant caractérisé en ce que l'arbre comporte une pluralité de rainures longitudinales 10 (21) coopérant avec des tenons radiaux des pièce polaires. 2. Rotor selon la revendication 1 dans lequel l'arbre comporte autant de rainures longitudinales que le rotor comporte de pôles. 15 3. Rotor selon la revendication 2, le rotor étant un rotor hexa-polaire, l'arbre comportant 6 rainures longitudinales. 4. Rotor selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel les parois radiales de chaque rainure longitudinale de l'arbre sont parallèles entre elles. 5. Rotor selon l'une des revendications précédentes dans lequel les pièces polaires (30) sont constituées d'un empilement de tôles (3), chaque tôle s'étendant sensiblement radialement à partir de l'arbre (2) et comportant une projection radiale (34), ladite projection radiale constituant une partie dudit tenon. 6. Rotor selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre un flasque latéral (5) axialement de chaque côté des pièces polaires le long de l'arbre (2), lesdits flasques latéraux serrant axialement les pièces polaires par l'intermédiaire de tirants (6). 30 7. Rotor selon la revendication 6 dans lequel l'ouverture centrale de l'un des flasques latéraux (5) comporte un épaulement (50) apte à coopérer avec un épaulement intérieur (22) de l'arbre pour définir une position axiale des pièces polaires sur l'arbre. 8. Rotor selon la revendication 7 dans lequel les flasques latéraux (5, 5') sont montés glissants en 35 rotation sur l'arbre (2). 2935204 -9 9. Machine électrique tournante comprenant un rotor (1) à aimant enterrés selon l'une des revendications précédentes.