Brevet FR2932324A1 — publié le 20091211

Rotor de machine électrique tournante avec inserts magnétiques interpolaires La présente invention concerne de manière générale les machines électriques tournantes. Plus particulièrement, l'invention concerne des machines électriques tournantes de type alternateur ou alterno-démarreur, destinées aux véhicules automobiles. Et plus particulièrement encore, l'invention concerne les machines électriques tournantes dont le rotor comporte un ou plusieurs bobinages d'excitation, des pôles magnétiques, et des aimants permanents disposés entre les pôles magnétiques. Du fait de cette disposition, ces aimants sont appelés aimants interpolaires. Typiquement, le rotor a une structure à griffes. Une telle structure est constituée de deux roues polaires, opposées et imbriquées, chacune comprenant des griffes. Les roues polaires sont dites opposées en ce sens que chaque griffe d'une roue polaire s'étend axialement en direction de l'autre roue polaire. De plus, les roues polaires sont dites imbriquées en ce sens que chaque griffe d'une roue polaire s'insère entre deux griffes consécutives de la roue polaire opposée. En outre, le rotor comporte des parties aimantées, et le bobinage d'excitation est enroulé autour de l'arbre de rotation de la machine. Le rotor est agencé dans un stator. Lorsque la machine tournante est en fonctionnement, le rotor tourne autour de son axe, et un flux magnétique circule entre les pôles magnétiques adjacents, de polarités respectives opposées, en passant par les enroulements du stator. Les aimants disposés entre les pôles magnétiques, constitués par les griffes, servent à empêcher le flux magnétique de passer directement d'un pôle à l'autre sans passer par le stator. Cette fuite de flux d'un pôle à l'autre sans passer par le stator affecte le rendement, et pénalise les performances en puissance de la machine électrique tournante. En effet, le flux passant directement d'une griffe à l'autre, sans passer par le stator, ne participe pas au fonctionnement de la machine. L'utilisation des aimants interpolaires permet de limiter ces fuites. On connait des aimants interpolaires de forme globalement parallélépipédique. Chacun est placé entre deux griffes adjacentes du stator, appartenant chacune, respectivement, à l'une des deux roues polaires. Ces aimants interpolaires sont maintenus grâce à deux rainures (ou épaulements), chacune réalisée sur un des bords latéraux opposés des griffes entre lesquelles l'aimant est situé. Dans les applications où la machine électrique tournante doit fournir une puissance volumique importante, l'utilisation de ces aimants en grand nombre est indispensable pour éviter au maximum les fuites de flux magnétique. La réalisation des rainures (ou épaulements) implique qu'une partie de la griffe sur laquelle elle est réalisée, se trouve en regard direct avec la griffe adjacente sans voir l'aimant. Cette partie est la partie radiale externe de la griffe, et est communément appelée � lèvre �. Ainsi, malgré la présence d'aimants interpolaires, il subsiste des fuites de flux magnétique entre les lèvres respectives de deux griffes adjacentes du rotor. Le but de l'invention est de proposer un rotor avec des ensembles magnétiques interpolaires comportant des aimants, qui permettent d'éviter, ou du moins de diminuer, les fuites de flux magnétique entre les lèvres de griffes adjacentes. A cet effet, l'invention propose de concevoir des structures magnétiques interpolaires limitant les fuites de flux magnétique entre ces lèvres. Le rotor selon l'invention, est un rotor de machine électrique tournante, agencé de manière à pouvoir entrer en rotation autour d'un axe, et autour duquel peut être agencé un stator. Ce rotor comporte deux roues polaires ayant chacune une série de griffes polaires s'étendant suivant une direction axiale. Ces griffes ont une section dans un plan perpendiculaire à l'axe qui est sensiblement trapézoïdale, et s'étendent depuis une extrémité radiale externe de la roue polaire, en direction de l'autre roue polaire. Les roues polaires sont agencées de manière que chaque griffe d'une roue polaire est située entre deux griffes polaires consécutives de l'autre roue polaire. Le rotor comporte en outre des ensembles magnétiques respectivement agencés dans les espaces interpolaires, et qui comportent chacun au moins un aimant. Le rotor est caractérisé en ce que, l'aimant comporte une saillie qui s'étend radialement dans l'espace interpolaire au-delà de la gorge vers une extrémité radiale externe du rotor, sans dépasser le niveau radial de la face externe des griffes polaires. Ainsi, l'ensemble magnétique présente un obstacle magnétique au passage direct d'un flux magnétique entre les lèvres formées par les rainures de deux griffes adjacentes du rotor, c'est-à-dire, sans passer par le stator. La saillie repousse le flux magnétique en direction du stator. Cela permet de faire participer ce flux au flux induit dans les enroulements du stator de la machine électrique tournante, et par conséquent améliore son rendement. L'aimant peut avoir une largeur mesurée de façon circonférentielle comprise entre 18 et 22 fois la distance radiale entre une extrémité radiale externe des griffes du rotor et une extrémité radiale interne du stator. Par exemple, pour une distance radiale entre une extrémité radiale externe des griffes du rotor et une extrémité radiale interne du stator de 0,325mm, la largeur de l'aimant est préférentiellement comprise entre 5,85 et 7,15mm. Par exemple, on peut prévoir un aimant avec une largeur circonférentielle de 20 fois la distance radiale entre une extrémité externe des griffes du rotor et une extrémité interne du stator. Soit une largeur de 6,5mm, lorsque la distance radiale entre une extrémité externe des griffes du rotor et une extrémité interne du stator est de 0,325mm. L'aimant peut être en matière terres rares. Par exemple, de tels aimants peuvent être en Néodyme Fer Bore (NeFeB), ou en ferrite. Dans le rotor, l'ensemble magnétique peut comporter, en outre 15 de l'aimant, un élément de matière magnétique. Cet élément permet notamment d'empêcher l'aimant de rompre ou de s'échapper par centrifugation, lorsque le rotor est en rotation. Dans des modes de réalisation, l'élément de matière 20 magnétique est en acier. En particulier, cet acier peut être de l'acier doux. Ainsi, l'élément de matière magnétique offre une bonne conduction du flux magnétique de l'aimant. Cela permet de renforcer mécaniquement la structure, sans restreindre ses fonctions 25 magnétiques de limitation des fuites de flux magnétique de la machine. En outre, on peut prévoir un élément de matière magnétique en forme de lame de faible épaisseur radiale, agencé entre deux aimants. Ainsi, l'élément de matière magnétique est facilement saturé en flux magnétique par l'aimant, et les lignes de champ magnétique du flux issu de l'aimant ne risquent pas de se trouver confinées dans le volume de l'élément magnétique. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble magnétique est composé d'un seul aimant. L'aimant a globalement la forme d'un parallélépipède dont une face porte une saillie sur toute sa longueur axiale. L'aimant est inséré dans l'espace interpolaire de sorte que la saillie s'étend selon une direction radiale du rotor et en direction de son extrémité radiale externe, dans l'espace interpolaire. Ainsi, la saillie forme un insert entre les lèvres formées sur les griffes par les rainures. Cet insert oblige les fuites de flux magnétique à s'écarter du rotor vers l'extérieur, jusqu'à, idéalement, les forcer à passer dans le stator. Cette solution permet de renforcer la fonction de réduction des fuites de flux magnétique de l'ensemble magnétique. En variante, l'ensemble magnétique est composé de deux aimants. Un premier aimant a globalement la forme d'un parallélépipède. Le deuxième aimant a globalement la forme d'un parallélépipède dont une face tournée vers l'extérieur porte une saillie sur toute sa longueur axiale. L'aimant qui porte la saillie est en contact, par sa face opposée à la saillie, donc sa face tournée vers l'intérieur, avec l'autre aimant. L'ensemble magnétique est inséré dans l'espace interpolaire en sorte que la saillie s'étend selon une direction radiale externe du rotor et en direction de son extrémité radiale, dans l'extrémité de l'espace interpolaire. Le deuxième aimant qui a globalement la forme d'un parallélépipède dont une face porte la saillie sur toute sa longueur axiale est en matière ferrites, le premier étant en matière terres rares. Cela permet, en outre de renforcer la fonction de réduction des fuites de flux magnétique de l'ensemble magnétique, de limiter l'augmentation de son coût par rapport à un aimant interpolaire de l'art antérieur, en réalisant l'aimant qui porte la saillie dans une matière moins onéreuse que la matière utilisée pour l'autre aimant. En effet, la réalisation de la saillie peut engendrer des pertes de matière. Ces pertes sont moins coûteuses si l'aimant est réalisé dans une matière peu onéreuse. De plus, le coût de fabrication lié à l'usinage peut être réduit. En variante encore, l'ensemble magnétique est composé de deux aimants et d'un élément de matière magnétique. L'élément de matière magnétique a la forme d'une lame fine qui est disposée entre les deux aimants. Ainsi, la tenue mécanique de l'ensemble magnétique est renforcée. Les avantages de la faible épaisseur radiale de la lame, sont les mêmes que ceux déjà mentionnés plus haut. Le rotor selon l'invention peut être utilisé dans un alternateur ou un alterno-démarreur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue selon un plan de coupe longitudinal du rotor selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective de deux griffes consécutives d'une roue polaire avec une paire d'ensembles magnétiques selon l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective d'une griffe d'une première roue polaire imbriquée entre deux griffes consécutives d'une deuxième roue polaire avec une paire d'ensembles magnétiques selon l'invention, - la figure 4 est une vue selon un plan de coupe radial d'un ensemble magnétique du rotor selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective de l'aimant de la figure 4, - la figure 6 est une vue selon un plan de coupe radial d'un ensemble magnétique du rotor selon une première variante du mode de réalisation de la figure 4, - la figure 7 est une vue selon un plan de coupe radial d'un ensemble magnétique du rotor selon une deuxième variante du mode de réalisation de la figure 4. Le rotor selon l'invention comprend au moins un axe de symétrie. Cet axe correspond à l'axe de rotation du rotor. Dans la présente description, on dénomme ainsi � direction axiale � et � direction radiale �, des directions telles qu'indiquées par les flèches "A" et "R", respectivement, de la figure 1. On dénomme également élément intérieur, un élément qui se trouve du côté de l'axe. On dénommera également élément extérieur, un élément qui se trouve d'un côté opposé à l'axe. La figure 1 représente un rotor 10 d'une machine électrique tournante connue, tel qu'un alternateur du type polyphasé, pour véhicule automobile à moteur thermique. Bien entendu, l'alternateur peut aussi être réversible, et consister en un alterno-démarreur, pouvant fonctionner en mode alternateur ou en mode moteur électrique, notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. Cette machine comporte un rotor 10 solidaire en rotation d'un arbre central 11, appelé arbre de rotor, et un stator (non représenté) qui entoure le rotor. Dans l'exemple représenté, le rotor 10 est réalisé sous forme d'un rotor à griffes comprenant deux roues polaires 12a, 12b, ici axialement juxtaposées. Chaque roue présente un flasque transversal 13 de forme annulaire. Ce flasque transversal est pourvu, à sa périphérie extérieure, de griffes polaires 14 s'étendant sensiblement axialement. Un entrefer annulaire existe entre la face périphérique extérieure des griffes polaires 14 et la périphérie intérieure du corps du stator. Il correspond à la distance radiale entre une extrémité externe des griffes polaires et une extrémité interne du stator. Les griffes 14 ont une section longitudinale de forme globalement trapézoïdale ou triangulaire. Les griffes de chacune des roues polaires 12a, 12b sont dirigées axialement vers le flasque 13 de l'autre roue polaire 12a, 12b. En outre, la griffe 14 d'une roue polaire 12a, 12b pénètre dans l'espace existant entre deux griffes 14 adjacentes de l'autre roue polaire 12a, 12b. Ainsi, les griffes 14 des roues polaires 12a, 12b sont imbriquées. Sur la figure 2, on peut voir des rainures (ou épaulements) axiales 21 réalisées chacune sur la face latérale des griffes 14 du rotor. Ces griffes appartiennent à une même roue polaire 23. Un ensemble magnétique 24 est inséré dans ces rainures (ou épaulement) de sorte à être en contact, à la fois avec une griffe 14 d'une roue polaire, et avec une autre griffe imbriquée d'une autre roue polaire 34. Ces rainures 21 sont réalisées de façon classique avec une fraise. Par exemple, pour un entrefer de 0,325 mm la largeur circonférentielle de l'ensemble magnétique 24 est de 6,5 mm. Ainsi, dans l'exemple représenté aux figures 1 et 2 la largeur de la tête de la fraise est alors de 6,5 mm. Sur la figure 3, on peut voir une griffe 14 d'une roue polaire 23, du rotor, imbriquée entre deux griffes 14a, 14b d'une autre roue polaire 34. Des ensembles magnétiques 24a, 24b sont insérés dans les espaces interpolaires. Dans le mode de réalisation de l'ensemble magnétique 40 de la figure 4, l'ensemble magnétique 40 est composé d'un seul aimant 41. L'aimant porte sur une face une saillie 42 s'étendant radialement vers l'extérieur du rotor, c'est-à-dire dans la direction opposée à l'axe. L'aimant 41 est de manière préférentielle en matière terres rares. Par exemple, il peut être obtenu par moulage ou encore par façonnage d'un bloc de base (par exemple par fraisage). L'ensemble magnétique est inséré entre les griffes 14a et 14b dans les rainures 21, de sorte que la saillie 42 se positionne entre les lèvres 44a et 44b des griffes 14a et 14b. La saillie 42 ne dépasse pas le niveau radial de la face externe 47a, 47b des griffes polaires 14. Il est inséré aussi en sorte que les pôles magnétiques nord et sud de l'aimant soient en contact avec les griffes 14a et 14b de même polarité magnétique. Par exemple, si la griffe 14a correspond à un pôle nord, la face de l'aimant 41 en contact avec la griffe est également un pôle nord. Ainsi, lorsque qu'une ligne de flux magnétique 45 s'échappe d'une lèvre 44b vers la lèvre 44a, la saillie 42, par aimantation agit de sorte à écarter le chemin de fuite de la ligne de flux 45 jusqu'à le faire passer par le stator 46. Ce flux, qui serait perdu sans la présence de la saillie, peut ainsi participer au fonctionnement de la machine électrique. Un aimant 41, utilisable dans ce mode de réalisation est représenté, dans la figure 5 avec ses grandeurs caractéristiques. Il s'agit d'un aimant qui est de manière préférentielle en matière terres rares. Par exemple, il peut être obtenu par moulage ou encore par façonnage d'un bloc de base. L'aimant 41 a une base en forme de parallélépipède de longueur axiale L, de largeur mesurée de façon circonférentielle 1, et de hauteur radiale h. Cette hauteur radiale h n'est pas la hauteur de l'aimant, puisque l'aimant 41 porte, sur une de ses faces de dimensions 1 et L une saillie 42 s'étendant radialement vers l'extérieur du rotor. Ici, la saillie est centrée sur une face de dimensions 1 et L. Cependant, cette position peut être différente. Elle peut être excentrée. La saillie a une largeur mesurée de façon circonférentielle li et une hauteur radiale hi. Comme elle est destinée à se trouver entre les lèvres des griffes, elle a des dimensions qui sont en accord avec les dimensions de ces lèvres, et avec notamment la distance mesurée de façon circonférentielle entre ces lèvres. Idéalement, sa largeur hi est telle qu'elle atteint ou avoisine le niveau radial de la face externe 47a, 47b des griffes, sans toutefois le dépasser afin de préserver l'entrefer. En particulier, on veillera à choisir une hauteur radiale de la saillie 42 qui permette d'éviter qu'elle entre en contact avec le stator 45. La saillie 42 peut avoir un profil radial semi-circulaire, semi- elliptique, triangulaire ou encore avoir un autre profil. Dans le mode de réalisation de la figure 5, la saillie a un profil trapézoïdal. La largeur mesurée de façon circonférentielle de l'aimant est comprise entre 18 et 22 fois la dimension de l'entrefer de la machine électrique tournante. De manière préférentielle elle vaut 20 fois la dimension de l'entrefer. L'entrefer est la distance radiale entre une extrémité interne du stator et une extrémité externe du rotor. En variante, on peut prévoir un ensemble magnétique 60 comportant deux aimants 61, 62, comme cela est représenté sur la figure 6. L'aimant 61 a globalement la forme d'un parallélépipède. L'aimant 62, quant à lui, est semblable à celui décrit dans la figure 5. Les dimensions des aimants 61, 62 sont choisies de sorte à ce 20 qu'ils soient superposables. De plus, des moyens de fixation, comme par exemple de la colle, sont prévus pour les maintenir en contact. L'aimant 61, de par sa forme géométrique simple, est plus facile à réaliser. De plus, c'est cet aimant qui permet de contrer la plus grande partie du flux magnétique qui tente de passer d'une 25 griffe à l'autre sans passer par le stator. Par conséquent, on réalise cet aimant dans un matériau efficace pour cette utilisation. Par exemple, l'aimant 61 est en terres rares. L'aimant 62 a une forme géométrique plus complexe que celle de l'aimant 61. Ainsi, sa réalisation peut engendrer des pertes de matière. Afin de limiter le coût de ces pertes, on peut réaliser l'aimant 62 en ferrites. De la même manière, est possible d'adapter le choix de matériau pour les deux aimants selon les contraintes mécaniques qu'ils subiront lors de leur fabrication, ou de leur utilisation. Encore en variante, on peut prévoir un ensemble magnétique 70 comportant deux aimants 71, 72 ainsi qu'élément magnétique 73. Un tel ensemble est représenté sur la figure 7. L'élément magnétique 73 est en forme de lame de faible épaisseur radiale. L'élément magnétique 73 est, par exemple, en acier. Son épaisseur radiale est assez petite pour qu'il soit saturé en flux magnétique par les aimants 71,72. Ainsi, on évite de court- circuiter les aimants. Les aimants sont maintenus à l'élément magnétique par aimantation. On peut prévoir des moyens de fixation additionnels comme de la colle. Dans tous les modes de réalisation de l'ensemble magnétique selon l'invention, la face en regard de l'extérieur du rotor peut présenter des stries. Ces stries peuvent être appliquées à toutes les formes de l'ensemble magnétique présentant une face en regard de l'extérieur du rotor. Ces stries améliorent le rendement de l'alternateur en réduisant les pertes par courant de Foucault qui se développent sur la surface des ensembles magnétiques. Le montage de l'ensemble dans les rainures pourra être facilité en arrondissant une ses des extrémités du coté de l'insertion. L'ensemble magnétique peut également être arrondi sur sa partie en regard de l'intérieur du rotor ou de l'extérieur. Cet arrondi peut être réalisé quelque soit la forme de l'ensemble magnétique. Ainsi, l'insertion des ensembles magnétiques pourra être faite de façon automatisée. Au lieu de les arrondir, on peut biseauter les extrémités. Nous allons maintenant décrire le montage des ensembles dans les zones interpolaires des griffes de l'alternateur ou de l'alternodémarreur. On réalise un usinage des griffes dans la zone interpolaire par une fraise classique afin de réaliser une rainure de chaque coté de la zone interpolaire. Une réalisation peut consister à monter les aimants non aimantés avec l'élément magnétique pour constituer l'ensemble magnétique, et ensuite aimanter les aimants. Cette dernière solution présente l'avantage de manipuler des éléments magnétiques non aimantés pendant l'assemblage, ainsi on s'affranchit des contraintes liées aux matériaux aimantés. Ensuite, on insère l'ensemble entre les rainures. Cette insertion peut plus facilement être réalisée de façon automatique si un des bouts de l'ensemble est arrondi ou biseauté. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemple ; elle s'étend à d'autres variantes. A la lecture de la présente description, on comprendra que de nombreuses réalisations de l'invention sont possibles. On peut notamment varier les formes et les dimensions de la saillie. REVENDICATIONS1. Rotor (10) de machine électrique tournante, agencé de manière à pouvoir entrer en rotation autour d'un axe, et autour duquel peut être agencé un stator, ledit rotor comportant : deux roues polaires (12a, 12b) ayant chacune une série de griffes polaires (14) s'étendant suivant une direction axiale de section dans un plan perpendiculaire à l'axe qui est sensiblement trapézoïdale, ces griffes polaires (14) s'étendant depuis une extrémité radiale externe de ladite roue polaire (12a), en direction de l'autre roue polaire (12b), lesdites roues polaires étant agencées de manière que chaque griffe (14) d'une roue polaire est située entre deux griffes polaires (14) consécutives de l'autre roue polaire ; et des ensembles magnétiques (24, 40, 60, 70) respectivement agencés dans les espaces interpolaires et qui comportent chacun au moins un aimant (41, 61, 62, 71, 72), caractérisé en ce que l'ensemble magnétique (20, 40, 60, 70) comporte une saillie (42) qui s'étend radialement dans ledit espace interpolaire au-delà de ladite gorge vers une extrémité radiale externe du rotor sans dépasser le niveau radial de la face externe (47a, 47b) des griffes polaires (14). 2. Rotor de machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble magnétique 25(24, 40, 60, 70) a une largeur mesurée de façon circonférentielle comprise entre 18 et 22 fois la distance radiale entre une extrémité externe des griffes (14) du rotor et une extrémité interne du stator. 3. Rotor de machine électrique tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant est en matière terres rares. 4. Rotor de machine électrique tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aimant est en matière ferrites. 5. Rotor de machine électrique tournante selon l'une 15 des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble magnétique (24, 40, 60, 70) comprend en outre au moins un élément de matière magnétique (73). 6. Rotor de machine électrique tournante selon la 20 revendication 5, caractérisé en ce que la matière de l'élément de matière magnétique (73) est de l'acier. 7. Rotor de machine électrique tournante selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'élément de 25 matière magnétique (73) est une lame de faible épaisseur radiale. 10 8. Rotor de machine électrique tournante selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ensemble magnétique (73) comporte deux aimants de matières différentes (61, 62, 71, 72). 9. Rotor de machine électrique tournante selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'un premier aimant (62, 72) portant la saillie (42) est en ferrites, et un deuxième aimant (61, 71) est en terres rares. 10. Alternateur comprenant un rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes. 11. Alterno-démarreur comprenant un rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.