Brevet FR2932619A1 — publié le 20091218

Machine électrique tournante, notamment démarreur de véhicule automobile La présente invention concerne une machine électrique tournante, notamment un démarreur de véhicule automobile. Le brevet EP-B1-985 334 décrit un démarreur comportant un stator pourvu d'une pluralité de pôles magnétiques disposés sur une surface circonférentielle interne d'une culasse. Chaque pôle magnétique est formé par un aimant permanent en ferrite aimanté de manière à ce que les pôles Nord et Sud apparaissent radialement. Des aimants auxiliaires peuvent être prévus entre les aimants précités. Ces aimants auxiliaires sont en ferrite et aimantés de manière à ce que les pôles Nord et Sud apparaissent circonférentiellement. Un espace est prévu entre chaque aimant auxiliaire et la culasse. Une telle disposition peut permettre de réduire les fuites magnétiques. Il a été constaté qu'une forte réaction magnétique d'induit dans une machine électrique à courant continu à balais, en particulier dans un démarreur présentant une force magnéto-motrice (fmm) de grande intensité en très basse tension et en puissance utile supérieure à 1 kW, peut entraîner une baisse de performance de la machine. Dans certains cas, un décalage angulaire des balais et/ou un bobinage de compensation ou d'aide à la commutation sont utilisés pour pallier les effets défavorables liés à la réaction magnétique d'induit. Le décalage angulaire des balais est optimal seulement pour un courant électrique d'intensité prédéterminée. De plus le bobinage de compensation précité est généralement encombrant. Par ailleurs on connaît par l'article intitulé `The application of Halbach cylinders to bruhless AC servo motors', K. Atallah et D. Howe, IEEE Transactions On Magnetics, Vol. 34, No 4, Juillet 1998, une machine de type `Brushless' dans laquelle la variation de l'induction par rapport à l'angle électrique dans l'entrefer est sinusoïdale. L'article `New concept of permanent magnet excitation for electrical machines. Analytical and numerical computation', M. Marinescu et N. Marinescu, IEEE Transactions On Magnetics, Vol. 28, No. 2, March 1992, a trait à l'aimantation dans une machine du type `Slotless', l'excitation magnétique étant soit sur le rotor soit sur le stator de la machine. L'invention vise notamment à proposer une machine électrique tournante améliorée, en particulier plus performante. L'invention a ainsi pour objet une machine électrique tournante à courant continu, notamment pour un démarreur de véhicule automobile, la machine comportant : - un stator comportant une structure aimantée à aimantation permanente, cette structure aimantée s'étendant suivant une circonférence du stator et étant agencée pour générer un champ d'induction magnétique, - un rotor qui, lors du fonctionnement de la machine, produit, dans un entrefer, encore appelé `air-gap' en anglais, entre la structure aimantée et le rotor, une réaction magnétique d'induit, - un groupe de balais agencés pour permettre l'alimentation électrique du rotor par commutation du courant électrique dans des sections du rotor, la machine étant caractérisée par le fait que : - la structure aimantée comporte au moins un secteur d'un premier type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec une direction radiale un angle qui varie lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, l'aimantation dans ce secteur prenant au moins localement une direction différente de directions radiale et orthoradiale du stator, le champ d'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comportant des composantes normales de signes opposés, le champ d'induction magnétique généré par ce secteur de la structure aimantée étant choisi pour au moins atténuer, voire annuler, localement un effet défavorable de la réaction magnétique d'induit, et - la structure aimantée comporte au moins un secteur d'un deuxième type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec la direction radiale du stator un angle sensiblement constant lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, le champ d'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit présentant des composantes normales de même signe. Le stator, en particulier la structure aimantée, est avantageusement dépourvu de pièce en matériau magnétique doux perméable à un champ magnétique, et servant à la dérivation d'un flux magnétique et à la concentration de flux (pièce encore appelée `shunt' en anglais). La structure aimantée selon l'invention comporte de préférence des aimants en matériau magnétique dur non- perméable à un champ magnétique. Grâce à l'invention, le champ d'induction magnétique généré par la structure aimantée du stator, à vide sans tenir compte d'autres champs existants dans l'entrefer tels que la réaction magnétique d'induit, présente un profil apportant une contribution d'induction (par concentration de flux magnétique) aux endroits où les effets de la réaction magnétique d'induit s'opposent à ceux de la structure aimantée (les composantes normales respectives présentant des signes opposés). Ailleurs, notamment aux endroits où les effets de la structure aimantée et ceux de la réaction magnétique d'induit s'additionnent, la contribution d'induction diminue localement, voire est absente. Le profil du champ magnétique résultant permet d'optimiser le couple magnétique de la machine, et par conséquent ses performances. Ceci peut être expliqué par exemple à l'aide du tenseur de Maxwell, qui permet d'exprimer la contrainte tangentielle produite comme étant l'intégrale f Bn(0).Ht(0).dO (dans la situation en charge, c'est-à-dire avec réaction d'induit). Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'angle entre le vecteur d'aimantation dans le secteur de premier type de la structure aimantée et la direction radiale du stator varie par palier lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée. Par exemple ce secteur de premier type comporte une succession d'aimants permanents chacun ayant une direction d'aimantation uniforme. En variante, l'angle entre le vecteur d'aimantation dans le secteur de premier type de la structure aimantée et la direction radiale du stator varie sensiblement continûment lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée. Si on le souhaite, le vecteur d'aimantation dans le secteur de premier type de la structure aimantée varie d'une direction orthoradiale à une direction radiale lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée entre deux extrémités de ce secteur. Autrement dit, le long du premier secteur, la transition de la direction d'aimantation peut correspondre à 90°. Pour une machine à une seule paire de pôles, la structure aimantée peut comporter deux secteurs de premier type, alternés avec deux secteurs de deuxième type, l'étendue angulaire de l'un des secteurs de premier type étant notamment supérieure à celle de l'un des secteurs de deuxième type. Une machine à deux paires de pôles peut comporter quatre secteurs de chaque type. Le nombre de secteurs de chaque type dépend ainsi du nombre de pôles de la machine. Pour une machine à une seule paire de pôles, le secteur de premier type de la structure aimantée peut s'étendre sur un angle supérieur à 60° ou 90°, étant notamment sensiblement égal à 120°. Avantageusement, dans le secteur de deuxième type de la structure aimantée, le vecteur d'aimantation présente une direction sensiblement radiale. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, pour une machine à une seule paire de pôles, la structure aimantée comporte deux secteurs de deuxième type, chacun de ces secteurs s'étendant sur un angle inférieur 90°, étant notamment sensiblement égal à 60°. De préférence la structure magnétique comporte au moins une rupture angulaire dans l'angle d'aimantation, entre le secteur de premier type et le secteur de deuxième type, cette rupture angulaire correspondant notamment à un changement dans l'angle d'aimantation compris entre 45° et 135°, étant notamment sensiblement égal à 90°. La rupture angulaire dans la direction d'aimantation en passant du premier secteur vers le deuxième correspond par exemple à un basculement de la direction d'aimantation de radiale à orthoradiale. Avantageusement le champ magnétique résultant du champ d'induction magnétique généré par la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comprend une composante normale ayant, le long d'une majeure partie du secteur de premier type, une pente non nulle de signe constant. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'amplitude maximale de la composante normale du champ d'induction magnétique associé au secteur de premier type est supérieure à cette amplitude maximale associé au secteur de deuxième type de la structure aimantée. Le cas échéant, le décalage angulaire entre un axe d'induit et un axe d'inducteur est choisi afin de réduire les effets du déplacement de la ligne neutre magnétique en charge. Cette ligne neutre peut être définie comme le lieu où l'induction résultante s'annule entre deux pôles consécutifs de l'inducteur. Pour une machine à six pôles, ledit décalage angulaire (angle mécanique) est 20 compris par exemple entre 10° et 20°, étant notamment compris entre 13.5° et 19.5°. Le décalage angulaire est par exemple de 16.5°. La ligne neutre peut éventuellement être décalée par rapport aux pôles en fonction de l'intensité de la charge de la machine, en vue par exemple de faciliter l'aide à la commutation en décalant des balais. 25 Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'un au moins des secteurs d'aimantation de la structure aimantée comporte une pluralité d'aimants permanents mis côte à côte, notamment contre une culasse de la machine. La machine électrique selon l'invention peut être agencée pour opérer à une puissance maximale comprise entre 500 W et 2000 W par exemple. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de l'invention, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, schématiquement et partiellement, un démarreur de véhicule automobile conforme à un exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 représente, schématiquement et partiellement, une structure aimantée équipant le démarreur de la figure 1, et - les figures 3 et 4 représentent schématiquement la variation de la composante normale de différents champs magnétiques dans l'entrefer de la machine de la figure 1, - la figure 5 représente, schématiquement et partiellement, une structure aimantée selon un état de la technique, et - les figures 6 et 7 représentent schématiquement la variation de la composante normale de différents champs magnétiques associés à la structure aimantée de la figure 5. On a représenté très schématiquement sur la figure 1 un démarreur 1 pour moteur à combustion de véhicule automobile. Ce démarreur 1 à courant continu comprend, d'une part, un rotor 2, encore appelé induit, pouvant tourner autour d'un axe X, et d'autre part, un stator 3, encore appelé inducteur. Ce stator 3 comporte une culasse 4 portant une structure aimantée 5 à aimantation permanente. Le rotor 2 comporte un corps de rotor 7 et un bobinage 8 enroulé dans des encoches du corps de rotor 7. Dans l'exemple illustré, la machine électrique tournante formée par le démarreur 1 est de type une paire de pôles. Le bobinage 8 forme, de part et d'autre du corps de rotor 7, un chignon avant 9 et un chignon arrière 10. Le rotor 2 est pourvu, à l'arrière, d'un collecteur 12 comprenant une pluralité 30 de pièces de contact connectées électriquement aux éléments conducteurs, formés dans l'exemple considéré par des fils, du bobinage 8. Un groupe de balais 13 et 14 est prévu pour l'alimentation électrique du bobinage 8, l'un des balais 13 étant relié à la masse du démarreur 1 et un autre des balais 14 étant relié à une borne électrique 15 d'un contacteur 17 via un fil 16. Les balais sont par exemple au nombre de quatre. Les balais 13 et 14 viennent frotter sur le collecteur 12 lorsque le rotor 2 est en rotation, permettant l'alimentation du rotor 2 par commutation du courant électrique dans des sections du rotor 2. Le démarreur 1 comporte en outre un ensemble lanceur 19 monté de manière coulissante sur un arbre d'entraînement 18 et pouvant être entraîné en rotation autour de l'axe X par le rotor 2. Un ensemble réducteur de vitesses 20 est interposé entre le rotor 2 et l'arbre d'entraînement 18, de manière connue en soi. En variante, le démarreur 1 peut être du type `Direct Drive', dépourvu de réducteur de vitesses. L'ensemble lanceur 19 comporte un élément d'entraînement formé par un pignon 21 et destiné à s'engager sur un organe d'entraînement du moteur à combustion, non représenté. Cet organe d'entraînement est par exemple une couronne dentée. L'ensemble lanceur 19 comprend en outre une roue libre 22 et une rondelle poulie 23 définissant entre elles une gorge 24 pour recevoir l'extrémité 25 d'une fourchette 27. Cette fourchette 27 est réalisée par exemple par moulage d'une matière plastique. La fourchette 27 est actionnée par le contacteur 17 pour déplacer l'ensemble lanceur 19 par rapport à l'arbre d'entraînement 18, suivant l'axe X, entre une première position dans laquelle l'ensemble lanceur 19 entraîne le moteur à combustion par l'intermédiaire du pignon 21, et une deuxième position dans laquelle l'ensemble lanceur 19 est désengagé du moteur à combustion. Le contacteur 17 comprend, outre la borne 15 reliée au balai 14, une borne 29 reliée via un élément de liaison électrique, notamment un fil 30, à une alimentation électrique du véhicule, notamment une batterie. On a représenté sur la figure 2 une structure aimantée 5 conforme à un exemple de mise en oeuvre de l'invention, destinée à équiper le démarreur 1. Dans cet exemple, la structure aimantée 5 comporte un nombre d'aimants permanents 40 égal à 24. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce nombre d'aimants. Par exemple, le nombre d'aimants peut être réduit à quatre avec, dans certains aimants, une variation sensiblement continue de la direction d'aimantation. La structure aimantée 5 du stator comporte : - deux secteurs 41 et 42 d'un premier type présentant une aimantation de direction qui varie par rapport à une direction radiale F1 lorsque l'on se déplace sur une circonférence de chacun de ces secteurs 41 et 42, l'aimantation dans ces secteurs prenant au moins localement une direction différente de directions radiale F1 et orthoradiale F2 du stator, - deux secteurs 43 et 44 d'un deuxième type présentant une aimantation de direction uniquement radiale F1, l'un de ces secteurs définissant un pôle Nord et l'autre un pôle Sud. Chacun des secteurs 41 et 42 comprend huit aimants permanents, et chacun des secteurs 43 et 44 comprend quatre aimants permanents. En variante, les secteurs 41 à 44 peuvent chacun être formés par un seul aimant permanent. La direction d'aimantation varie, lorsque l'on se déplace circonférentiellement sur l'un des secteurs d'aimantation 41 et 42 d'une extrémité circonférentielle à l'autre, d'une direction radiale à une direction orthoradiale. Autrement dit, le long de chaque secteur 41 et 42, la transition de la direction d'aimantation correspond à 90°. Dans l'exemple considéré, la variation de la direction d'aimantation dans les secteurs 41 et 42 se produit par palier du fait de l'utilisation de plusieurs aimants permanents 40 d'aimantation uniforme en leur sein. Dans un autre exemple de mise en oeuvre non illustré, la variation de la direction de l'aimantation dans chaque secteur 41 et 42 est sensiblement continue. Les secteurs d'aimantation 41 à 44 sont alternés, à savoir le secteur 41, respectivement 42, est disposé entre les secteurs 43 et 44, en créant une rupture dans la direction d'aimantation lorsque l'on passe du secteur 44 au secteur 41 ou du secteur 43 au secteur 42, dans le sens anti-horaire. La rupture angulaire correspond, dans l'exemple décrit, à un basculement de la direction d'aimantation de radiale F1 à orthoradiale F2. Cette rupture est ainsi de 90°. Lorsque la machine comporte une seule paire de pôles, comme décrit dans le présent exemple, chaque secteur 41 ou 42 s'étend sur un angle supérieur ou égal à 90°. Dans l'exemple considéré, chaque secteur 41 ; 42 s'étend sur 120°, et chaque secteur 43 ; 44 s'étend sur 60°. Bien entendu, la structure aimantée 5 peut comporter un nombre de paires de pôles plus élevé, par exemple quatre ou huit. Comme illustré sur la figure 2, le décalage angulaire entre un axe d'induit A2 et un axe d'inducteur Al est choisi afin de réduire les effets du déplacement de la ligne neutre. Ceci permet de réduire l'influence de la réaction magnétique d'induit. Ce décalage angulaire est par exemple compris entre 0 et 60 ° pour une machine à une paire de pôles. Les graphes des figures 3 et 4 illustrent la variation, en fonction de l'angle, de la composante normale des champs, à savoir Bn.no-load (induction à vide générée par la structure aimantée), Bn.arm.reac (induction liée à la réaction d'induit) et Bn.result (induction résultante de Bn.no-load et Bn.arm.reac), pour la structure aimantée 5 de la figure 2. Le champ magnétique résultant du champ d'induction magnétique généré par la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comprend une composante normale Bn.result ayant, le long d'une majeure partie du secteur 41 ou 42 de premier type, une pente non nulle de signe constant, comme on peut le voir sur le graphe de la figure 4. L'amplitude maximale de la composante normale Bn.No-load du champ d'induction magnétique associé au secteur 41 ou 42 de premier type est supérieure à cette amplitude maximale associé au secteur 43 ou 44 de deuxième type de la structure aimantée. Comme illustré sur les graphes des figures 3 et 4, le champ d'induction magnétique Bn.No-load généré par les secteurs 41 et 42 de la structure aimantée permet de compenser localement un effet défavorable de la réaction magnétique d'induit Bn.arm.reac. Autrement dit, le champ d'induction magnétique Bn.no-Load généré par la structure aimantée du stator, à vide sans tenir compte d'autres champs existants dans l'entrefer tels que la réaction magnétique d'induit, présente un profil apportant une contribution d'induction (par concentration de flux magnétique) aux endroits où les effets de la réaction magnétique d'induit Bn.Arm.reac s'opposent à ceux de la structure aimantée (les composantes normales respectives Bn.no-Load et Bn.Arm.reac présentant des signes opposés). Aux endroits où les effets de la structure aimantée et celles de la réaction magnétique d'induit s'additionnent, la contribution d'induction est moins 20 importante ou disparaît. On représenté sur la figure 5 une structure aimantée 50 selon un état de la technique. Cette structure 50 comprend deux secteurs 51 et 52 formant deux pôles et présentant chacun une aimantation de direction uniforme, à savoir de direction 25 radiale. Les graphes des figures 6 et 7 montrent qu'aux endroits où les effets de la réaction magnétique d'induit Bn.Arm.reac s'opposent à ceux de la structure aimantée Bn.no-Load, il y a une absence de contribution d'induction significative de la part de la structure aimantée 50. 30 En particulier autour de l'angle 180°, le champ Bn.result présente un déficit d'induction. Revendications1. Machine électrique tournante à courant continu, notamment démarreur (1) de véhicule automobile, la machine comportant : - un stator (3) comportant une structure aimantée à aimantation permanente, s'étendant suivant une circonférence du stator, la structure aimantée étant agencée pour générer un champ d'induction magnétique, - un rotor (2) qui, lors du fonctionnement de la machine, produit, dans un entrefer entre la structure aimantée et le rotor, une réaction magnétique d'induit, - un groupe de balais (13, 14) agencés pour permettre l'alimentation électrique du rotor par commutation du courant électrique dans des sections du rotor, la machine étant caractérisée par le fait que : - la structure aimantée comporte au moins un secteur (41 ; 42) d'un premier type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec une direction radiale un angle qui varie lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, l'aimantation dans ce secteur prenant au moins localement une direction différente de directions radiale (F1) et orthoradiale (F2) du stator, le champ d'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comportant des composantes normales de signes opposés, le champ d'induction magnétique généré par ce secteur de la structure aimantée étant choisi pour au moins atténuer localement un effet défavorable de la réaction magnétique d'induit, et - la structure aimantée comporte au moins un secteur (43 ; 44) d'un deuxième type présentant un vecteur d'aimantation faisant avec la direction radiale du stator un angle sensiblement constant lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée, le champd'induction magnétique dans l'entrefer associé à ce secteur de la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit présentant des composantes normales de même signe. 2. Machine selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que l'angle entre le vecteur d'aimantation dans le secteur (41 ; 42) de premier type de la structure aimantée et la direction radiale du stator varie par palier lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée. 3. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le vecteur d'aimantation dans le secteur de premier type de la structure aimantée varie d'une direction orthoradiale (F2) à une direction radiale (F1) lorsque l'on se déplace sur une circonférence de la structure aimantée entre deux extrémités de ce secteur. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, à une seule paire de pôles, caractérisée par le fait que la structure aimantée comporte deux secteurs de premier type, alternés avec deux secteurs de deuxième type, l'étendue angulaire de l'un des secteurs de premier type étant supérieure à celle de l'un des secteurs de deuxième type. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, à une seule paire de pôles, caractérisée par le fait que le secteur (41 ; 42) de premier type de la structure aimantée s'étend sur un angle supérieur à 60° ou 90°, étant notamment sensiblement égal à 120°. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que, dans le secteur de deuxième type de la structure aimantée, le vecteur d'aimantation présente une direction sensiblement radiale.30 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, à une seule paire de pôles, caractérisée par le fait que la structure aimantée comporte deux secteurs de deuxième type, chacun de ces secteurs s'étendant sur un angle inférieur 90°, étant notamment sensiblement égal à 60°. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la structure magnétique comporte au moins une rupture angulaire dans l'angle d'aimantation, entre le secteur de premier type et le secteur de deuxième type, cette rupture angulaire correspondant notamment à un changement dans l'angle d'aimantation compris entre 45° et 135°, étant notamment sensiblement égal à 90°. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le champ magnétique résultant du champ d'induction magnétique généré par la structure aimantée et la réaction magnétique d'induit du rotor comprend une composante normale ayant, le long d'une majeure partie du secteur de premier type, une pente non nulle de signe constant. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'amplitude maximale de la composante normale du champ d'induction magnétique associé au secteur de premier type est supérieure à cette amplitude maximale associé au secteur de deuxième type de la structure aimantée. 11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le décalage angulaire entre un axe d'induit et un axe d'inducteur est choisi afin de réduire le déplacement de la ligne neutre. 12. Machine selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que, pour 30 une machine à six pôles, ledit décalage angulaire est compris entre 10° et 20°, étant notamment compris entre 13.5° et 19.5°.13. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'un au moins des secteurs d'aimantation de la structure aimantée comporte une pluralité d'aimants permanents (40) mis côte à côte, notamment contre une culasse (4) de la machine.