Brevet FR2938385A1 — publié le 20100514

Machine électrique tournante à double excitation de type homopolaire [1]. La présente invention concerne une machine électrique tournante à double excitation de type homopolaire. L'invention a notamment pour but de faciliter le passage du flux de double excitation à l'intérieur de la machine électrique. [2]. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques synchrones destinées à être utilisées avec les véhicules de type électrique ou hybride combinant l'utilisation d'un moteur thermique et d'une machine électrique. io [003]. On connaît des machines électriques tournantes à double excitation telles que celles décrites dans la demande de brevet français publiée sous le numéro FR-2846483. [004]. Comme représenté sur la Figure 1, ces machines 1 comportent un stator 3 et un rotor 5 espacés l'un de l'autre par un entrefer fonctionnel 6. 15 [005]. Plus précisément, le stator 3 comporte un noyau 7 magnétique feuilleté annulaire équipé d'un bobinage 8 statorique et de bobinages annulaires 9, 10 générant un flux de double d'excitation. Le noyau 7 ainsi que les bobinages statorique 8 et d'excitation 9, 10 sont disposés dans une couronne 11 magnétique massive en contact avec la surface extérieure du 20 noyau 7. Cette couronne 11 comporte un rebord 13, 14 à chaque extrémité tourné vers le rotor 5. [6]. Le rotor 5 comporte un corps 15 comprenant des aimants 18 permanents dont l'aimantation magnétique est orientée de façon tangentielle (perpendiculairement au rayon du rotor) et séparés entre eux par des dents 25 19 composées de tôles feuilletées qui permettent de canaliser le flux généré par les aimants 18 et de l'acheminer jusqu'à l'entrefer 6. [7]. Le rotor 5 comporte en outre deux flasques 21, 22 annulaires positionnés de part et d'autre du corps 15 ayant chacun des portions périphériques définissant, avec les rebords 13 et 14 d'extrémité radiaux de la couronne 11 du stator des entrefers de retour de flux magnétique. Les flasques 21 et 22 sont connectés aux dents 19 de façon alternée, chacune des dents 19 comportant une extrémité tournée vers le flasque 21 et une extrémité tournée vers le flasque 22. [8]. Un tel agencement permet ainsi aux bobinages 9, 10 d'excitation de moduler le flux des aimants 18 par la création d'un flux, dit flux de double excitation, qui circule suivant les chemins 24 et 25 suivant lesquels il traverse la couronne 11 du stator, un rebord 13, 14 d'extrémité radial, un flasque io 21,22, le feuilletage 19 du rotor d'abord suivant une direction axiale suivant la longueur D active de la machine puis suivant une direction radiale, puis le noyau 7 magnétique du stator pour reboucler avec la couronne 11. [9]. Etant donné que les bobinages 9, 10 d'excitation présentent une forme annulaire et que le rotor 5 est réalisé en matériau feuilleté, la 15 réluctance vu par le flux de double excitation est élevée, ce qui pénalise le rendement de la machine 1. Afin de minimiser cette réluctance, il a d'abord été envisagé de remplacer ce rotor 5 feuilleté par un rotor massif, mais les pertes fer deviennent alors trop importantes. Il est alors apparu profitable de combiner dans le rotor selon l'invention un circuit feuilleté en périphérie (pour 20 minimiser les pertes) et un autre massif (pour faciliter le passage de flux). [10]. Toutefois, dans le cas d'un rotor à aimantation tangentielle, la mise en oeuvre de l'invention est difficile, notamment pour des raisons de tenue mécanique, de complexité de réalisation, ou de gain obtenu trop faible sur l'amélioration de la circulation de flux. 25 [011]. On connaît également des machines électriques à double excitation à aimants radiaux, comme celles décrites dans le brevet MIZUNO US-5682073, utilisant une seule bobine d'excitation positionnée au milieu du stator. Dans ce cas, il est possible de réaliser un rotor feuilleté et massif comme dans l'invention. Toutefois, si le rotor selon le brevet MIZUNO était 30 combiné avec le stator selon la demande FR-2846483, la machine électrique obtenue ne pourrait pas fonctionner correctement, car il y aurait un court- circuit magnétique qui pénaliserait la circulation correcte du flux dans la machine. [12]. L'invention propose une structure de machine électrique permettant, à la fois, de faciliter la circulation du flux suivant la longueur D de la machine et de minimiser les pertes fer générées à la périphérie du rotor. [13]. A cet effet, dans l'invention, le rotor est formé notamment par une partie centrale en matériau magnétique massif et une partie annulaire en matériau feuilleté située en périphérie de la partie massive. Le rotor comporte en outre des aimants permanents dont l'aimantation est orientée io radialement par rapport à l'axe du rotor et espacés les uns des autres de telle manière que le flux de double excitation généré par les bobinages d'excitation peut entrer dans le rotor par les flasques du rotor et ressortir par les espaces entre les aimants, ou inversement. [14]. L'invention concerne donc une machine électrique tournante à 15 double excitation de type homopolaire, caractérisée en ce qu'elle comporte : - un stator comprenant un noyau central et deux bobinages d'excitation positionnés de part et d'autre dudit noyau générant un flux de double excitation, - un rotor comprenant 20 - une partie centrale massive ayant un comportement magnétique isotrope pour faciliter la circulation du flux de double excitation suivant l'axe du rotor, - une partie annulaire en matériau feuilleté installée autour de la partie centrale massive, et - des aimants permanents dont l'aimantation est orientée radialement par 25 rapport à l'axe du rotor, ces aimants présentant une même polarisation, deux aimants consécutifs étant séparés entre eux par un espace magnétique pour permettre la circulation du flux de double excitation dans le rotor entre les aimants. [015]. Selon une réalisation, chaque aimant permanent occupe 30 sensiblement la moitié d'un pas polaire. [16]. Selon une réalisation, les aimants permanents sont installés à la périphérie du rotor pour maximiser la section de passage du flux de double excitation dans la partie centrale massive. [17]. Selon une réalisation, les aimants permanents sont encastrés à l'intérieur de la partie annulaire. [18]. Selon une réalisation, les aimants permanents sont fixés à la périphérie de la partie annulaire. [19]. Selon une réalisation, les aimants sont orientés géométriquement longitudinalement par rapport à l'axe du rotor. io [020]. Selon une réalisation, les aimants permanents sont formés chacun par un ensemble d'aimants présentant une conformation en U. [21]. Selon une réalisation, le stator comporte en outre un bobinage statorique bobiné sur le noyau magnétique annulaire, et au moins une couronne magnétique en contact avec la surface extérieure du noyau 15 magnétique annulaire, ladite couronne magnétique comprenant à chaque extrémité un rebord d'extrémité radial. [22]. Selon une réalisation, le rotor comporte en outre deux flasques annulaires en matériau magnétique disposés de part et d'autre de la partie centrale et coaxialement suivant l'axe du rotor, ces flasques comportant 20 chacun une portion périphérique axiale définissant avec les rebords d'extrémité radiaux de la couronne des entrefers de retour de flux magnétique. [23]. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont 25 données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : [024]. Figure 1 (déjà décrite) : une vue en perspective tronquée d'une machine électrique à double excitation selon l'état de la technique ; [025]. Figure 2 (déjà décrite) : une vue en perspective de la machine de la Figure 1 dont un flasque du rotor a été retiré pour faire apparaître le sens du feuilletage du noyau du rotor ; [026]. Figure 3: une vue en perspective tronquée d'une machine électrique à double excitation de type homopolaire selon l'invention ; [027]. Figure 4 : une vue en perspective tronquée de la machine de la Figure 3 faisant apparaître le flux de double excitation généré par les bobinages d'excitation du stator ; io [028]. Figure 5 : une représentation graphique de la variation du flux de la machine selon les Figures 3 et 4 en fonction de l'angle électrique pour différentes valeurs d'alimentation en courant des bobinages d'excitation ; [029]. Figures 6 : des représentations schématiques des variantes de positionnement des aimants permanents du rotor. 15 [030]. Les éléments identiques conservent la même référence d'une figure à l'autre. [31]. Les Figures 3 et 4 représentent une machine 1.1 électrique tournante à double excitation de type homopolaire selon l'invention comportant un stator 29 et un rotor 31 présentant un axe 33, ce stator 29 et 20 ce rotor 31 étant espacés l'un de l'autre par un entrefer fonctionnel 34. [32]. Le stator 29 comporte un noyau 35 annulaire en tôle magnétique feuilletée de part et d'autre duquel sont disposés des bobinages annulaires 38, 39 d'excitation. Les courants circulant dans ces bobinages 38, 39 d'excitation sont de sens opposé. 25 [033]. Un bobinage statorique 41, entourés par les bobinages 38, 39 d'excitation, est bobiné de manière conventionnelle sur le noyau 35 qui présente à cet effet une surface intérieure formée de dents 42. [34]. L'ensemble du noyau 35 et des bobinages 38, 39, 41 est logé dans une couronne 44 magnétique extérieure qui est en contact avec une surface extérieure du noyau 35 magnétique. Cette couronne 44 massive comprend des rebords 45, 46 latéraux d'extrémité tournés vers le rotor 31. [35]. Le rotor 31 comporte deux flasques 48, 49 annulaires en matériau magnétique massif disposés coaxialement suivant l'axe 33. Ces flasques 48, 49 comportent chacun une portion périphérique axiale définissant, avec les rebords 45 et 46 d'extrémité radiaux de la couronne 44 des entrefers de io retour de flux magnétique. [36]. Une partie 51 centrale en matériau magnétique massif (non feuilleté) est disposée entre lesdits flasques 48, 49 et coaxialement suivant l'axe 33 du rotor 31. Du fait de son caractère massif, la partie 51 centrale a un comportement magnétique isotrope, ce qui permet de faciliter la 15 circulation du flux suivant l'axe 33 du rotor généré par la double excitation. La partie 51 présente en son centre une ouverture destinée à recevoir un arbre (non représenté) sur lequel le rotor 31 sera monté. [37]. Le rotor 31 comporte également une partie 53 annulaire en matériau magnétique feuilleté permettant de limiter les pertes fers. Cette 20 partie annulaire 53 est installée autour de la partie 51, les tôles 53.1 feuilletées de la partie 53 étant de préférence orientées radialement par rapport à l'axe 33 du rotor. Dans un exemple de réalisation, le rotor 31 présente un rayon Re d'environ 125mm ; la partie 53 annulaire présentant une épaisseur a d'environ 16mm, la longueur L globale de la machine 1 étant 25 d'environ 100mm. [38]. Des aimants 54 permanents ayant une même polarisation générant un champ magnétique radial par rapport à l'axe 33 du rotor sont installés à l'intérieur du rotor 31. Ici, les aimants 54 s'étendent géométriquement suivant l'allongement de la machine 1.1 et génère un 30 champ magnétique indiqué par les flèches 55 allant de l'extérieur du rotor 31 vers le centre du rotor 31. En variante, le sens du champ magnétique de ces aimants 54 est inversé et va du centre du rotor 31 vers l'extérieur du rotor 31, comme montré sur la Figure 6a. [39]. Les aimants 54 sont installés à la périphérie du rotor 31 pour maximiser la section de passage du flux de double excitation dans la partie 51 centrale massive. Ici, les aimants 54 sont encastrés à l'intérieur de la partie 53 annulaire munie de logements à cet effet. Ces aimants 54 sont espacés l'un de l'autre par un espace magnétique permettant la circulation du flux de double excitation à l'intérieur du rotor 31 entre les aimants 54. Par io espace magnétique, on entend un espace bon conducteur de flux magnétique constitué par exemple par un matériau magnétique plein et/ou comme ici par un matériau magnétique feuilleté. [40]. De préférence, chaque aimant 54 occupe sensiblement la moitié d'un pas polaire, un pas polaire étant égal au périmètre du rotor 31 divisé par 15 le nombre p de paires de pôles. Ainsi, comme montré sur la Figure 6a, l'espace angulaire al libre entre deux aimants 54 successifs est sensiblement égal à l'espace angulaire a2 occupé par un aimant 54, ces angles al et a2 étant égaux au produit du rayon Re du rotor 31 et du nombre rr divisé par le nombre p de paires de pôles de la machine 1.1. 20 [041]. En variante, les aimants 54 sont fixés, par collage par exemple à la périphérie de la partie 53 annulaire. En variante, les aimants 54 sont installés dans le creux de créneaux ménagés à la périphérie de la partie 53 annulaire. [042]. En variante, comme représenté sur la Figure 6b, les aimants 54 sont remplacés par des ensembles d'aimants permanents 54.1-54.3 25 présentant chacun une forme en U. Le champ résultant de chacun de ces ensembles d'aimants est radial par rapport à l'axe 33, la direction de ce champ allant soit du centre du rotor 31 vers l'extérieur du rotor 31, soit de l'extérieur vers le centre du rotor 31. La conformation en U présente l'avantage d'augmenter le flux généré par les aimants 54 ; toutefois cette 30 augmentation de flux est obtenue au détriment de l'espace réservé à la partie 51 massive (donc au détriment de la circulation du flux généré par les bobines 38, 39 de double excitation). [43]. Comme indiqué sur la Figure 4, lorsque la machine 1.1 fonctionne, le flux généré par le bobinage 38 de double excitation circule suivant un premier circuit 56 magnétique suivant lequel le flux traverse la couronne 44, le noyau 35, l'entrefer fonctionnel 34, la partie 53 annulaire entre les aimants 54, la partie centrale 51, le flasque 48, le rebord 45 pour reboucler sur la couronne 44, le sens du flux à l'intérieur du circuit 56 étant indiqué par la flèche 56.1. [44]. Le flux généré par le bobinage 39 d'excitation circule suivant un io deuxième circuit 58 magnétique suivant lequel le flux traverse la couronne 44, le noyau 35, l'entrefer fonctionnel 34, la partie 53 annulaire entre les aimants 54, la partie centrale 51, le flasque 49, le rebord 46 pour reboucler sur la couronne 44, le sens du flux à l'intérieur du circuit 58 étant indiqué par la flèche 58.1. 15 [045]. La présence des aimants 54 permanents dont la perméabilité magnétique est proche de 1 (ce qui en fait un élément équivalent à un entrefer) empêche le flux de double excitation d'agir sur les pôles où les aimants 54 sont logés. [46]. La Figure 5 montre l'évolution du flux total observable pour la 20 machine 1.1 exprimé en milliWebers (mWb) en fonction de l'angle 8 électrique exprimé en degrés. La courbe 60 montre que, sans flux de double excitation, les aimants 54 permanents génèrent un flux alternatif. [47]. En alimentant les bobinages 38, 39 d'excitation dans un sens ou dans un autre, on arrive à faire varier la valeur du flux sous un seul pôle de la 25 machine 1.1. Ainsi, lorsque les bobinages 38, 39 génèrent un flux qui s'ajoute au flux des aimants 54 permanents (surfluxage) on obtient la courbe 62, tandis que lorsque les bobinages génèrent un flux qui se retranche au flux des aimants 54 permanents (defluxage) on obtient la courbe 64. 8 REVENDICATIONS1. Machine électrique (1.1) tournante à double excitation de type homopolaire, caractérisée en ce qu'elle comporte : - un stator (29) comprenant un noyau (35) central et deux bobinages (38, 39) d'excitation positionnés de part et d'autre dudit noyau (35) générant un flux de double excitation, - un rotor (31) comprenant - une partie (51) centrale massive ayant un comportement magnétique io isotrope pour faciliter la circulation du flux de double excitation suivant l'axe (33) du rotor (31), - une partie annulaire (53) en matériau feuilleté installée autour de la partie (51) centrale massive, et - des aimants (54) permanents dont l'aimantation est orientée 15 radialement par rapport à l'axe (33) du rotor (31), ces aimants (54) présentant une même polarisation, deux aimants (54) consécutifs étant séparés entre eux par un espace magnétique pour permettre la circulation du flux de double excitation dans le rotor (31) entre les aimants (54). 20 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque aimant (54) permanent occupe sensiblement la moitié d'un pas polaire. 3. Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce 25 que les aimants (54) permanents sont installés à la périphérie du rotor (31) pour maximiser la section de passage du flux de double excitation dans la partie (51) centrale massive. 4. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3, 30 caractérisée en ce que les aimants (54) permanents sont encastrés à l'intérieur de la partie (53) annulaire. 5. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les aimants (54) permanents sont fixés à la périphérie 35 de la partie (53) annulaire. 5 6. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les aimants (54) sont orientés géométriquement longitudinalement par rapport à l'axe (33) du rotor (31). 7. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les aimants (54) permanents sont formés chacun par un ensemble d'aimants (54.1-54.3) présentant une conformation en U. io 8. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le stator (29) comporte en outre un bobinage (41) statorique bobiné sur le noyau (35) magnétique annulaire, et au moins une couronne (44) magnétique en contact avec la surface extérieure du noyau (35) magnétique annulaire, ladite couronne (44) magnétique comprenant à 15 chaque extrémité un rebord (45, 46) d'extrémité radial. 9. Machine électrique selon la revendication 8, caractérisée en ce que le rotor (31) comporte en outre deux flasques (48, 49) annulaires en matériau magnétique disposés de part et d'autre de la partie (51) centrale et 20 coaxialement suivant l'axe (33) du rotor (31), ces flasques (48, 49) comportant chacun une portion périphérique axiale définissant avec les rebords (45, 46) d'extrémité radiaux de la couronne (44) des entrefers de retour de flux magnétique.