Brevet FR2945163A1 — publié le 20101105

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE AVEC COMPENSATION DE LA REACTION MAGNETIQUE D'INDUIT La présente invention concerne une machine électrique tournante telle qu'un alternateur, un démarreur ou un alterno-démarreur pour véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne une machine électrique tournante équipée de moyens de compensation de la réaction magnétique d'induit. Le phénomène de la réaction magnétique d'induit est connu de l'homme du métier. La réaction magnétique d'induit se produit lorsqu'un courant circule dans l'induit de la machine électrique tournante. En prenant pour exemple un alternateur pour véhicule automobile dans lequel l'induit est le stator de la machine et l'inducteur est le rotor de celle-ci, la réaction magnétique d'induit se produit lorsque l'alternateur est en charge et débite un courant. Les bobinages statoriques dans lesquels circule un courant produisent alors un champ magnétique dit de réaction d'induit qui peut entrainer une saturation et dégrader le champ magnétique de l'inducteur. Consécutivement, la force électromotrice (f.e.m) est déformée (avec une possible saturation) et les performances de l'alternateur, notamment en termes de rendement, sont altérées. Cette déformation de la f.e.m produit des harmoniques qui provoquent un accroissement des pertes Joule et des pertes fer de la machine. De plus, les performances relatives aux vibrations acoustiques et à la compatibilité électromagnétique peuvent également être affectées par la réaction d'induit. Dans le domaine des machines électriques tournantes de forte puissance, il est connu dans l'état de la technique de prévoir des bobinages auxiliaires dits de compensation de réaction d'induit. Ces bobinages, inclus dans le stator de la machine, produisent un champ magnétique de compensation qui s'oppose au champ magnétique de réaction d'induit de manière à en réduire les effets. La solution ci-dessus est à même d'apporter une compensation satisfaisante de la réaction magnétique d'induit dans une machine électrique tournante, mais elle est mal adaptée au domaine automobile dans lequel les contraintes de poids, de compacité et de coût sont extrêmement sévères. II est donc souhaitable de proposer une solution de compensation de réaction magnétique d'induit qui soit adaptée pour les machines électriques tournantes utilisées dans l'automobile. Selon un premier aspect, la présente invention fournit une machine électrique tournante comprenant un inducteur, un induit et des moyens de compensation de la réaction magnétique d'induit. Conformément à l'invention, les moyens de compensation de réaction magnétique d'induit comprennent au moins un aimant permanent de compensation implanté dans un pôle de l'inducteur. Selon une caractéristique particulière, les moyens de compensation de réaction magnétique d'induit comprennent un aimant permanent de compensation implanté dans chacun des pôles de l'inducteur. Selon une autre caractéristique particulière, les moyens de compensation de réaction magnétique d'induit comprennent deux aimants permanents de compensation implantés dans chacun des pôles de l'inducteur. De préférence, chacun des deux aimants permanents de compensation est implanté dans une moitié du pôle correspondant. Selon des formes de réalisation particulières, une longueur de l'aimant permanent de compensation occupe environ 30 à 45% d'une demi-largeur du pôle correspondant. De plus, l'aimant permanent de compensation a un champ magnétique rémanent compris entre 0,8 et 1,4 Tesla, est positionné à une distance comprise entre environ 2 à 6 mm par rapport à une extrémité du pôle correspondant, a une longueur comprise entre environ 1 et 6 mm, et une épaisseur comprise entre environ 1 et 4 mm. Selon une forme de réalisation préférée, l'aimant permanent de compensation est positionné à une distance égale à 5,3 mm par rapport à une extrémité du pôle correspondant, a une longueur égale à 4,4 mm, et une épaisseur égale à 2 mm. Selon une autre caractéristique, la machine électrique tournante selon l'invention, brièvement décrite ci-dessus, comprend également un entrefer progressif. Selon une forme de réalisation particulière, cet entrefer progressif varie entre environ 0,4 et 0,7 mm. Selon encore une autre caractéristique, l'aimant permanent de 10 compensation de la machine électrique tournante selon l'invention est de type surfacique ou de type enterré. Selon une forme de réalisation particulière, l'inducteur est le rotor de la machine et l'induit est le stator de la machine. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 15 à la lecture de la description suivante d'une de ses formes de réalisation particulières, en référence aux figures ci-dessous, dans lesquelles : - la Fig.1 montre une structure générale simplifiée d'une machine électrique tournante de type à pôles saillants ; - les Fig.2A à 2C sont des schémas de principe utilisés pour 20 l'explication du phénomène de réaction magnétique d'induit ; - la Fig.3 est une courbe de mesure réelle du champ magnétique présent dans un entrefer de la machine ; - la Fig.4 est une vue partielle en coupe d'une machine électrique tournante selon l'invention équipée d'aimants permanents de 25 compensation de réaction magnétique d'induit ; la Fig.5 est une courbe de mesure du champ magnétique présent dans un entrefer de la machine, dans laquelle est montré l'effet de compensation de la réaction magnétique d'induit apporté par les aimants permanents de compensation ; 30 - la Fig.6 est une vue partielle en coupe montrant la position d'un aimant permanent de compensation dans un pôle correspondant de la machine ; la Fig.7 est une vue partielle en coupe d'une machine électrique tournante selon l'invention équipée de deux aimants permanents de compensation de réaction magnétique d'induit ; la Fig.8 montrent des courbes de couples obtenues avec et 5 sans aimants de compensation lorsque la machine électrique tournante fonctionne en mode moteur ; la Fig.9 est une vue partielle en coupe d'une machine électrique tournante selon l'invention comportant un entrefer progressif ; et la Fig.10 est une courbe de mesure du champ magnétique 10 présent dans un entrefer de la machine, dans laquelle est montré l'effet de compensation de la réaction magnétique d'induit apporté par l'entrefer progressif de la machine de la Fig.9. La Fig.1 montre, sous une forme simplifiée, la structure d'une 15 machine électrique tournante 1 de type à pôles saillants. La machine 1 comprend un stator 10 et un rotor 11 et est dépourvue de moyens de compensation de courant. Le stator 10 est muni d'une pluralité d'encoches 101 prévues pour recevoir des bobinages statoriques (non représentés). Le rotor 11 20 comporte 4 paires de pôles de polarités Nord (N) et Sud (S), composées de pôles S110, N110, S111, N111, S112, N112, S113 et N113. Un bobinage d'excitation 114 est prévu dans le rotor 11 de la machine 1 est comporte huit enroulements en série, EO à E7, qui sont localisés respectivement au niveau des huit pôles saillants de la machine 25 1. Un courant d'excitation lex alimente le bobinage d'excitation 114 de manière à produire des champs magnétiques avec les polarités voulues au niveau des pôles S110, N110, S111, N111, S112, N112, S113 et N113. Lorsque la machine 1 fonctionne en mode alternateur et débite un courant, il se produit un phénomène de réaction magnétique d'induit qui 30 est maintenant décrit en référence aux Figs.2A, 2B et 2C. Les Figs.2A, 2B et 2C montrent de manière schématique les champs magnétiques dans un entrefer e de la machine 1, au niveau d'un pôle N de celle-ci. Les Figs.2A, 2B et 2C montrent le pôle N avec un enroulement d'excitation E ainsi que des conducteurs CS du bobinage statorique logés dans des encoches 101 (Fig.1) du stator. La Fig.2A montre un champ magnétique FI qui est un champ magnétique produit par le pôle N dans l'entrefer e lorsque la machine 1 fonctionne à vide, c'est-à-dire, lorsque aucun courant ne circule dans le bobinage statorique. La forme d'onde du champ FI est alors sensiblement uniforme dans l'ensemble de l'entrefer en regard du pôle N. La Fig.2B montre l'effet de la réaction magnétique d'induit sous la forme d'un champ FRI qui est un champ magnétique de réaction d'induit produit par les conducteurs CS du bobinage statorique lorsqu'un courant de charge circule dans ceux-ci. Comme montré à la Fig.2B, le champ FRI comporte une alternance positive et une alternance négative. La Fig.2C montre un champ FC qui est un champ magnétique résultant, présent dans l'entrefer e lorsque la machine débite un courant de charge. Le champ FC est la somme des champ FI et FRI. Comme cela apparaît à la Fig.2C, le champ FC est notablement déformé et déphasé par rapport au champ FI produit lorsque la machine 1 fonctionne à vide. De plus, une saturation du circuit magnétique (cf. repère SA à la Fig.2C) est susceptible de se produire du fait de cette réaction magnétique d'induit. Une telle saturation peut entraîner une perte de rendement importante. Les formes d'onde des champs magnétiques FI, FRI et FC montrées aux Figs.2A, 2B et 2C sont des courbes théoriques, simplifiées 25 pour les besoins de l'explication. La Fig.3 montre une courbe de mesure réelle du champ magnétique FC présent dans l'entrefer d'une machine électrique tournante à pôles saillants. En abscisse est indiquée la position angulaire du rotor de la machine et, en ordonnée, est indiquée la valeur en Tesla correspondant 30 au champ magnétique FC. La forme d'onde du champ FC comporte des créneaux qui sont essentiellement dus à la présence des encoches du stator. Une telle forme d'onde comporte de nombreuses harmoniques qui dégradent les performances de la machine électrique tournante. Conformément à la présente invention, il est prévu d'incorporer dans les pôles du rotor de la machine électrique tournante des moyens de compensation de réaction magnétique sous la forme d'aimants permanents. Le flux magnétique produit par l'aimant permanent s'oppose alors à celui de la réaction magnétique d'induit diminuant ainsi l'effet de celle-ci. A la Fig.4, il est montré des aimants permanents ACN1 et ACs1 10 inclus dans deux pôles successifs de type N et S d'une machine électrique tournante à pôles saillants telle que la machine 1 de la Fig.1. Les aimants permanents ACN1 et ACs1 forment une partie des moyens de compensation de réaction magnétique d'induit selon la présente invention. Dans cette forme de réalisation, un aimant permanent 15 AC est inclus dans chacun des pôles de la machine électrique tournante, ce qui n'est pas forcément le cas dans d'autres applications de l'invention. L'effet des aimants permanents AC sur le champ magnétique FC dans l'entrefer de la machine est montré à la Fig.5. L'apport des aimants permanents AC sur le champ magnétique FC est montré par des portions 20 PAC en gras sur la courbe de la Fig.5. Les aimants permanents AC apportent une compensation de la réaction magnétique d'induit en corrigeant l'intensité du champ magnétique FC comme montré à la Fig.5. Cette correction améliore le spectre fréquentiel du champ magnétique FC dans le sens d'une réduction des harmoniques qui altèrent les 25 performances de la machine. Pour obtenir la compensation voulue de la réaction magnétique d'induit, il est souhaitable d'optimiser différents paramètres, notamment la position de l'aimant permanent AC dans le pôle ainsi que les caractéristiques dimensionnelles et de champ magnétique rémanent de 30 celui-ci. Des essais et simulations ont été réalisés par l'entité inventive, notamment sur une machine électrique tournante pour véhicule automobile ayant une puissance nominale de 40 kW, un diamètre extérieur de 200 mm et une longueur de 240 mm. Des aimants permanents AC présentant un champ magnétique rémanent compris entre 0,8 et 1,4 T donnent de bons résultats pour les applications automobiles. Cependant, d'autres intensités de champ magnétiques rémanents pourront également convenir, selon les applications. En référence à la Fig.6, les caractéristiques de dimensions et de position des aimants AC sont définies par les paramètres suivants : 10 La = longueur de l'aimant AC Ha = épaisseur de l'aimant AC Da = distance entre l'aimant AC et une extrémité du pôle. Lp = largeur du pôle. Dans cette forme de réalisation avec un seul aimant AC par pôle, 15 l'aimant AC est situé dans la première moitié de largeur %Lp du pôle. La première moitié du pôle est considérée ici comme étant celle correspondant à la partie frontale du pôle, déterminée par le sens de rotation du rotor de la machine. Pour la machine électrique tournante pour véhicule automobile 20 indiquée plus haut, il a été déterminé les valeurs optimales suivantes La = 4,4 mm et Da = 5,3 mm pour une épaisseur d'aimant Ha = 2 mm : Bien entendu, les valeurs optimales indiquées ci-dessus ne sont pas limitatives, car selon les applications des valeurs différentes pourront être déterminées par l'homme du métier. 25 Ainsi, selon les applications, la longueur La de l'aimant AC pourra représenter environ 30 à 45% de la demi-largeur %Lp du pôle. De plus, l'aimant AC pourra avantageusement être positionné à une distance Da qui sera comprise entre environ 2 et 6 mm. La longueur La de l'aimant AC pourra être comprise entre environ 1 et 6 mm et l'épaisseur Ha entre 3o environ 1 et 4 mm. Il est montré à la Fig.7, une forme de réalisation dans laquelle deux aimants de compensation de réaction magnétique d'induit AC1 et AC2 sont prévus pour chaque pôle. Dans cette machine de la Fig.7, les aimants AC1 et AC2 ont des polarités opposées et sont situés dans des première et seconde moitiés du pôle. Sur une alternance du champ magnétique FC, telle que montrée à la Fig.3, l'un des aimants, par exemple AC1, aura pour effet de rehausser l'intensité du champ magnétique FC dans la première partie de l'alternance et l'autre aimant, par exemple AC2, aura pour effet de réduire celle-ci dans la seconde partie de l'alternance. Une correction de la déformation, due à la réaction d'induit, de la forme d'onde du champ magnétique est ainsi réalisée de manière à obtenir une forme d'onde plus régulière, comportant moins d'harmoniques. La présente invention offre également l'avantage d'une nette 15 amélioration du couple mécanique fourni lorsque la machine électrique tournante fonctionne en mode moteur. La Fig.8 montre, en fonction de la densité de courant dans le stator, le couple fourni par la machine de 40 kW indiquée ci-dessus, fonctionnant en mode moteur à un régime de 3000 tr/mn, selon que celle- 20 ci est équipée ou pas d'aimants permanents AC de compensation de réaction magnétique d'induit. Une première courbe avec des points en carré est celle de la machine sans les aimants AC. Une seconde courbe avec des points en losange est celle de la machine avec les aimants AC et affiche des valeurs 25 de couple supérieures à celle de la première courbe. Les formes de réalisation décrites ci-dessus comprennent des aimants permanents AC de type surfacique, c'est-à-dire, affleurant à la surface du pôle située en regard de l'entrefer. Cependant, on notera que des aimants permanents AC de type enterré peuvent aussi être utilisés 30 dans certaines applications de l'invention. Conformément à la présente invention, un entrefer progressif ep, comme montré à la Fig.9, peut être associé aux aimants permanents AC de compensation de réaction d'induit. Dans la forme de réalisation de la Fig.9, l'entrefer ep varie progressivement de environ 0,4 mm à environ 0,7mm, d'une extrémité à l'autre du pôle. La face du pôle en regard de l'entrefer ep et des encoches du stator est usinée de telle manière à obtenir cet entrefer progressif ep. La Fig.10 montre un exemple de la compensation apportée par l'entrefer progressif ep. L'effet de l'entrefer progressif ep sur la forme d'onde du champ magnétique est indiqué par les portions en gras PEP. La courbe de la Fig.10 ne montre que l'effet de compensation apporté par l'entrefer progressif ep, c'est-à-dire, sans les aimants de compensation AC. On notera également qu'un aimant de compensation AC peut être prévu de manière fractionnée, c'est-à-dire, sous la forme d'au moins deux aimants qui sont disposés côte-à-côte et séparés par une mince paroi de matériau magnétique (le fer du rotor). Une telle réalisation permet de réduire les pertes dans l'aimant AC. L'invention a été décrite ici dans le cadre d'une machine électrique tournante particulière. Il doit être clair que l'invention trouvera des applications dans un domaine plus large, à savoir, celui des machines synchrones. Plus particulièrement, l'invention a une application importante dans les machines électriques tournantes avec rotor à griffes, c'est-à-dire, les machines de type Lundell très utilisées dans l'automobile. On notera également que l'invention est utilisable dans des rotors comportant des aimants permanents interpolaires. REVENDICATIONS, 1. Machine électrique tournante comprenant un inducteur (11), un induit (10) et des moyens de compensation de la réaction magnétique d'induit, caractérisée en ce que lesdits moyens de compensation de réaction magnétique d'induit comprennent au moins un aimant permanent de compensation (AC) implanté dans un pôle dudit inducteur. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de compensation de réaction magnétique d'induit comprennent un aimant permanent de compensation (AC) implanté dans chacun des pôles dudit inducteur. 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de compensation de réaction magnétique d'induit comprennent deux aimants permanents de compensation (AC) implantés dans chacun des pôles dudit inducteur, chacun desdits deux aimants permanents de compensation (AC) étant implanté dans une moitié du pôle correspondant. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'une longueur (La) d'un dit aimant permanent de compensation (AC) occupe environ 30 à 45% d'une demi-largeur (1/2Lp) du pôle correspondant. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en qu'un dit aimant permanent de compensation (AC) a un champ magnétique rémanent compris entre 0,8 et 1,4 Tesla, est positionné à une distance (Da) comprise entre environ 2 et 6 mm par rapport à une extrémité du pôle correspondant, a une longueur (La)comprise entre environ 1 et 6 mm, et une épaisseur (Ha) comprise entre environ 1 et 4 mm. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en qu'un dit aimant permanent de compensation (AC) est positionné à une distance (Da) égale à 5,3 mm par rapport à une extrémité du pôle correspondant, a une longueur (La) égale à 4,4 mm, et une épaisseur (Ha) égale à 2 mm. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un entrefer progressif (ep). 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit entrefer (ep) varie progressivement entre environ 0,4 mm et environ 0,7 mm. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'un dit aimant permanent de compensation (AC) est de type surfacique ou de type enterré. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ledit inducteur est un rotor (1 1) de la machine et ledit induit est un stator (10) de la machine.20