Brevet FR2982093A1 — publié le 20130503

ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE ET MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE COMPRENANT UN ROTOR DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne un rotor à aimants permanents destiné à une machine électrique tournante. L'invention concerne également une machine électrique tournante comprenant un rotor de ce type, notamment pour des applications comme moteur 10 électrique de traction ou moteur d'accessoire dans des véhicules automobiles électriques et hybrides. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. De par leurs performances accrues en termes de rendement et de puissance 15 massique et volumique, les machines synchrones à aimants permanents trouvent aujourd'hui une large application dans le domaine des véhicules automobiles. Ces machines électriques sont réalisables dans une large gamme de puissance et de vitesse et trouvent des applications aussi bien dans les véhicules de type « tout électrique » que dans les véhicules à bas CO2 de types dits « mild20 hybrid » et « full-hybrid » (en terminologie anglaise). Les applications « mild-hybrid » concernent généralement des machines électriques de l'ordre de 8 à 20 kW, par exemple, un moteur électrique monté en face avant d'un moteur thermique et couplé à celui-ci par une courroie de transmission. Il est possible avec un tel moteur électrique de réduire la cylindrée de 25 la motorisation thermique (« engine downsizing » en terminologie anglaise) en prévoyant une assistance électrique en couple qui fournit un appoint de puissance, notamment lors des reprises. De plus, une traction à faible vitesse, par exemple en environnement urbain, peut également être assurée par ce même moteur électrique. 30 Les applications de type « full-hybrid» concernent généralement des moteurs de 30 à 50 kW pour des architectures de type série et/ou parallèle avec un niveau d'intégration plus abouti du ou des moteurs électriques dans la chaîne de traction du véhicule. Les remarquables performances des machines à aimants permanents 35 actuelles sont pour une grande part dues aux développement des aimants aux - 2 - terres rares tels que les aimants de type Néodyme-Fer-Bore (NeFeB), Samarium-Fer (SmFe), ou Samarium-Cobalt (SmCo), qui peuvent présenter des rémanences dépassant le tesla. Cependant, des machines à aimants permanents comprenant un rotor 5 présentant une structure dite "à concentration de flux" avaient de longue date permis d'obtenir des flux magnétiques importants avec des aimants de moindre rémanence, par exemples des aimants obtenus à partir de ferrites frittées ou liées. De longue date également, les caractéristiques dimensionnelles et magnétiques ce type de structure ont été optimisées, soit en menant de nombreux 10 essais, soit, plus récemment en réalisant des simulations sur ordinateur, de manière à améliorer le rendement électrique des machines. Un exemple d'optimisation dimensionnelle des aimants et des pôles magnétiques d'un rotor à aimants permanents a été divulgué en 1971 dans le brevet d'invention FR 2.084.279. 15 L'optimisation dimensionnelle des aimants a reçu récemment un regain d'attention comme suite au renchérissement des aimants aux terres rares lié à une conjoncture géo-politique défavorable. La mise en oeuvre d'aimants aux terres rares dans un rotor de machine électrique destinée aux applications de l'automobile n'étant plus économiquement 20 rentable, et probablement non pérenne, l'autre terme de l'alternative est constitué par les aimants basés sur des ferrites. Mais le rémanent ou l'induction d'une ferrite étant plus faible que dans le cas d'un aimant aux terres rares, il est nécessaire d'augmenter le volume de l'aimant en ferrite pour obtenir un flux magnétique équivalent. 25 Cette contrainte magnétique étant imposée, il va de soi que le volume des aimants en ferrite ne peut être accrû indéfiniment dans un rotor ayant une taille donnée. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. 30 Le but de la présente invention est donc d'optimiser le volume des aimants d'un rotor pour maximiser le rendement de la machine tout respectant des contraintes dimensionnelles et mécaniques spécifiées. 35 Elle a précisément pour objet un rotor de machine électrique tournante comprenant une pluralité de pôles Nord et pôles Sud alternés et formés à partir d'une pluralité d'aimants permanents agencés dans des premiers évidements. Ces premiers évidements se prolongent axialement et sont répartis régulièrement entre une partie circonférentielle et une partie centrale de la masse magnétique du rotor de manière à définir une pluralité de sections polaires circonférentielles. Les aimants permanents du type de rotor dont il s'agit présentent une section 10 radiale polygonale. Le rotor selon l'invention est remarquable en ce que cette section radiale comporte une partie sensiblement rectangulaire proche de la partie circonférentielle du rotor adjacente à une partie sensiblement trapézoïdale proche de la partie centrale. 15 Le rotor de la machine électrique tournante selon l'invention est de plus remarquable en ce qu'un rapport R d'une première hauteur h de la partie trapézoïdale à une seconde hauteur H de la partie rectangulaire de la section des aimants, dans une direction radiale, est prédéterminé de manière à rendre maximum le rendement de la machine électrique. 20 Ce rapport est avantageusement compris entre 0,25 et 0,70. Chacune des sections polaires du rotor selon l'invention est de préférence maintenue radialement par une languette centrale se prolongeant axialement et formant cloison entre deux des premiers évidements consécutifs. Dans ce cas, une largeur L de la partie rectangulaire, dans une direction 25 circonférentielle, est prédéterminée de manière à rendre maximum le volume de chacun des aimants permanents dans une limite ao des contraintes mécaniques a supportées par cette languette en cours de fonctionnement de la machine. Plus particulièrement, le rapport des hauteurs h/H caractérisant la section des aimants est limité supérieurement en fonction d'une épaisseur E minimale 30 prédéterminée de la languette dans cette même limite ao des contraintes mécaniques a supportées par celle-ci. On tirera bénéfice du fait que les aimants permanents du rotor de machine électrique tournante selon l'invention sont constitués de ferrite. Selon une forme de réalisation particulière, le rotor selon l'invention 35 comprend en outre une pluralité de seconds évidements qui se prolongent - 4 - axialement et qui sont agencés entre les aimants permanents dans une partie intermédiaire du rotor entre la partie centrale et la partie circonférentielle. Selon encore une autre forme de réalisation particulière, la partie circonférentielle de ce rotor est ouverte radialement, au moins partiellement, en 5 regard des aimants permanents. L'invention concerne également une machine électrique tournante qui comprend un rotor présentant les caractéristiques ci-dessus. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par le rotor de machine électrique tournante selon 10 l'invention, ainsi que par la machine électrique correspondante, par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte 15 une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 montre une vue en coupe radiale simplifiée d'un rotor à aimants permanents selon l'invention. 20 La Figure 2 montre la variation du courant statorique d'une machine électrique comprenant un rotor à aimants permanents du type de celui de l'invention en fonction du rapport de hauteurs caractérisant une section radiale de ces aimants permanents pour un couple moteur constant. La Figure 3 montre la variation des contraintes mécaniques supportées en 25 cours de fonctionnement par une languette maintenant radialement une section polaire du rotor à aimants permanents du type de celui de l'invention en fonction du rapport de hauteurs caractérisant une section radiale de ces aimants permanents pour un couple moteur constant. 30 DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION. La coupe radiale simplifiée d'un rotor 1 à aimants permanents dans les modes de réalisation préférés de l'invention, représentée sur la Figure 1, montre bien l'agencement dans la masse magnétique 2 des aimants permanents 3 dans des premiers évidements 4 répartis régulièrement entre une partie circonférentielle -5- et une partie centrale 6 de manière à former une pluralité de pôles Nord N et pôles Sud S alternés. Une réalisation concrète d'une machine comprenant un tel rotor est par exemple un moteur/génératrice de 8 à 20 KW pour des applications dans des 5 véhicules automobiles du type dits «mild-hybrid». Dans son mode de fonctionnement en moteur cette machine peut être conçue pour le démarrage du moteur thermique, l'assistance en couple du moteur thermique ainsi que pour la traction électrique à faible vitesse du véhicule. Dans une forme de réalisation particulière de cette machine, un rotor 1 10 comportant dix aimants permanents 3 tourne à l'intérieur d'un stator (non représenté) ayant une pluralité d'encoches. Le stator et le rotor 1 sont réalisés de manière classique avec des paquets de tôles métalliques formant des masses magnétiques 2. Les encoches du stator sont prévues pour recevoir des bobinages 15 statoriques (non représentés) et forment entre elles une pluralité de dents statoriques. Selon les formes de réalisation, les encoches seront prévues pour loger des bobinages concentrés, bobinés sur des grosses dents, ou bien des bobinages distribués. Les bobinages statoriques sont parcourus par un courant statorique et créent 20 un champ magnétique tournant entraînant le rotor 1. Le couple moteur fourni dépend notamment de l'intensité du courant statorique Is et du flux magnétique dans le rotor 1. Ainsi que cela a été expliqué en préambule, le remplacement des aimants aux terres rares par des aimants en ferrite nécessite des aimants plus volumineux 25 pour obtenir un flux magnétique similaire dans le rotor 1. Dans la perspective de conserver un même couple moteur pour une même intensité statorique Is, le volume des aimants en ferrite doit donc être optimisé. Les rotors à concentration de flux connus de l'état de la technique comprennent généralement des barreaux aimantés de section droite rectangulaire 30 agencés dans des plans axiaux équi-angulaires. Il en résulte qu'une largeur, selon une direction circonférentielle, d'un barreau est limitée par une longueur de la corde d'un secteur circulaire d'une partie centrale du rotor, tandis que le barreau n'occupe qu'une petite partie de la masse magnétique dans la partie circonférentielle. 35 Dans le but maximiser le volume des aimants 3, l'invention propose donc de - 6 - donner à une partie de l'aimant 3 proche de la partie centrale 6 du rotor 1 une forme en coin. De la sorte une section radiale d'un aimant 3 dans le rotor 1 présente une partie sensiblement trapézoïdale 7 proche de la partie centrale du rotor 1 et une 5 partie sensiblement rectangulaire 8 proche de la partie circonférentielle 5. Des essais avec des machines électriques comprenant un rotor 1 ayant des aimants 3 en forme de coin, et des simulations sur ordinateur, ont conduit l'entité inventive à considérer qu'un rapport R d'une première hauteur h de la partie trapézoïdale 7 à une seconde hauteur H de la partie rectangulaire 8, dans une 10 direction radiale, était un paramètre qui influait sur le rendement électrique d'une machine. La Figure 2 montre le courant statorique Is nécessaire pour obtenir un même couple moteur en fonction de ce rapport R des hauteurs h/H pour une machine de test. 15 On constate qu'il existe une plage de valeurs AR du rapport des hauteurs h/H, où l'intensité statorique Is est minimale: entre 0,25 et 0,7 cette intensité Is est, en effet, dans cet exemple, de l'ordre de 140 A, alors qu'elle tend rapidement vers des intensités dépassant les 175 A quand la section de l'aimant 3 tend vers une section rectangulaire (R=0). 20 Les contraintes mécaniques subies par le rotor 1 en fonctionnement ont également été prises en compte par l'entité inventive pour optimiser le volume des aimants 3. Dans la forme de réalisation particulière du rotor 1 montrée sur la Figure 1, les côtés de la partie sensiblement trapézoïdale 7 de la section des aimants 3 sont 25 situés dans des plans parallèles à des plans axiaux du rotor 1 (La grande base et la petite base étant sensiblement situées dans des plans parallèles à un plan tangentiel au rotor 1). Les premiers évidements 4 contenant les aimants 3 sont donc séparés par des languettes centrales 9 formant cloisons ayant une épaisseur E qui est choisie 30 de valeur faible pour minimiser les fuites de flux par la partie centrale 6 du rotor. Dans cette forme de réalisation particulière, l'épaisseur E est constante, mais. on notera qu'elle pourra être variable dans certaines formes de réalisation. Ces languettes 9 maintiennent radialement les sections polaires 10 circonférentielles définies dans la masse magnétique 2 par les premiers 35 évidements 4. - 7 - Les sections polaires 10 maintenant elles-mêmes radialement les aimants 3, les languettes 9 doivent présenter une résistance mécanique minimale pour résister aux efforts centripètes résultant de l'effet de la rotation du rotor 1 sur les aimants 3 et les sections polaires 10. Une largeur L des aimants 3 et l'épaisseur E des languettes 9 sont deux paramètres variant en sens inverse pour des raisons géométriques. La largueur L est donc augmentée de façon à rendre maximum le volume des aimants 3 tant que l'épaisseur E des languettes est suffisante pour leur permettre de résister aux contraintes mécaniques a. Pour les mêmes raisons géométriques, le rapport R des hauteurs h/H influe sur le niveau des contraintes mécaniques a supportées par une languette 9 comme le montre la Figure 3. Dans cet exemple, on considère que la limite ao à ne pas dépasser est environ 250 MPa. Le rapport R des hauteurs h/H ne doit donc pas dépasser une 15 valeur Ro d'environ 1. Le rotor 1 selon l'invention comprend fort avantageusement une pluralité de seconds évidements 11 agencés dans les sections polaires 10 comme le montre bien la Figure 1. Outre leur fonction de contribuer au contrôle du champ magnétique dans le 20 rotor 1, ces seconds évidements 11 diminuent la masse des sections polaires 10, et, par conséquent, diminuent les contraintes mécaniques a supportées par les languettes 9 dues à ces sections polaires 10, ce qui permet d'accroître concurremment la masse des aimants 3. Les premiers évidements 4 du rotor 1 selon l'invention comportent de 25 préférence des ouvertures 12 vers la périphérie de la masse magnétique 2. Ces ouvertures ont pour effet d'augmenter la réluctance de ces parties du circuit magnétique, et donc de limiter le flux de fuite des aimants 3, tout en contribuant également à la diminution de la masse de la partie circonférentielle 5 du rotor 1, ce qui permet d'augmenter la masse des aimants 3 tout en restant dans la 30 même limite ao des contraintes mécaniques supportées par les languettes 9. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation préférentiels décrits ci-dessus. Notamment, des aimants 3 présentant une section radiale comportant une partie rectangulaire 8 et une partie trapézoïdale 7 sont avantageusement constitués - 8 - de deux barreaux juxtaposés, l'un ayant une section droite rectangulaire et le second ayant une section droite trapézoïdale. D'autres modes de réalisation basées sur des valeurs numériques différentes de celles spécifiées ci-dessus, et correspondant à d'autres essais ou simulation de machines électriques tournantes comportant un rotor du type décrit, ne sortiraient pas du cadre de la présente invention dans la mesure où ils résultent des revendications ci-après.