Brevet FR3005217A1 — publié le 20141031

Moteur électrique L'invention concerne un moteur électrique ayant un stator en forme de cylindre creux et ayant des enroulements de fil métallique disposés dans des encoches sur la face intérieure et formant un nombre de pôles et un rotor à distance du stator par un entrefer et monté tournant, des aimants permanents étant disposés dans le rotor. Elle concerne en outre un procédé de fabrication d'un moteur électrique. Les moteurs électriques servent à produire de l'énergie mécanique, habituellement de rotation, à partir de l'électricité. Dans des moteurs électriques, la force, qui est appliquée par un champ magnétique sur les conducteurs parcourus par du courant d'une bobine, est transformée en mouvement. Ils comprennent à cet effet un stator statique et un induit ou rotor, qui y est monté tournant dans des paliers adéquats. Les enroulements de bobine peuvent être mis sur le rotor ou, dans des moteurs électriques à aimants permanents à l'intérieur, sur le stator. Dans des moteurs à aimants permanents à l'intérieur, le stator a typiquement un paquet de tôles en forme de cylindre creux ayant un certain nombre d'encoches ménagées suivant la direction axiale sur la face intérieure, dans lesquelles sont mis les enroulements de fil métallique. Les enroulements de fil métallique forment ainsi une multiplicité de pôles. Plusieurs aimants permanents sont mis dans le rotor. Ils sont fabriqués typiquement en alliages de terre rare (par exemple néodyme-fer-bore, NdFeB), puisque ces alliages ont une densité d'énergie particulièrement grande de leur champ magnétique. Pour ne pas avoir de perte par courant de fuite, on choisit l'entrefer entre le stator et le rotor habituellement aussi petit que possible. On met en outre les aimants permanents aussi près que possible du diamètre intérieur du stator. Avec cependant l'inconvénient que, lors du mouvement de rotation du rotor, il se produit des pertes par remagnétisation ou des pertes de fer, puisque la densité de flux dans l'entrefer n'est pas constante, en raison de l'encochage du stator, mais pulsée (pulsation d'encoche). Comme des aimants droits au néodyme-fer-bore ont une conductivité électrique meilleure que par exemple des ferrites, on induit ainsi des courants de Foucault qui donnent des pertes de chaleur. En outre, les propriétés magnétiques des aimants deviennent moins bonnes, car ceux-ci sont sensibles à la température, ce qui se traduit par une diminution des performances électriques. On a réduit les pertes par courant de Foucault jusqu'ici en segmentant les aimants, ce qui augmente le coût de fabrication. En variante, on a utilisé des alliages pour aimants plus coûteux, dont les propriétés magnétiques sont stables en fonction de la température. L'invention vise un moteur électrique du type mentionné ci-dessus ainsi qu'un procédé, qui permettent une 30 fabrication plus simple techniquement et moins coûteuse d'un moteur électrique, tout en ayant une grande productivité. On y parvient suivant l'invention en ce que les aimants permanents sont à une distance minimum, donnée à l'avance, du diamètre intérieur du stator et la distance minimum est plus grande que la profondeur de la zone d'effet des variations de la densité de flux magnétique dans l'entrefer provoquées par le déplacement du rotor sur les encoches. L'invention part de la considération que la zone d'effet des pulsations d'encoche, c'est-à-dire des variations de densité du flux magnétique dans l'entrefer provoquées par le déplacement du rotor sur les encoches, est limitée. La zone d'effet, c'est-à-dire la zone dans laquelle des variations mesurables du champ magnétique se produisent, ne va notamment que jusqu'à une profondeur déterminée du rotor. Des courants de Foucault induits sont ainsi limités également à cette zone d'effet et ne se produisent plus à partir d'une profondeur déterminée dans le rotor. On peut maintenant empêcher des pertes des performances électriques dues à des élévations de température induites par courants de Foucault dans les aimants permanents, en mettant les aimants permanents à l'extérieur de cette zone d'effet, c'est-à-dire, contrairement aux modes de construction habituels jusqu'ici, non directement au bord de l'entrefer, mais bien plutôt profondément dans le rotor au sein du paquet de tôles du rotor. Si l'on observe une distance minimum au diamètre intérieur du stator, de sorte que les aimants permanents se trouvent en dehors de la zone d'effet des variations du champ magnétique, des courants de Foucault ne sont pas produits dans les aimants et il ne s'y crée pas de perte de chaleur supplémentaire. Dans un mode de réalisation avantageux, la distance minimum est plus grande que az: 2 X nur. B étant la largeur de l'encoche dans le plan du diamètre intérieur du stator. Comme les encoches s'étendent habituellement dans les directions axiales, la largeur se rapporte à la largeur d'encoche, transversalement à la W direction axiale, c'est-à-dire azimutale. Des calculs du champ montrent que, pour une distance minimum ainsi choisie, les aimants se trouvent à l'extérieur de la zone d'effet des pulsations d'encoche. Dans un autre mode de réalisation avantageux, la distance 15 minimum est plus petite que B étant la largeur de l'encoche dans le plan du diamètre intérieur du stator, N étant le nombre des encoches du stator, fhax étant la fréquence de rotation possible 20 maximum mécaniquement du rotor et p est le nombre des pôles. La fréquence de rotation possible au maximum mécaniquement se rapporte à la fréquence de rotation, qui est possible au maximum en observant des sécurités correspondantes, sans mettre en danger l'intégralité 25 mécanique du moteur électrique. Certes, théoriquement, des distances minimum encore plus grandes au diamètre intérieur du stator sont encore possibles aussi, elles ont toutefois des inconvénients techniques en ce qui 3005217 concefne la puissance et la vitesse de rotation. On ne devrait donc pas dépasser la distance minimum mentionnée. L'invention vise aussi un procédé de fabrication d'un moteur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend les 5 stades suivants : - on ménage des encoches sur la face intérieure d'un stator en forme de cylindre creux, - on met dans les encoches des enroulements de fil métallique formant un nombre de pôles, - on met dans le stator un rotor tournant et à distance par un entrefer, - on détermine la profondeur de la zone d'effet des variations de la densité de flux magnétique dans l'entrefer provoquées par le déplacement du rotor Sur les encoches, - on prescrit une distance minimum au diamètre intérieur du stator, qui est plus grande que la profondeur déterminée et - on met des aimants permanents dans le rotor à la distance minimum, donnée à l'avance, du diamètre intérieur du stator. De manière avantageuse, la détermination de la profondeur de la zone d'effet des variations de la densité de flux magnétique dans l'entrefer provoquées par le déplacement du rotor sur les encoches comprend un calcul des champs magnétiques dans le rotor. Au moyen d'un calcul de champ adéquat, par exemple par des méthodes numériques sur ordinateur, on peut déterminer la zone d'effet spécifiquement pour le moteur 30 électrique. On peut prescrire ainsi une distance minimum exacte pas trop grande, à laquelle des courants de Foucault par pulsations d'encoche dans les aimants permanents sont empêchés. Dans un mode de réalisation avantageux en variante ou 5 supplémentaire, la distance minimum se trouve au-dessus ou en dessous des valeurs représentées par les formules déjà mentionnées ci-dessus. On fabrique avantageusement un moteur électrique par le procédé décrit. 10 Un véhicule automobile comprend avantageusement un moteur électrique de ce type. Un moteur électrique de ce type, ayant des aimants permanents à l'intérieur, convient en effet particulièrement bien pour une utilisation dans un véhicule automobile électrique, qui a une zone 15 d'atténuation du champ marquée et un bon facteur de puissance à un régime maximum. Cela est obtenu par une grande part de couple de réluctance. Par la distance minimum mentionnée des aimants permanents au diamètre intérieur du stator, on améliore le rendement du moteur 20 et ainsi la puissance et l'autonomie du véhicule automobile électrique. Les avantages procurés par l'invention résident notamment dans le fait qu'en mettant des aimants permanents à l'intérieur dans des moteurs électriques dans des régions 25 plus profondes du paquet de tôles du rotor, on diminue les pertes par courant de Foucault dans les aimants permanents et on minimise ainsi la détérioration des performances électriques par échauffement des aimants en raison de la pulsation d'encoche. Certes, les pertes de fer dans le paquet de tôles augmentent par ces mesures, mais il s'avère que les pertes supplémentaires et l'échauffement qui s'ensuit de la tôle électrique à la surface du rotor a un effet meilleur qu'un échauffement direct des aimants. Somme toute, un rotor constitué comme décrit est comparativement plus froid. Cela est renforcé par le bon couplage thermique de la tôle électrique à l'entrefer. Le flux calorifique sortant ou allant aux aimants est diminué par des résistances de transition supplémentaires, comme par exemple de la colle ou du scellement. Les performances du moteur électrique sont améliorées par les aimants plus froids, ce qui se traduit par un rendement plus grand et une puissance maximum plus grande. En outre, les coûts des aimants diminuent, puisque l'on peut utiliser des alliages d'aimant, plus instables en fonction de la température et ainsi moins coûteux. L'invention sera explicitée d'une manière plus précise au moyen d'un dessin. Dans lequel : la figure 1 est une coupe en partie radiale-azimutale du stator d'un moteur électrique à aimants permanents à l'intérieur, la figure 2 est une coupe en partie radiale-azimulate d'un moteur électrique avec une représentation de la zone d'effet des pulsations d'encoche au régime maximum et la figure 3 est la coupe avec une représentation de la zone d'effet des pulsations d'encoche en marche à vide. Les mêmes parties sont munies des mêmes repères dans toutes les figures. La figure 1 représente en partie une coupe d'une partie d'un moteur 1 électrique, à savoir du stator 2. Le stator 2 est de type en forme de cylindre creux. Sur la face 4 intérieure de la partie, formant la surface latérale cylindrique, du stator 2 sont ménagées en tout N encoches 6. Les encoches 6 s'étendant dans la direction axiale sont constituées de la même façon et sont réparties uniformément sur le pourtour du stator 2. Elles ont un fond arrondi et se rétrécissent à leur entrée 8. L'entrée 8 est dans le plan du diamètre d intérieur du stator 2 et y a la largeur B mesurée dans la direction périphérique. Dans les encoches 6, sont mis des enroulements 10 de fil métallique, qui remplissent les encoches 6 jusqu'à peu en dessous de l'entrée 8. Les enroulements 10 de fil métallique forment un nombre p de pôles. Des enroulements 10 de fil métallique, qui sont associés à des phases différentes, sont représentés aux figures par des hachures différentes. La partie restante du stator 2 est constituée d'un paquet de tôles. La figure 2 montre par rapport à la figure 1 supplémentairement en partie le rotor 12 du moteur 1 électrique. Le rotor 12 est constitué également d'un paquet de tôles, dans lequel sont introduits des aimants 14 permanents rectangulaires en coupe transversale. La figure 2 montre à titre d'exemple une paire d'aimants 14 permanents, qui sont disposés d'une manière symétrique comme en un miroir par rapport à un plan radial-axial et qui sont inclinés par rapport au plan. Les aimants 14 permanents sont en un matériau ayant un grand produit énergétique magnétique, par exemple en un composé NdFeB. Entre le rotor 12 et le stator 2 est formé un entrefer 16, qui a une forme en type de surface latérale cylindrique. Les aimants 14 permanents ne sont pas directement voisins de l'entrefer 16, mais sont décalés dans la profondeur du paquet de tôles du rotor 12. La distance minimum des aimants 14 permanents au diamètre d W intérieur du stator 2 est déterminée au moyen de calculs de champ. Elle est choisie de manière à ce que les variations de champs magnétiques, produites par des pulsations d'encoche lors de la rotation du rotor 12 dans le stator 2, n'atteignent pas, en ce qui concerne sa zone 15 18 d'effet, les aimants 14 permanents. La zone 18 d'effet des pulsations d'encoche est représentée à la figure 2 pour la fréquence finax de rotation possible au maximum mécaniquement de 13000 tours à la minute. Comme le montre la figure 2, la zone 18 20 d'effet ne va pas jusqu'aux aimants 14 permanents. La figure 2 représente en outre deux distances M1 et M2 minimum. On a et 2 - mn-1 num 25 num . Les aimants 14 permanents sont, dans l'exemple de réalisation, mis à une distance MU minimum du diamètre d à l'intérieur du stator 2. Une distance minimum de ce genre donne l'assurance que les aimants 14 permanents se trouvent à l'extérieur de la zone d'effet des pulsations d'encoche. Des distances minimum plus grandes sont possibles, elles ne devraient toutefois pas être plus grandes que M2. La figure 3 montre finalement la même représentation que la figure 2, mais dans ce cas, la zone 18 d'effet des pulsations d'encoche est montrée en marche à vide en étant d'environ 1000 tours à la minute. La zone 18 d'effet est dans ce cas plus petite que dans la figure 2 et n'atteint pas non plus les aimants 14 permanents. Le moteur 1 électrique représenté peut être utilisé pour par exemple la traction d'un véhicule automobile.15 REVENDICATIONS1. Moteur (1) électrique comprenant un stator (2) en forme de cylindre creux et ayant des enroulements (10) de fil métallique disposés dans des encoches (6) sur la face (4) intérieure et formant un nombre de pôles et un rotor (12), à distance du stator (2) par un entrefer (16) et monté tournant, des aimants (14) permanents étant disposés dans le rotor (12), caractérisé en ce que les aimants (14) permanents sont à une distance (M1, M2) minimum, donnée à l'avance, du diamètre (d) intérieur du stator (2) et la distance (M1, M2) minimum est plus grande que la profondeur de la zone (18) d'effet des variations de la densité de flux magnétique dans l'entrefer (16) provoquées par le déplacement du rotor (12) sur les encoches (6). 2. Moteur (1) électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la distance (M1) minimum est plus grande que étant la largeur de l'encoche (6) dans le plan du diamètre (d) intérieur du stator (2). 3. Moteur (1) électrique suivant la revendication 1 ou 25 2, caractérisé en ce que la distance (142) minimum est plus petite queB étant la largeur de l'encoche (6) dans le plan du diamètre (d) intérieur du stator (2), N étant le nombre des encoches (6) du stator (2), firiax étant la fréquence de rotation possible maximum mécaniquement du rotor (12) et p est le nombre des pôles. 4. Procédé de fabrication d'un moteur (1) électrique, caractérisé en ce qu'il comprend les stades suivants : - on ménage des encoches (6) sur la face (4) intérieure d'un stator (2) en forme de cylindre creux, - on met dans les encoches (6) des enroulements (10) de fil métallique formant un nombre de pôles, on met dans le stator (2) un rotor (12) tournant et à distance par un entrefer (16), - on détermine la profondeur de la zone (18) d'effet des variations de la densité de flux magnétique dans l'entrefer (16) provoquées par le déplacement du rotor (12) sur les encoches (16), - on prescrit une distance (M1, M2) minimum au diamètre (d) intérieur du stator (2), qui est plus grande que la profondeur déterminée et on met des aimants (14) permanents dans le rotor (12) à la distance (M1, M2) minimum donnée à l'avance du diamètre (d) intérieur du stator (2). 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la détermination de la profondeur de la zone (18) d'effet des variations de la densité de flux magnétique dans l'entrefer (16) provoquées par le déplacement du rotor (12) sur les encoches (6) comprend un calcul des champs magnétiques dans le rotor (12). 6. Procédé suivant l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la distance (Mi) minimum est plus étant la largeur de grande alle l'encoche (6) dans le plan du diamètre (d) intérieur du 5 stator (12). 7. Procédé suivant l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la distance (M2) minimum est plus petite que 10 B étant la largeur de l'encoche (6) dans le plan du diamètre (d) intérieur du stator (2), N étant le nombre des encoches (6) du stator (2), fmax étant la fréquence de rotation possible maximum mécaniquement du rotor (12) 15 et p est le nombre des pôles. 8. Moteur (1) électrique fabriqué par le procédé suivant l'une des revendications 4 à 7. 20 9. Véhicule automobile ayant un moteur (1) électrique suivant l'une des revendications 1 à 3 ou 8.