Brevet FR3018146A1 — publié le 20150904

Rotor pour machine électrique tournante comprenant des moyens de précontrainte d'aimants, et procédé de montage associé La présente invention concerne le domaine des machines électriques tournantes dont le rotor intérieur comprend des aimants permanents. Plus particulièrement, l'invention concerne les machines électriques dans lesquelles les aimants sont disposés dans des évidements ou logements du rotor. Ce type de machine électrique est communément désigné par l'expression "à aimants enterrés". Ce principe d'agencement du rotor est largement appliqué pour les machines électriques synchrones autopilotées à concentration de flux. Le dimensionnement d'une machine électrique tournante dépend de son couple nominal. Plus le couple qu'un moteur électrique est capable de délivrer est élevé, plus ce moteur est volumineux. Il existe pourtant des applications pour lesquelles il est désirable d'atteindre à la fois des puissances importantes et une grande compacité du moteur. Par exemple, lorsque l'on souhaite implanter des moteurs électriques de traction dans les roues de véhicules automobiles, il est souhaitable de pouvoir développer des puissances valant au moins 10 kW par moteur, et même la plupart du temps au moins 25 ou 30 kW par moteur, pour un poids le plus faible possible Il est également désirable que l'encombrement du moteur électrique soit aussi très réduit, dépassant le moins possible le volume intérieur de la roue pour ne pas interférer avec les éléments du véhicule lors de débattements de suspension et lors d'autres types de mouvements de la roue par rapport à la caisse du véhicule. Ces impératifs (puissance élevée, encombrement et masses faibles) rendent très problématique l'implantation de moteurs électriques de traction dans les roues de véhicules de tourisme, sauf à améliorer radicalement le rapport poids/puissance des machines électriques actuellement disponibles sur le marché. Le choix d'une vitesse élevée pour un moteur électrique lors de sa conception est une solution permettant, à puissance donnée, de diminuer le couple, donc l'encombrement. Autrement dit, pour une puissance nominale donnée du moteur électrique, plus grande est sa vitesse de rotation nominale, plus faible sera son encombrement. Une conception spécifique pour atteindre de grandes vitesses de rotation a déjà été proposée dans la demande de brevet EP-A1-1 001 507. Les vitesses visées dans cette demande de brevet sont de l'ordre de 12000 tours/min, en proposant pour cela un agencement particulier de la machine électrique qui comprend un arbre polygonal, des pièces polaires formées par un empilage de tôles magnétiques et disposées autour de cet arbre, et des aimants permanents montés dans des logements délimités entre les pièces polaires. Des perfectionnements permettant de viser des vitesses de rotation encore plus élevées et de l'ordre à 20000 tours/min ont été proposés dans les demandes de brevet FR-A1-2 839 211 et WO-A2- 2010/020335. Dans ce but, des cales sont prévues pour bloquer radialement les aimants dans leurs logements. Les machines électriques tournantes décrites dans ces demandes de brevet ont pour inconvénients de présenter un nombre élevé de pièces à assembler et de nécessiter des opérations d'usinage sur les pièces polaires pour permettre le montage des cales de blocage. Par ailleurs, dans une machine électrique tournante, des jeux de montage sont généralement prévus entre les aimants et les logements associés. Avec de tels jeux, lorsque la vitesse de rotation augmente, les vibrations mécaniques et acoustiques générées ainsi que l'équilibrage du rotor peuvent devenir problématiques. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Plus particulièrement, la présente invention vise à prévoir un rotor intérieur à aimants enterrés pour machine électrique tournante présentant un risque limité de génération de vibrations et un équilibrage satisfaisant. La présente invention vise également à prévoir un rotor de conception simple, présentant un nombre de composants réduit et facile à assembler. Dans un mode de réalisation, le rotor pour machine électrique tournante comprend une pluralité de tôles réalisées en matière magnétique, superposées selon un axe d'empilage et délimitant chacune une pluralité de logements, et une pluralité d'aimants disposés à l'intérieur des logements. Le rotor comprend en outre des moyens de précontrainte formés sur les tôles et exerçant des efforts de précontrainte sur les aimants pour bloquer lesdits aimants à l'intérieur des logements. La prévision des moyens de précontrainte permet d'immobiliser les aimants à l'intérieur des logements formés sur les tôles. Ceci permet de réduire fortement les vibrations mécaniques et acoustiques et d'obtenir un rotor présentant un bon équilibrage. En outre, les moyens de précontrainte sont formés directement sur les tôles. Ainsi, le rotor présente un nombre de composants limité et facile à assembler. Avantageusement, chaque moyen de précontrainte s'étend en saillie à l'intérieur d'un des logements et vient en appui contre l'aimant associé. De préférence, chaque moyen de précontrainte est dimensionné de sorte à être déformé et recourbé au moins en partie par contact avec l'aimant associé. Dans un mode de réalisation, les moyens de précontrainte sont formés sur les tôles pour bloquer les aimants à l'intérieur des logements selon des directions transversales à l'axe d'empilage des tôles. Un bord de chaque aimant peut avantageusement être monté en appui contre un épaulement s'étendant à l'intérieur du logement associé. Des ergots peuvent être formés sur les tôles pour délimiter chacun un des épaulements. Les moyens de précontrainte peuvent être situés radialement du côté opposé aux épaulements par rapport aux aimants. De préférence, les moyens de précontrainte tendent à plaquer les aimants contre les épaulements. Selon une disposition préférée, les épaulements sont situés radialement du côté extérieur du rotor. Dans un mode de réalisation, les moyens de précontrainte comprennent des pattes déformables. De préférence, les moyens de précontrainte d'une tôle sont décalés dans le sens circonférentiel par rapport aux moyens de précontrainte de la ou des tôles adjacentes. Dans un mode de réalisation préféré, chaque tôle présente une forme générale annulaire, est réalisée en une seule pièce et délimite un évidement continu dans le sens circonférentiel pour le passage d'un arbre. Le rotor peut également comprendre deux flasques d'extrémité enserrant axialement les tôles et les aimants. Au moins un des flasques d'extrémité peut comprendre un évidement à l'intérieur duquel s'étend au moins en partie un des moyens de précontrainte. L'invention concerne également une machine électrique tournante comprenant un stator, un rotor tel que défini précédemment monté à l'intérieur du stator, et un arbre de support dudit rotor. L'invention concerne encore un procédé de montage d'un rotor pour machine électrique tournante tel que défini précédemment, dans lequel on introduit axialement les aimants à l'intérieur des logements des tôles, et on précharge les moyens de précontrainte lors de l'introduction des aimants par contact direct avec lesdits aimants. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe en perspective d'un rotor pour machine électrique tournante selon un exemple de réalisation de l' invention, - la figure 2 est une vue en coupe en perspective du rotor de la figure 1 sur laquelle un premier flasque latéral a été retiré, - la figure 3 est une vue en perspective du rotor de la figure 1 sur laquelle un second flasque latéral a également été retiré, - la figure 4 est une vue de dessus d'une des tôles du rotor de la figure 1, - la figure 5 est une vue de détail de la figure 1, et - la figure 6 est une vue de détail de la figure 3. Sur les figures 1 et 2, on a représenté un exemple de réalisation d'un rotor intérieur, référencé 10 dans son ensemble, prévu pour une machine électrique tournante. Le rotor 10 est illustré dans une position supposée verticale et présente un axe X-X' de rotation. Le rotor 10 comprend une pluralité de tôles 12 réalisées en matière magnétique et superposées le long d'un axe d'empilage coaxial à l'axe X-X', des aimants 14 permanents s'étendant axialement à l'intérieur de l'empilement de tôles, et deux flasques latéraux 16, 18 annulaires supérieur et inférieur montés axialement en appui contre les tôles 12 et les aimants 14. Les flasques latéraux 16, 18 sont situés axialement de chaque côté des tôles 12. Pour des raisons de clarté, des hachures ont seulement été portées pour les flasques latéraux 16, 18 sur les figures 1 et 2. Le rotor 10 comprend également un arbre cylindrique (non représenté) coaxial à l'axe X-X' et sur lequel sont montés les tôles 12 ainsi que les flasques latéraux 16 et 18, et des tirants d'assemblage (non représentés) coopérant avec lesdits flasques pour enserrer axialement l'empilage de tôles 12. Les tirants d'assemblage traversent axialement les tôles 12. Chaque flasque latéral 16, 18 présente un évidement 16a, 18a axial de forme et de dimension adaptées à celles de l'arbre. Les aimants 14 présentent une forme générale parallélépipédique. Chaque aimant 14 est délimité axialement par des faces latérales 14a, 14b radiales opposées montées axialement en appui contre les flasques latéraux 16, 18. La face latérale 14a supérieure, respectivement 14b inférieure, de chaque aimant affleure avec la face supérieure, respectivement inférieure, de la tôle 12 supérieure, respectivement inférieure, de l'empilage. Chaque aimant 14 est délimité transversalement par des bords interne 14c et externe 14d. Les tôles 12 sont empilées axialement les unes relativement aux autres de manière à ce que les faces principales de deux tôles adjacentes soient axialement en appui l'une contre l'autre. La tôle 12 supérieure, respectivement inférieure, vient axialement en appui contre le flasque latéral 16, respectivement 18. Chaque tôle 12 présente une forme générale cylindrique annulaire et est centrée sur l'axe X-X'. Chaque tôle 12 comprend un évidement 12a axial annulaire prévu pour le passage de l'arbre et prolongeant axialement les évidements 16a, 18a des flasques latéraux, et un bord externe 12b axial annulaire. L'évidement 12a forme un bord interne de la tôle. Chaque tôle 12 s'étend radialement par rapport à l'axe X-X'. Les tôles 12 sont identiques entre elles et présentent une épaisseur relativement faible, par exemple de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres, par exemple de 0,4 mm. Comme illustré aux figures 2 à 4, chaque tôle 12 comprend une pluralité de logements 12c, 12d de forme générale rectangulaire et présentant des longueurs différentes de sorte à pouvoir recevoir des aimants 14 de tailles différentes. Chaque logement 12c, 12d est associé à un aimant 14 et est délimité par deux parois longitudinales en regard et par des bords interne et externe reliant lesdites parois. Les logements 12c forment sur chaque tôle 12 un premier groupe permettant le montage d'aimants 14 de grande dimension, et les logements 12d forment sur ladite tôle un second groupe permettant le montage d'aimants 14 de petite dimension. Les aimants 14 de grande et de petite dimensions sont respectivement identiques entre eux. Les logements 12c, 12d sont prévus pour permettre le montage des aimants 14 de façon enterrée à l'intérieur de l'empilement de tôles 12 du rotor 10. Dans l'exemple de réalisation illustré, les logements 12c de grande dimension sont agencés par paires, identiques entre elles et espacées les unes par rapport aux autres de manière régulière dans le sens circonférentiel. Les paires de logements 12c sont ici au nombre de six. Les logements 12c d'une paire sont symétriques entre eux en considérant un plan axial médian de la tôle passant entre lesdits logements. Chaque logement 12c s'étend sensiblement radialement à partir du voisinage de l'évidement 12a jusqu'au voisinage du bord externe 12b de la tôle 12 associée. Les logements 12d de petite dimension sont également agencés par paires identiques entre elles et espacées les unes par rapport aux autres de manière régulière dans le sens circonférentiel. Les paires de logements 12d sont ici au nombre de six. Les logements 12d d'une paire sont disposés circonférentiellement de part et d'autre d'une paire de logements 12c en étant sensiblement parallèles les uns par rapport aux autres. Les logements 12d d'une paire sont symétriques entre eux en considérant le plan axial médian de la tôle passant entre les logements 12c associés. Chaque logement 12d s'étend à partir d'une zone centrale de la tôle 12 jusqu'au voisinage du bord externe 12b. Chaque logement 12c, 12d débouche axialement de part et d'autre de la tôle 12. Chaque logement 12c, 12d traverse axialement l'épaisseur de la tôle 12. Chaque tôle 12 comprend également une pluralité d'ergots 20 s'étendant chacun circonférentiellement à l'intérieur d'un des logements 12c de grande dimension et situé à proximité du bord externe dudit logement. Chaque ergot 20 s'étend transversalement par rapport à l'axe X-X' à partir d'une des parois longitudinales du logement 12c associé vers l'autre paroi longitudinale. Chaque ergot 20 délimite un épaulement à l'intérieur du logement 12c associé contre lequel vient sensiblement radialement en appui l'aimant. L'épaulement de chaque logement 12c forme une surface d'appui pour le bord externe 14d dudit aimant qui est orientée vers l'intérieur. De façon similaire, chaque tôle 12 comprend une pluralité d'ergots 22 s'étendant chacun circonférentiellement à l'intérieur d'un des logements 12d de petite dimension à proximité du bord externe dudit logement. Chaque ergot 22 s'étend transversalement par rapport à l'axe X-X' à partir d'une des parois longitudinale du logement 12d associé vers l'autre paroi longitudinale. Chaque ergot 22 délimite un épaulement à l'intérieur du logement 12d associé contre lequel est monté en appui le bord externe 14d de l'aimant associé. Les ergots 20, 22 sont prévus pour bloquer un déplacement des aimants 14 radialement vers l'extérieur sous l'effet d'efforts centrifuges. Les faces longitudinales des aimants 14 sont en appui dans le sens circonférentiel contre les parois longitudinales des logements 12c, 12d. Chaque tôle 12 comprend encore des languettes ou pattes 24, 26 s'étendant chacune à l'intérieur d'un des logements 12c, 12d et venant en appui contre le bord interne 14c de l'aimant associé. Chaque patte 24, respectivement 26, s'étend à partir du bord interne d'un des logements 12c de grande dimension, respectivement 12d de petite dimension, en saillie à l'intérieur dudit logement. Chaque patte 24, 26 s'étend transversalement par rapport à l'axe X-X' en étant sensiblement parallèle aux parois longitudinales du logement associé. Dans l'exemple de réalisation illustré, quatre pattes 24, respectivement 26, sont prévues sur chaque tôle 12. Deux des pattes 24 sont disposées de façon adjacente dans le sens circonférentiel pour le logement 12c d'une paire de logements telle que définie précédemment et pour le logement 12c de la paire successive. Les deux autres pattes 24 sont diamétralement opposées à celles-ci. Les pattes 26 sont disposées sur les logements 12d situés circonférentiellement entre les logements 12c pourvus des pattes 24. La longueur des pattes 24, 26 est adaptée de sorte que, lors du montage axial des aimants 14 à l'intérieur des logements 12c, 12d des tôles, lesdites pattes se déforment par contact axial avec les aimants 14, comme cela est illustré plus visiblement aux figures 5 et 6. Les pattes 24, 26 sont recourbées selon le sens d'introduction des aimants 14 et viennent chacune transversalement en appui contre le bord interne 14c de l'aimant associé. Dans l'exemple de réalisation illustré, les pattes 24, 26 sont recourbées vers le flasque latéral 18 inférieur. Après montage des aimants 14, une partie de chaque patte 24, 26 est décalée axialement par rapport au reste de la tôle 12 associée, i.e. s'étend hors du plan de ladite tôle. Chaque tôle 12 peut avantageusement être réalisée en une seule pièce, par exemple par emboutissage, découpe et pliage. Les pattes 24, 26 et les ergots 20, 22 sont réalisés monoblocs avec la tôle 12 associée. En d'autres termes, les pattes 24, 26 et les ergots 20, 22 sont formés directement sur la tôle 12 associée. Les tôles 12 sont empilées le long de l'axe X-X' de sorte que les logements 12c, 12d délimités sur chacune des tôles soient alignés axialement les uns relativement aux autres et forment une pluralité de logements s'étendant chacun de façon continue dans le sens axial. Dans l'exemple de réalisation illustré, chaque tôle 12 est décalée angulairement de 60 degrés par rapport à la tôle 12 précédente de l'empilement afin de décaler les pattes 24, 26 de chaque tôle 12 dans le sens circonférentiel par rapport aux pattes 24, 26 des tôles immédiatement adjacentes. Ainsi, les pattes 24 ou 26 venant en appui sur un même aimant 14 sont espacées axialement les unes par rapport aux autres, avec un espacement axial régulier correspondant à l'épaisseur de deux tôles 12. Chaque aimant 14 est bloqué transversalement contre les ergots 20 ou 22 par une pluralité de pattes 24 ou 26 alignées axialement et formant une rangée axiale. Les pattes 24, 26 maintiennent immobilisés les aimants 14 grâce à leur élasticité. L'effort axial à exercer pour permettre l'introduction et le coulissement de chaque aimant 14 à l'intérieur des logements 12c, 12d des tôles empilées est limité. La faible épaisseur des pattes 24, 26 pliable favorise leur fléchissement ou déformation. Une pluralité d'évidements 28 est ménagée sur la face supérieure du flasque latéral 18. Chaque évidement 28 est situé axialement sous chaque rangée de pattes 24 ou 26 de sorte à permettre la déformation de la patte 24 ou 26 inférieure de l'empilement sans contact avec le flasque latéral 18. Dans la position montée des aimants, chaque patte 24, 26 déformée en appui contre le bord interne 14c de l'aimant associé exerce un effort permanent de précontrainte sur ledit aimant. Cet effort de précontrainte ou précharge est appliqué selon une direction transversale à l'axe d'empilage des tôles 12. Chaque patte 24, 26 tend à repousser et à précontraindre l'aimant 14 contre l'ergot 20, 22 associé. Cet effort de précontrainte permet d'immobiliser en permanence les aimants 14 à l'intérieur des logements 12c et 12d selon des directions transversales à l'axe d'empilage des tôles 12. Chaque patte 24, 26 formée sur chaque tôle 12 forme un moyen de précontrainte sur l'aimant 14 associé. Chaque aimant 14 est bloqué transversalement d'un côté par les pattes 24, 26 associées et de l'autre côté contre les ergots 20, 22. Les aimants 14 sont en contact direct sur les pattes 24, 26 et sur les ergots 20, 22. Chaque aimant 14 est immobilisé axialement par les flasques latéraux 16, 18. Chaque tôle 12 comprend également une pluralité d'évidements 30 de forme cylindrique ménagés à proximité du bord externe 12b et prévus pour permettre le passage des tirants d'assemblage. Chaque tôle 12 comprend encore une pluralité d'évidements 32 de forme rectangulaire ménagés à proximité de l'évidement 12a et prévus pour limiter les fuites magnétiques du rotor 10. Les évidements 30, respectivement 32, sont ici répartis de manière régulière dans le sens circonférentiel les uns par rapport aux autres. Dans l'exemple de réalisation illustré, les ergots 20, 22 prévus pour s'opposer à la centrifugation des aimants 14 sont situés radialement du côté extérieur des tôles 12, et les pattes 24, 26 sollicitant vers l'extérieur les aimants en direction de ces ergots sont situées du côté intérieur des tôles. Alternativement, il est possible de prévoir une disposition inversée des ergots et des pattes, i.e. les ergots situés radialement du côté intérieur des tôles et les pattes situées du côté extérieur et exerçant des efforts de précontrainte dirigés vers 1 ' intérieur. Cependant, avec une telle disposition, il est nécessaire de dimensionner les pattes de sorte à ce qu'elles résistent aux sollicitations des aimants dus aux efforts de centrifugation. En outre, la distance radiale entre les aimants et le bord externe du rotor augmente, ce qui réduit les performances de la machine électrique associée. Dans l'exemple de réalisation illustré, il est représenté un agencement particulier des pattes déformables sur les tôles de sorte à limiter les efforts d'introduction à appliquer axialement pour le montage des aimants à l'intérieur de l'empilement de tôles. Alternativement, il est possible de prévoir un agencement différent des pattes sur chaque tôle. Par exemple, il pourrait être possible de prévoir un empilement des tôles pour lequel chaque patte associée à un aimant est décalée dans le sens circonférentiel par rapport à la patte de chaque tôle adjacente agissant sur le même aimant. Dans une autre variante de réalisation, il pourrait encore être possible de prévoir une patte pour chaque logement de chaque tôle. Bien entendu, avec une telle disposition, les efforts axiaux nécessaires à l'introduction des aimants augmentent fortement. REVENDICATIONS1. Rotor pour machine électrique tournante caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de tôles (12) réalisées en matière magnétique, superposées selon un axe d'empilage et délimitant chacune une pluralité de logements (12c, 12d), une pluralité d'aimants (14) disposés à l'intérieur des logements, et des moyens de précontrainte (24, 26) formés sur les tôles (12) et exerçant des efforts de précontrainte sur les aimants pour bloquer lesdits aimants à l'intérieur des logements. 2. Rotor selon la revendication 1, dans lequel chaque moyen de précontrainte (24, 26) s'étend en saillie à l'intérieur d'un des logements (12c, 12d) et vient en appui contre l'aimant (14) associé. 3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque moyen de précontrainte (24, 26) est dimensionné de sorte à être déformé et recourbé au moins en partie par contact avec l'aimant (14) associé. 4. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de précontrainte (24, 26) sont formés sur les tôles (12) pour bloquer les aimants à l'intérieur des logements (12c, 12d) selon des directions transversales à l'axe d'empilage des tôles. 5. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un bord (14d) de chaque aimant (14) est monté en appui contre un épaulement s'étendant à l'intérieur du logement associé. 6. Rotor selon la revendication 5, dans lequel des ergots (20, 22) sont formés sur les tôles (12) et délimitent chacun un des épaulements. 7. Rotor selon la revendication 5 ou 6, dans lequel les moyens de précontrainte (24, 26) sont situés radialement du côté opposé aux épaulements par rapport aux aimants (14). 8. Rotor selon la revendication 7, dans lequel les moyens de précontrainte (24, 26) tendent à plaquer les aimants (14) contre les épaulements. 9. Rotor selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel les épaulements sont situés radialement du côté extérieur dudit rotor. 10. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de précontrainte (24, 26) comprennent des pattes déformables. 11. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de précontrainte (24, 26) d'une tôle sont décalés dans le sens circonférentiel par rapport aux moyens de précontrainte (24, 26) de la ou des tôles adjacentes. 12. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque tôle (12) présente une forme générale annulaire, est réalisée en une seule pièce et délimite un évidement (12a) continu dans le sens circonférentiel pour le passage d'un arbre. 13. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre deux flasques d'extrémité (16, 18) enserrant axialement les tôles (12) et les aimants (14). 14. Machine électrique tournante comprenant stator, un rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes monté à l'intérieur du stator, et un arbre de support dudit rotor. 15. Procédé de montage d'un rotor pour machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel on introduit axialement les aimants à l'intérieur des logements des tôles, et on précharge les moyens de précontrainte lors de l'introduction des aimants par contact direct avec lesdits aimants.