Brevet FR3033095A1 — publié le 20160826

Dispositif de fixation des aimants dans un rotor de machine électrique discoïde L'invention concerne une structure de rotor pour une machine électrique discoïde à aimants permanents. Des machines électriques à structure discoïde sont bien connues. Ces machines peuvent être synchrones, asynchrones ou à courant continu. Elles fonctionnent en générateur ou en moteur. De façon générale, elles sont constituées d'au moins un disque rotor et un disque stator. Une telle machine comporte classiquement au moins un stator en forme de disque, ainsi qu'un rotor également en forme de disque, monté autour d'un moyeu destiné à entraîner un arbre en rotation dont l'axe de rotation coïncide avec l'axe du disque stator, le disque rotor comportant une pluralité d'éléments magnétiques, un élément magnétique comportant au moins un aimant permanent, régulièrement repartis autour de l'axe. Les rotors des machines électriques discoïdes à aimants permanents sont particulièrement fins, typiquement de l'ordre du centimètre. Aussi, compte tenu de cet encombrement et pour des raisons de tenue mécanique, il n'est pas possible d'intégrer au rotor une structure classique en paquets de tôle pour supporter les éléments magnétiques. Par ailleurs, une structure en métal massif, en plus des coûts élevés d'une telle structure (inox austénitique, usinage, etc.) génère des pertes importantes, qui nuisent au rendement de la machine. Or, les éléments magnétiques peuvent être soumis à des efforts de fatigue importants, induits notamment par la rotation, lors du fonctionnement de la machine électrique. Aussi, il est important de bien fixer chaque élément magnétique aussi solidement que possible, afin d'assurer un bon fonctionnement et d'éviter une usure importante des éléments, dû aux efforts de fatigue et aux vibrations lors de la rotation du disque rotor. Une solution courante consiste alors à utiliser une structure en matériau composite pour supporter les éléments magnétiques du rotor, les avantages découlant de l'utilisation d'une telle structure de support en matériau composite étant nombreux, puisqu'il s'agit d'un matériau à la fois amagnétique, non conducteur et léger. Par exemple, un système connu consiste à fixer chaque élément 3033095 2 magnétique sur le rotor, par collage, en utilisant des résines époxy. Cependant, un inconvénient majeur concerne la tenue mécanique des éléments magnétiques sous efforts de centrifugation sévères. En effet, un tel système de fixation présente un risque de décollage important, notamment dû 5 au fait que le type de collage bi-matière mis en oeuvre entre les aimants et le matériau composite est peu fiable sous des sollicitations de traction. Dans ces conditions, une fois les éléments magnétiques séparés du matériau composite, en fonctionnement, les contraintes passent dans la structure composite de fixation et conduisent rapidement à la ruine du rotor. 10 On connaît du document de brevet US7579744, une structure de rotor dans laquelle les aimants sont assemblés serrés un par un sur une chape respective, les chapes étant ensuite assemblées à un moyeu. Cette solution est toutefois relativement complexe en raison du nombre de pièces et des différentes étapes d'assemblage qu'elle implique. Elle est en outre susceptible 15 de générer des vibrations du fait des pôles d'aimants indépendants qui sont fixés localement. Enfin, les zones de fixation sont des surfaces perdues pour les aimants ce qui nuit à la performance de la machine. On connaît aussi du document US2013043756 le principe de disposer une frette serrée à la périphérie du rotor, qui contient un matériau à base de 20 fibres continues et qui permet d'appliquer une précontrainte aux aimants dans la direction radiale afin de les soustraire à l'action de la force centrifuge. Cependant, cette solution nécessite une épaisseur de rotor suffisante pour limiter les déformations liées à ladite précontrainte appliquée par la frette, car sinon ces déformations génèrent un défaut d'entrefer et sont particulièrement 25 préjudiciables en termes de vibrations. Cette structure est en outre insuffisante à procurer une tenue mécanique optimale des aimants et, particulier, ne permet pas d'exclure tout risque de déplacement radial des aimants en rotation sous l'action des forces centrifuges, en particulier à de très grandes vitesses. 30 Dans ce contexte, il existe un besoin pour optimiser la tenue mécanique d'un rotor de machines électriques discoïdes à aimants permanent lors de la 3033095 3 rotation du rotor, tout en conservant un rotor qui soit compact et qui présente un encombrement et une masse réduite. A cette fin, l'invention concerne un rotor de machine électrique discoïde à aimants permanents comprenant une première et une deuxième faces planes 5 opposées circulaires, le rotor comprenant une pluralité d'éléments magnétiques régulièrement repartis autour d'un moyeu central, chaque élément magnétique comportant au moins un aimant permanent et ayant sensiblement la forme d'un prisme droit dont les deux bases sont placées respectivement dans les deux faces du rotor et dont la hauteur est parallèle à 10 l'axe longitudinal du moyeu, chaque base d'un prisme étant délimitée par un segment périphérique intérieur, un segment périphérique extérieur, et deux segments radiaux reliant les extrémités des segments périphériques intérieur et extérieur, le rotor comprenant des moyens de fixation des éléments magnétiques au rotor aptes à assurer une précontrainte dans la direction 15 radiale entre les éléments magnétiques et le moyeu, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation sont constitués d'au moins une fibre enroulée sous tension qui est en prise avec le moyeu et disposée radialement au moyeu pour s'enrouler autour de chaque élément magnétique en prenant appui sur le segment périphérique extérieur de manière à accoupler chaque élément 20 magnétique et le moyeu l'un à l'autre pendant la rotation du moyeu. De préférence, ladite au moins une fibre est enroulée autour de chaque élément magnétique en une pluralité de spires agencées alternativement d'un côté et de l'autre du moyeu dans une direction axiale de sorte que deux spires consécutives forment entre elles un angle non nul dans la direction axiale. Un 25 tel agencement est particulièrement favorable pour assurer la rigidité du rotor dans la direction axiale. Avantageusement, le rotor comprend des moyens de blocage en tension de la fibre aptes à maintenir un effort de tension longitudinal auquel a été soumise la fibre pendant l'enroulement. 30 De préférence, le rotor est au moins partiellement noyé dans une matrice de type résine thermodurcissable. 3033095 4 De préférence, le rotor comprend des éléments d'insert positionnés au niveau des zones de contact entre le segment périphérique intérieur des éléments magnétiques et le moyeu. Avantageusement, le segment périphérique extérieur de chaque élément 5 magnétique comporte une gorge agencée pour recevoir et guider la fibre enroulée. L'invention concerne également une machine électrique discoïde à aimants permanents comprenant au moins un stator et un rotor tel que décrit ci-dessus. 10 L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un rotor de machine électrique discoïde à aimants permanents, notamment un rotor selon l'invention, comprenant : répartir régulièrement une pluralité d'éléments magnétiques autour d'un moyeu central, chaque élément magnétique comportant au moins un aimant 15 permanent et ayant sensiblement la forme d'un prisme droit, chaque base d'un prisme étant délimitée par un segment périphérique intérieur, un segment périphérique extérieur, et deux segments radiaux reliant les extrémités des segments périphériques intérieur et extérieur, enrouler sous tension au moins une fibre qui est en prise avec le moyeu 20 et disposée radialement au moyeu autour de chaque élément magnétique en prenant appui sur le segment périphérique extérieur de manière à accoupler chaque élément magnétique et le moyeu l'un à l'autre pendant la rotation du moyeu. Avantageusement, le procédé peut comprendre : 25 maintenir en position les éléments magnétiques pendant l'enroulement, soumettre la fibre, pendant l'enroulement, à un effort de tension longitudinal, mesurer un effort de maintien en position des éléments magnétiques dans la direction axiale pendant l'enroulement, 30 asservir l'effort de tension longitudinal auquel est soumis la fibre pendant l'enroulement à l'effort de maintien en position mesuré, de sorte à obtenir une 3033095 5 contrainte axiale nulle s'appliquant aux éléments magnétiques lorsque le maintien en position des éléments magnétiques est libéré. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de 5 l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux figures annexée dans lesquelles : - la Figure 1 est une vue de face d'un rotor selon un mode de réalisation de l'invention ; - la Figure 2 est une vue en coupe, dans un plan radial axial indiqué en 1-1 10 sur la figure 1. Dans la présente demande, on entend par direction « axiale », la direction supposée être celle de l'axe de l'arbre tournant auquel est solidarisé le rotor, c'est-à-dire la direction normale au plan du disque du rotor. La direction radiale est définie par rapport à cette direction axiale. 15 Un rotor 10 d'une machine électrique discoïde à aimants permanents est représenté schématiquement à la figure 1. Il présente une forme générale de disque apte à tourner autour d'un axe de rotation X et comprend une pluralité d'éléments magnétiques 12, régulièrement repartis, à intervalles réguliers, autour de l'axe X dans le plan radial du rotor 10, selon des rayons du rotor 10. 20 Les éléments magnétiques 12 sont par exemple montés par insertion sur un moyeu 11 du rotor 10, de forme globalement annulaire et apte à recevoir et entraîner un arbre tournant en rotation autour de l'axe X. Chaque élément magnétique 12 comporte un ou plusieurs aimants permanents 13 et présente sensiblement la forme d'un prisme droit 120 dont 25 les deux bases sont placées respectivement dans les deux faces planes opposées circulaires du disque rotor 10 et dont la hauteur est parallèle à l'axe X, chaque base d'un prisme étant délimitée par un segment périphérique intérieur 121, un segment périphérique extérieur 122, et deux segments radiaux, respectivement 123 et 124, reliant les extrémités des segments 30 périphériques intérieur 121 et extérieur 122, ces segments périphériques intérieur et extérieur étant disposés sensiblement respectivement sur deux cercles concentriques. 3033095 6 Conformément à l'invention, les éléments magnétiques 12 du rotor 10 sont enroulés dans une fibre 14 radialement autour du moyeu 11. On utilise par exemple une fibre de verre. Cette fibre 14 est enroulée sous tension en étant en prise avec le moyeu 11 et étant disposée radialement au moyeu 11 5 pour s'enrouler autour de chaque élément magnétique 12 en s'étendant sensiblement le long des segments radiaux et en prenant appui sur le segment périphérique extérieur 122, de manière à accoupler chaque élément magnétique 12 et le moyeu 11 l'un à l'autre pendant la rotation du moyeu. La fibre 14 est maintenue sous tension pendant son enroulement autour du 10 moyeu 11 et de chaque élément magnétique 12, de sorte à assurer, une fois enroulée, une précontrainte radiale entre les éléments magnétiques 12 et le moyeu 11. A la fin de l'enroulement, la fibre est maintenue sous tension. Ainsi, une fois assemblés, les éléments magnétiques 12 sont maintenus sous contrainte par la fibre 14 enroulée radialement autour du moyeu 11, ce qui 15 permet de maintenir la cohésion du rotor en dynamique et ainsi de prévenir les déplacements des éléments magnétiques 12, même à haute vitesse. Le rotor 10 est complètement ou, de préférence, au moins partiellement noyé dans une matrice de type résine thermodurcissable. Avantageusement, les faces des éléments magnétiques 12, placées respectivement dans les 20 deux faces planes opposées circulaires du disque rotor 10, sont prévus pour rester découvertes. En particulier, à la fin de l'enroulement, la résine peut être injectée dans les volumes creux séparant deux éléments magnétiques adjacents du rotor, de façon à obtenir une pièce compacte et homogène. La résine injectée permet en outre de figer géométriquement l'ensemble et fait 25 avantageusement office de moyens de blocage en tension de la fibre permettant de maintenir la fibre en tension à la fin de l'enroulement. Comme on le voit mieux sur la vue en coupe de la figure 2 suivant le plan de coupe 1-1 de la figure 1, qui illustre le rotor 10 dans le plan radial axial, le segment périphérique extérieur 122 de l'élément magnétique 12 est pourvu 30 d'une gorge 125 dans laquelle la fibre 14 est destinée à être insérée et participant ainsi au guidage de la fibre 14 lors de son enroulement. La partie 3033095 7 du moyeu 11 autour duquel est enroulée la fibre 14 peut également être pourvue d'une gorge de guidage. Dans un mode de réalisation, la fibre 14 est enroulée autour de chaque élément magnétique 12 en une pluralité de spires, par exemple deux spires 5 141, 142, comme illustré à la figure 2, ces spires étant agencées alternativement d'un côté et de l'autre du moyeu 11 dans une direction axiale de celui-ci, de sorte que les deux spires 141, 142 forment entre elles un angle a non nul dans la direction axiale. Autrement dit, les deux spires consécutives 141, 142 s'étendent vers le moyeu 11 le long du segment radial 123 à partir de 10 l'extrémité du segment périphérique extérieur 122 dans deux directions divergentes dans le plan radial axial présentant un angle a non nul pour former une structure en treillis triangulaire assurant la rigidité structurelle au rotor dans la direction axiale. Dans un mode de réalisation, des éléments d'insert peuvent être 15 positionnés au niveau des zones de contact du rotor, en particulier au niveau des zones de contact entre le segment périphérique intérieur 121 des éléments magnétiques 12 et le moyeu 11. A noter que pendant la phase d'enroulement de la fibre sous tension et d'injection de la résine, les éléments magnétiques peuvent avantageusement 20 être maintenus en position. Ainsi, les éléments magnétiques peuvent être positionnés entre eux par des reliefs, pions ou tout autre moyen de mise en position. Lors de la phase d'enroulement, au cours de laquelle la fibre est soumise à un effort de tension longitudinal, on prévoit préférentiellement d'asservir en 25 temps réel cet effort de tension à une mesure d'effort de réaction axiale des éléments magnétiques, autrement dit à la mesure de l'effort de maintien en position dans la direction axiale des éléments magnétiques, de sorte à obtenir idéalement une contrainte axiale nulle pour limiter les déformations du rotor lorsque le maintien en position des éléments magnétiques est libéré. 30 L'invention peut notamment trouver une application dans l'automobile, notamment dans la traction d'un véhicule électrique ou hybride, ou autre et, de manière plus générale, peut s'appliquer à toute machine électrique de type 3033095 8 discoïde, par exemple de type éolienne et plus généralement à toutes machines électriques nécessitant une puissance élevée dans un encombrement réduit. 5 REVENDICATIONS1. Rotor (10) de machine électrique discoïde à aimants permanents comprenant une première et une deuxième faces planes opposées circulaires, le rotor comprenant une pluralité d'éléments magnétiques (12) régulièrement repartis autour d'un moyeu central (11), chaque élément magnétique (12) comportant au moins un aimant permanent (13) et ayant sensiblement la forme d'un prisme droit dont les deux bases sont placées respectivement dans les deux faces du rotor et dont la hauteur est parallèle à l'axe longitudinal (X) du moyeu (11), chaque base d'un prisme étant délimitée par un segment périphérique intérieur (121), un segment périphérique extérieur (122), et deux segments radiaux (123, 124) reliant les extrémités des segments périphériques intérieur et extérieur, le rotor (10) comprenant des moyens de fixation des éléments magnétiques au rotor aptes à assurer une précontrainte dans la direction radiale entre les éléments magnétiques et le moyeu, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation sont constitués d'au moins une fibre (14) enroulée sous tension qui est en prise avec le moyeu (11) et disposée radialement au moyeu (11) pour s'enrouler autour de chaque élément magnétique (12) en prenant appui sur le segment périphérique extérieur (122) de manière à accoupler chaque élément magnétique (12) et le moyeu (11) l'un à l'autre pendant la rotation du moyeu. 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une fibre (14) est enroulée autour de chaque élément magnétique (12) en une pluralité de spires (141, 142) agencées alternativement d'un côté et de l'autre du moyeu (11) dans une direction axiale de sorte que deux spires consécutives (141, 142) forment entre elles un angle non nul (a) dans la direction axiale. 3. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de blocage en tension de la fibre aptes à maintenir un effort de tension longitudinal auquel a été soumise la fibre pendant l'enroulement. 3033095 10 4. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor (10) est au moins partiellement noyé dans une matrice de type résine thermodurcissable. 5. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce qu'il comprend des éléments d'insert positionnés au niveau des zones de contact entre le segment périphérique intérieur (121) des éléments magnétiques (12) et le moyeu (11). 6. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le segment périphérique extérieur (122) de chaque 10 élément magnétique (12) comporte une gorge (125) agencée pour recevoir et guider la fibre (14) enroulée. 7. Machine électrique discoïde à aimants permanents comprenant au moins un stator et un rotor (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 15 8. Procédé de fabrication d'un rotor (10) de machine électrique discoïde à aimants permanents, comprenant : répartir régulièrement une pluralité d'éléments magnétiques (12) autour d'un moyeu central (11), chaque élément magnétique (12) comportant au moins un aimant permanent (13) et ayant sensiblement la forme d'un prisme 20 droit, chaque base d'un prisme étant délimitée par un segment périphérique intérieur (121), un segment périphérique extérieur (122), et deux segments radiaux (123, 124) reliant les extrémités des segments périphériques intérieur et extérieur, enrouler sous tension au moins une fibre (14) qui est en prise avec le 25 moyeu (11) et disposée radialement au moyeu (11) autour de chaque élément magnétique (12) en prenant appui sur le segment périphérique extérieur (122) de manière à accoupler chaque élément magnétique (12) et le moyeu (11) l'un à l'autre pendant la rotation du moyeu. 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant : 30 maintenir en position les éléments magnétiques (12) pendant l'enroulement, 3033095 11 soumettre la fibre (14), pendant l'enroulement, à un effort de tension longitudinal, mesurer un effort de maintien en position des éléments magnétiques (12) dans la direction axiale pendant l'enroulement, 5 asservir l'effort de tension longitudinal auquel est soumis la fibre (14) pendant l'enroulement à l'effort de maintien en position mesuré, de sorte à obtenir une contrainte axiale nulle s'appliquant aux éléments magnétiques (12) lorsque le maintien en position des éléments magnétiques est libéré. 10 15 20