Brevet FR3027468A1 — publié le 20160422

ROTOR DISCOÏDE A STRUCTURE COMPOSITE L'invention concerne un rotor discoïde à structure composite renforcée pour une machine électrique tournante à flux axial en particulier pour un moteur à flux axial. L'invention peut notamment trouver une application dans l'automobile, notamment dans la traction d'un véhicule électrique ou hybride, ou autre. Une machine électrique à flux axial comporte un rotor et un ou deux stators alimentés en courant. Le rotor et les stators sont montés autour d'un arbre tournant, lequel est solidarisé au rotor. Il est connu d'utiliser, notamment pour des applications dans le domaine du bâtiment, un rotor métallique lequel peut être relativement facile à fabriquer. Néanmoins, lorsque l'on cherche à concevoir une machine électrique compacte, il existe un risque de surchauffe du rotor à aimants permanents à cause des courants de Foucault, et en cas d'élévation de température, les flux magnétiques peuvent être perturbés de sorte que les performances risquent d'être réduites. Pour pallier à cet effet thermique indésirable, des rotors en matériau composite ont été développés. Par exemple, le document US 6 674 214 décrit une machine électrique à flux axial avec un rotor comprenant des pôles d'aimants noyés dans un support en matériau composite de sorte que la masse du rotor peut être relativement faible. Les pôles surmoulés participent à la rigidité du rotor dont le matériau composite comporte un renfort de fibres, sans orientation privilégiée des fibres. Toutefois, cette technologie de rotors en matériau composite entraîne un certain nombre de problèmes mécaniques, liés notamment à la force d'inertie et à la force centrifuge. Aussi, toujours selon le document précité, de façon à soustraire les aimants à l'action de la force centrifuge, une frette est disposée à la périphérie du rotor, qui contient un matériau à base de fibres continues. Cependant, cette structure est 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.35 Il existe donc un besoin pour un rotor en matériau composite capable de limiter au maximum les déplacements des aimants et qui puisse, en outre, être réalisé par un processus de fabrication simple et économique. A cet effet, l'objet de l'invention concerne un rotor discoïde pour une machine électrique à flux axial comprenant une pluralité de pôles d'aimants disposés sur la partie périphérique dudit rotor autour d'un élément d'arbre destiné à entraîner un arbre en rotation, les pôles d'aimants étant intégrés à un support en matériau composite, le rotor comprenant en outre une frette cylindrique disposée en partie périphérique dudit rotor pour entourer les pôles d'aimants, caractérisé en ce que la frette cylindrique est agencée de sorte à exercer un effort de précontrainte sur les pôles d'aimants sous-jacents, apte à comprimer les pôles d'aimants sous-jacents en direction de l'élément d'arbre par l'intermédiaire d'inserts disposés entre les pôles d'aimants et l'élément d'arbre. Grâce à cet agencement mettant en oeuvre la frette cylindrique précontrainte, les pôles d'aimant sont maintenus sous contrainte, par un assemblage en équilibre statique, ce qui permet de maintenir la cohésion du rotor en dynamique et ainsi de limiter les déplacements des pôles d'aimants, même à haute vitesse. Avantageusement, la frette cylindrique précontrainte est constituée d'un enroulement de fibres continues unidirectionnelles alignées dans la direction circonférentielle, l'enroulement étant effectué dans des conditions propres à provoquer l'effort de précontrainte recherché suffisamment important pour empêcher, lors de la vitesse maximale du rotor, la possibilité géométrique d'un déplacement des pôles d'aimant par rapport au support en matériau composite. Avantageusement et de manière non limitative, les fibres de la frette cylindrique précontrainte sont choisies parmi les fibres de verre ou les fibres de carbone. De préférence, les inserts disposés radialement entre les pôles d'aimants et l'élément d'arbre peuvent être réalisés en un matériau composite et comprennent une pluralité de fibres continues unidirectionnelles orientées dans le sens de l'effort de précontrainte exercé sur les pôles d'aimants. En variante, les inserts disposés radialement entre les pôles d'aimants et l'élément d'arbre peuvent être réalisés en acier ou en céramique. Avantageusement, le support en matériau composite peut comprendre un mat pré-imprégné de résine thermodurcissable à base de fibres unidirectionnelles orientées radialement. En variante, le support en matériau composite peut comprendre un mat pré-imprégné de résine thermodurcissable à base de fibres bidirectionnelles orientées radialement et transversalement. Avantageusement, la frette cylindrique précontrainte peut présenter une forme prismatique dite cylindrique polygonale. Une telle forme, par rapport à une forme cylindrique circulaire, permet de maîtriser des pertes de tension lors de l'assemblage de la frette précontrainte autour des pôles d'aimants. L'invention concerne également une machine électrique tournante à flux axial comprenant au moins un stator et un rotor discoïde tel que décrit ci-dessus. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un rotor discoïde pour une machine électrique à flux axial, notamment un rotor discoïde selon l'invention, le procédé comprenant : (i) disposer dans un moule une pluralité de pôles d'aimants et un élément d'arbre destiné à entraîner un arbre en rotation, de sorte que la pluralité de pôles d'aimants soit disposée selon une configuration en étoile en périphérie de l'élément d'arbre, (ii) disposer dans le moule une pluralité d'inserts, de sorte que la pluralité d'inserts s'étende radialement respectivement entre l'élément d'arbre et chaque pôle d'aimants de la pluralité de pôles d'aimants, (iii) installer dans le moule une frette cylindrique autour de la pluralité de pôles d'aimants apte à exercer un effort de précontrainte sur la pluralité de pôles d'aimant sous-jacente de sorte à comprimer la pluralité de pôles d'aimant sous-jacente en direction de l'élément d'arbre par l'intermédiaire de la pluralité d'inserts disposés radialement entre la pluralité de pôles d'aimants et l'élément d'arbre, (iv) déposer dans le moule, dans les espaces séparant deux pôles d'aimants adjacents, un matériau composite, le matériau composite étant assemblé et mis en forme par moulage par compression de sorte à former un support en matériau composite entre la pluralité de pôle d'aimants. Avantageusement, on réalise la frette cylindrique précontrainte avec des fibres enroulées sous tension sur un mandrin entre un flasque fixe amovible et un flasque mobile montés sur le mandrin, de sorte que lors de l'installation de la frette, le mandrin étant amené en regard du moule du côté du flasque fixe amovible, on procède au démontage de ce dernier et à la mise en place de la frette en poussant celle-ci autour de la pluralité de pôles d'aimants au moyen du flasque mobile. L'invention va maintenant être décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique partielle d'un rotor composite illustrant le déplacement des pôles d'aimants par rapport au support en matériau composite, - la figure 2 est une représentation schématique en perspective éclatée d'un rotor en matériau composite pour une machine électrique à flux axial selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une représentation schématique partielle de face d'un rotor selon un mode de réalisation de l'invention, - les figures 4 à 6 sont des vues en perspective illustrant un exemple de mise en oeuvre du procédé de fabrication d'un rotor selon l'invention ; - la figure 7 est une représentation schématique de face illustrant un détail de réalisation de la frette précontrainte selon une variante de réalisation. Dans la présente demande, on entend par direction « axiale », la direction supposée être celle de l'axe de l'arbre, c'est-à-dire la direction normale au plan du disque du rotor. La direction radiale est définie par rapport à cette direction axiale. La figure 1 illustre un rotor discoïde du type de celui décrit en préambule de la présente demande en référence à la présentation de l'état de l'art. Ainsi, le rotor discoïde 10 connu de l'état de l'art comprend une pluralité de pôles d'aimants 12 disposés sur la partie périphérique du rotor 10 autour d'un élément d'arbre 14 ou moyeu. Ces pôles d'aimants sont intégrés à un support 16 en matériau isolant et rigide afin d'assurer la tenue mécanique de l'ensemble. Le matériau utilisé à cet effet est classiquement un matériau composite comprenant une matrice polymère et des fibres disposées de façon aléatoire ou sans direction privilégiée. Comme expliqué plus haut, un tel support 16 permet de réduire les pertes dans le rotor dues aux courants de Foucault. Pour ce faire, on vient installer dans un moule la pluralité de pôles d'aimants et l'élément d'arbre, puis on vient surmouler le matériau composite comprenant la matrice polymère et les fibres disposées de façon aléatoire ou sans direction privilégiée de sorte que l'élément d'arbre et la pluralité de pôles d'aimants soient au moins partiellement noyés dans le matériau composite. Dans ce mode de réalisation, les pôles d'aimants 12 présentent une forme sensiblement trapézoïdale et le support composite 16 définit des branches ou piges 17 entre chaque pôle d'aimant 12, ces branches 17 présentant un rayon maximal égal au rayon maximal de chaque pôle d'aimant 12. Tel que visible sur la figure 1, le support 16 présente ainsi une forme étoilée. Le rotor discoïde 10 comprend en outre une couronne ou frette cylindrique 18. La frette cylindrique 18 est par exemple réalisée en un matériau avec des fibres continues. Ces fibres continues juxtaposées sont par exemple de longueur totale supérieure à 50mm. Il peut par exemple s'agir de fibres de verre, de carbone, de fibres polymères ou minérales. Les pôles d'aimants 12 sont alors maintenus radialement par la frette 18 contre laquelle ils sont directement en contact. Cette frette 18 est ainsi agencée en périphérie du rotor pour permettre de renforcer l'ensemble du rotor et, notamment d'absorber les forces centrifuges qui s'exercent sur les pôles d'aimant, telles que modélisées par les flèches F sur la figure 1. Or, à haute vitesse de rotation, par exemple pour des vitesses de rotation de l'ordre de 10 000 tr/mn, sous l'effet des forces centrifuges F, les pôles d'aimant 12 poussent la frette 18 suivant une direction radiale, jusqu'à générer une décohésion des pôles d'aimants 12 d'avec le support 16 en matériau composite. La sécurité de la fixation des pôles d'aimants n'est donc plus assurée, de sorte que de telles vitesses ne peuvent pas être atteintes dans la pratique. Les figures 2 et 3 illustrent un rotor discoïde 10' selon un mode de réalisation de l'invention, qui diffère du rotor composite de l'état de l'art par la mise en oeuvre d'une frette cylindrique 18' précontrainte radialement, destinée, au moment de l'assemblage en partie périphérique du rotor autour des pôles d'aimants 12', à exercer un effort de précontrainte dans la direction radiale, référencée F' sur la figure 3, sur les pôles d'aimants 12' sous-jacents. Ces derniers, sous l'effet de cet effort de précontrainte F' exercé par la frette cylindrique précontrainte 18', sont comprimés vers le moyeu 14' par l'intermédiaire d'inserts 19' disposés entre les pôles d'aimants 12' et le moyeu 14' et qui constituent avantageusement une réserve élastique permettant de gérer les éventuelles variations en fonction de la température de la précontrainte de frettage qui s'exerce sur les pôles d'aimants 12'. Les inserts 19' disposés entre les pôles d'aimant 12' et le moyeu 14' peuvent être réalisés en acier ou en céramique. Selon une forme de réalisation avantageuse, les inserts 19' sont réalisés en un matériau composite et comprennent une pluralité de fibres continues unidirectionnelles orientées radialement ou sensiblement radialement, c'est-à-dire préférentiellement orientées dans le sens de l'effort de précontrainte. Ainsi, par contraste avec le rotor en composite de l'état de l'art illustré à la figure 1, où les pôles d'aimants sont noyés dans le matériau composite du support avec une frette extérieure faisant simplement office d'armature pour maintenir radialement les pôles d'aimants, les pôles d'aimant 12' ne sont, ici, pas noyés dans le matériau composite et sont en outre disposés sous contrainte en étant comprimés par la frette cylindrique précontrainte 18' vers le moyeu 14' par l'intermédiaire des inserts 19' disposés entre les pôles d'aimant 12' et le moyeu 14'. Cet assemblage précontraint des pôles d'aimants 12' permet d'assurer le non déplacement radial sous l'effet des forces centrifuges des pôles d'aimants en rotation, de sorte que l'effort des forces centrifuges sur les pôles d'aimants n'est nullement repris par le support en matériau composite, au bénéfice de la cohésion de l'ensemble. L'ensemble constitué par la frette cylindrique précontrainte 18', les pôles d'aimant 12', les inserts 19' et le moyeu 14', est assemblé avant la réalisation du support en matériau composite 16', préférentiellement un matériau de type SMC (acronyme pour l'expression anglo-saxonne « Sheet Molding Compound »). Ce dernier n'est réalisé qu'au moment où ledit ensemble est assemblé et équilibré selon les principes exposés plus haut. Ainsi, lors de la réalisation du support en matériau composite 16', les pôles d'aimants 12' sont maintenus par un assemblage en équilibre statique au moyen de la frette cylindrique précontrainte 18' et cet effort de précontrainte exercé sur les pôles d'aimants 12' par la frette précontrainte 18' est transmis jusqu'au moyeu 14' par l'intermédiaire des inserts 19'. Grâce à cet agencement, lors de la réalisation du support en matériau composite 16' de type SMC, on peut prévoir de déposer, en particulier au niveau des branches 17', des fibres unidirectionnelle ou bidirectionnelles orientées suivant le besoin, et non plus disposées de façon aléatoire, de sorte à pouvoir faire travailler le matériau composite utilisé pour réaliser le support 16' de façon optimale en traction/compression (dans le sens des fibres) et ainsi de pouvoir fretter avec un certain serrage les pôles d'aimants sans remettre en cause les caractéristiques du matériau composite constituant le support 16'. En outre, la dépose du support en matériau composite 16' avec fibres orientées permet de renforcer la raideur du rotor, notamment sa raideur axiale. La frette cylindrique précontrainte 18' est préférentiellement constituée d'un enroulement de fibres continues unidirectionnelles, par exemple des fibres de verre ou de carbone, alignées dans la direction circonférentielle, l'enroulement étant effectué dans des conditions propres à provoquer l'effort de précontrainte recherché, suffisamment important pour empêcher, lors de la vitesse maximale du rotor, la possibilité géométrique d'un déplacement des pôles d'aimant par rapport au support 16' en matériau composite. Pour ce faire, on prévoit de réaliser la frette précontrainte avec des fibres enroulées sur un mandrin (présentant un rayon égal au rayon maximal Rmax des pôles d'aimants) avec une certaine tension dans la direction circonférentielle, correspondant à la tension requise pour pouvoir comprimer les pôles d'aimants du rotor composite lorsque la frette précontrainte sera assemblée avec l'ensemble pôles d'aimants, moyeu et inserts. Suivant la masse des aimants et la vitesse de rotation souhaitée du rotor (par exemple 8500tr/min), l'effort de précontrainte dans la frette doit pouvoir contenir la force centrifuge subie par les pôles d'aimants. Chaque pôle d'aimant applique une force qui peut varier par exemple de 850 daN à 1700 daN. Cet assemblage peut avantageusement être réalisé dans le moule destiné au moulage à chaud sous pression du matériau composite SMC pour la réalisation du support 16'. Ainsi, en référence à la figure 4, on installe dans un moule 20 les pôles d'aimants 12' et le moyeu 14' de sorte que les pôles d'aimants 12' soient disposés selon une configuration en étoile en périphérie du moyeu 14', à une certaine distance de celui-ci, et on installe également dans le moule 20, les inserts 19', de sorte que ces inserts 19' s'étendent radialement entre le moyeu 14' et chaque pôle d'aimants 12', respectivement. Comme expliqué précédemment, on choisit préférentiellement des inserts en matériau composite comprenant des fibres orientées dans le sens de l'effort de compression qui sera appliqué aux pôles d'aimants 12'. Dans une étape suivante, en référence à la figure 5, on vient mettre en place la frette cylindrique précontrainte 18', de forme circulaire selon l'exemple de réalisation, autour des pôles d'aimants 12', dont la surface latérale destinée à venir en contact de la frette précontrainte définit alors un contour périphérique arrondi. Pour ce faire, à l'aide de moyens appropriés agencés sur le mandrin sur lequel les fibres constituant la frette sont enroulées sous tension, on vient disposer la frette précontrainte 18' directement contre le contour périphérique arrondi des pôles d'aimants 12'. Par exemple, les fibres constituant la frette précontrainte peuvent être enroulées sous tension sur le mandrin entre un flasque fixe amovible et un flasque mobile montés sur le mandrin, de sorte que lors de la mise en place de la frette précontrainte 18', le mandrin étant amené en regard du moule du côté du flasque fixe amovible, on procède au démontage de ce dernier et à la mise en place de la frette précontrainte en poussant celle-ci autour des pôles d'aimants au moyen du flasque mobile. La flèche F' représente l'effort de précontrainte exercée par la frette 18' de façon uniforme sur chaque pôle d'aimant 12', lequel effort de précontrainte est transmis de façon uniforme par chaque pôle d'aimant 12' sur l'insert 19' inséré entre le pôle d'aimant 12' et le moyeu 14', et est enfin transmis de façon uniforme par chaque insert 19' jusqu'au moyeu 14'. Le bilan des forces mises en jeu est tel que l'équilibre statique de l'ensemble est assuré. Puis, comme illustré à la figure 6, pour la fabrication du support en matériau composite, on vient déposer dans le moule, dans les espaces séparant deux pôles d'aimants adjacents, un matériau composite de type SMC, par exemple un mat pré-imprégné de résine thermodurcissable à base de fibres dont l'orientation est privilégiée, préférentiellement à base de fibres unidirectionnelles orientées radialement. Il peut par exemple s'agir de fibres de verre ou de carbone. On vient ensuite assembler et mettre en forme ce composite par moulage par compression, consistant à fermer le moule chaud (par exemple 140°C) puis à appliquer une pression sur le composite préalablement déposé. Une telle technique peut être mise en oeuvre facilement et rapidement. En variante, on peut utiliser un mat pré- imprégné à base de fibres bidirectionnelles orientées radialement et transversalement (par rapport à l'orientation radiale). Il est ainsi possible d'orienter les fibres suivant le besoin au niveau de chaque branche du support en matériau composite réalisé. En variante, la frette cylindrique précontrainte 18' peut présenter une forme cylindrique polygonale au lieu d'une forme cylindrique circulaire. Une telle forme cylindrique polygonale permet d'éviter une perte de tension lors de l'assemblage de la frette précontrainte autour des pôles d'aimants. La surface latérale des pôles d'aimants 12' destinée à venir en contact de la frette précontrainte présente alors un contour rectiligne, comme illustré à la figure 7, contre lequel vient s'appuyer une face de la frette cylindrique polygonale, qui présente par ailleurs des faces destinées à venir en regard des branches 17' du support en matériau composite 16' séparant deux pôles d'aimants adjacents 12'. Ainsi, pour un rotor à N aimants, la frette cylindrique polygonale comprend 2N faces. Une telle forme cylindrique polygonale de la frette précontrainte 18' permet avantageusement de créer de noeuds de tension T sur chaque bord des pôles d'aimants 12', de sorte que la tension dans les fibres enroulées constituant la frette précontrainte 18' peut être conservée en regard de chaque branche du support en matériau composite avant sa dépose dans le moule.35 REVENDICATIONS1. Rotor discoïde (10') pour une machine électrique à flux axial comprenant une pluralité de pôles d'aimants (12') disposés sur la partie périphérique dudit rotor autour d'un élément d'arbre (14') destiné à entraîner un arbre en rotation, les pôles d'aimant étant intégrés à un support en matériau composite (16'), le rotor comprenant en outre une frette cylindrique (18') disposée en partie périphérique dudit rotor pour entourer les pôles d'aimant (12'), caractérisé en ce que la frette cylindrique (18') est agencée de sorte à exercer un effort de précontrainte sur les pôles d'aimant (12') sous-jacents, apte à comprimer les pôles d'aimant (12') sous-jacents en direction de l'élément d'arbre (14') par l'intermédiaire d'inserts (19') disposés radialement entre les pôles d'aimants (12') et l'élément d'arbre (14'). 2. Rotor discoïde selon la revendication 1, caractérisé en ce que la frette cylindrique précontrainte (18') est constituée d'un enroulement de fibres continues unidirectionnelles alignées dans la direction circonférentielle, l'enroulement étant effectué dans des conditions propres à provoquer l'effort de précontrainte recherché suffisamment important pour empêcher, lors de la vitesse maximale du rotor, la possibilité géométrique d'un déplacement des pôles d'aimant par rapport au support en matériau composite (16'). 3. Rotor discoïde selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres de la frette cylindrique (18') précontrainte sont choisies parmi les fibres de verre ou les fibres de carbone. 4. Rotor discoïde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les inserts disposés radialement entre les pôles d'aimants (12') et l'élément d'arbre (14') sont réalisés en un matériau composite et comprennent une pluralité de fibres continues unidirectionnelles orientées dans le sens de l'effort de précontrainte exercé sur les pôles d'aimants (12'). 5. Rotor discoïde selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les inserts disposés radialement entre les pôles d'aimants (12') et l'élément d'arbre (14') sont réalisés en acier ou en céramique. 6. Rotor discoïde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support en matériau composite(16') comprend un mat pré-imprégné de résine thermodurcissable à base de fibres unidirectionnelles orientées radialement. 7. Rotor discoïde selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le support en matériau composite (16') comprend un mat pré-imprégné de résine thermodurcissable à base de fibres bidirectionnelles orientées radialement et transversalement. 8. Rotor discoïde (10') selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la frette cylindrique précontrainte (18') présente une forme prismatique dite cylindrique polygonale. 9. Machine électrique tournante à flux axial comprenant au moins un stator et un rotor discoïde (10') selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Procédé de fabrication d'un rotor discoïde (10') pour machine électrique à flux axial, comprenant : (i) disposer dans un moule (20) une pluralité de pôles d'aimants (12') et un élément d'arbre (14') destiné à entraîner un arbre en rotation, de sorte que la pluralité de pôles d'aimants (12') soit disposée selon une configuration en étoile en périphérie de l'élément d'arbre (14'), (ii) disposer dans le moule (20) une pluralité d'inserts (19'), de sorte que la pluralité d'inserts (19') s'étende radialement respectivement entre l'élément d'arbre (14') et chaque pôle d'aimants (12') de la pluralité de pôles d'aimants, (iii) installer dans le moule une frette cylindrique (18') autour de la pluralité de pôles d'aimants apte à exercer un effort de précontrainte sur la pluralité de pôles d'aimant (12') sous-jacente de sorte à comprimer la pluralité de pôles d'aimant (12') sous-jacente en direction de l'élément d'arbre (14') par l'intermédiaire de la pluralité d'inserts disposés radialement entre la pluralité de pôles d'aimants (12') et l'élément d'arbre (14'), (iv) déposer dans le moule, dans les espaces séparant deux pôles d'aimants adjacents, un matériau composite, le matériau composite étant assemblé et mis en forme par moulage par compression de sorte à former un support en matériau composite (16') entre la pluralité de pôle d'aimants. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on réalise la frette cylindrique précontrainte (18') avec des fibres enroulées sous tension sur un mandrin entre un flasque fixe amovible et un flasque mobile montés sur le mandrin, de sorte que lors de l'installation de la frette (18'), le mandrin étant amené en regard du moule du côté du flasque fixe amovible, on procède au démontage de ce dernier et à la mise en place de la frette en poussant celle-ci autour de la pluralité de pôles d'aimants au moyen du flasque mobile.10