Brevet FR3023995A1 — publié le 20160122

Rotor de machine électrique à flux axial L'invention concerne un rotor de machine électrique à flux axial. Les véhicules électriques et hybrides nécessitent l'usage de moteurs électriques capables de délivrer un fort couple spécifique et présentant un encombrement axial aussi réduit que possible. Les moteurs à aimants permanents à flux axial permettent d'obtenir un rotor relativement compact. Il existe un besoin pour un rotor de machine électrique encore plus compact, notamment au niveau du diamètre, et notamment pour des applications à couple spécifique relativement important. A cet effet, l'objet de l'invention concerne un rotor de machine électrique à flux axial, qui comprend : - un enroulement principal en forme de discoïde épais qui définit une direction radiale, une direction ortho-radiale et une direction axiale, qui définit une face circonférentielle externe et deux faces latérales, et qui définit une pluralité d'encoches réparties à intervalles réguliers sur ladite face circonférentielle externe ; - pour chaque encoche de la pluralité d'encoches, un aimant permanent installé dans ladite encoche, ledit aimant permanent présentant un pôle nord à une extrémité nord définissant une première surface de pôle et un pôle sud à une extrémité sud opposée à l'extrémité nord définissant une deuxième surface de pôle ; pour chaque encoche, l'aimant permanent correspondant est installé de telle sorte que les deux surfaces de pôle s'étendent dans un plan perpendiculaire à la direction ortho-radiale de l'enroulement principal ; et pour deux encoches adjacentes, les deux aimants permanents correspondants sont insérés dans chaque encoche de sorte qu'une surface de pôle du premier aimant permanent soit en regard d'une surface de pôle du deuxième aimant permanent de même polarité, de manière à générer un pôle rotorique, de même polarité que les deux surfaces de pôle en regard l'une de l'autre, sur une portion de chacune des faces latérales de l'enroulement principal, dite portion de pôle rotorique. Ainsi on peut obtenir une machine relativement compacte et simple à fabriquer. Avantageusement, les surfaces de pôle des aimants permanents peuvent être maintenues à distance de l'entrefer, séparant le rotor du stator dans une direction axiale, ainsi on peut limiter les risques de démagnétisation des aimants permanents. Les courants de Foucault peuvent être mieux filtrés par l'épaisseur de l'enroulement principal séparant les surfaces de pôles des aimants permanents de l'entrefer. Ainsi on peut limiter les pertes liées aux perturbations électromagnétiques que subit le rotor. La partie de pôle rotorique peut être définie comme une zone de convergence des flux magnétiques de deux aimants adjacents sur la face latérale de l'enroulement principal. Pour deux aimants permanents adjacents, la portion de pôle rotorique d'une face latérale de l'enroulement principal peut être délimitée par les deux plans dans lesquels s'étendent les deux surfaces de pôle en regard l'une de l'autre. Avantageusement et de manière non limitative, pour deux aimants permanents adjacents, pour chaque face latérale, le rapport entre une valeur de superficie d'une surface de pôle d'un aimant permanent et une valeur de superficie de la portion de pôle rotorique correspondante est supérieure à 1, et par exemple supérieure ou égale à 1,2. Ainsi on peut obtenir une relativement bonne performance du rotor, et un couple relativement important, pour un volume de rotor relativement compact. Avantageusement et de manière non limitative, au moins un aimant permanent inséré dans une encoche peut présenter une forme de parallélépipède rectangle. Ainsi les aimants permanents peuvent être relativement peu coûteux. Les aimants permanents peuvent aussi présenter toute forme adaptée pour s'insérer dans une encoche du rotor, par exemple cubiques, trapézoïdaux ou tout autre forme géométrique que peut prendre un aimant permanent. Avantageusement et de manière non limitative, au moins un aimant permanent peut comprendre plusieurs corps d'aimants permanents empilés suivant la direction radiale de l'enroulement principal. Ainsi ces aimants peuvent être relativement efficaces. Les aimants peuvent aussi être accolés les uns aux autres, par exemple dans la direction ortho-radiale ou dans la direction axiale de l'enroulement principal. Avantageusement de manière non limitative, les corps aimants permanents peuvent être collés les uns aux autres. Ainsi, ils peuvent présenter une relativement bonne tenue les uns par rapport aux autres. Avantageusement de manière non limitative, les corps aimants permanents peuvent être isolés les uns des autres, de manière à réduire la circulation d'éventuels courants de Foucault dans leur matière. Avantageusement et de manière non limitative, le rotor peut comprendre un cerclage qui vient recouvrir la face circonférentielle externe de l'enroulement principal pour maintenir les aimants permanents dans les encoches. Ainsi le rotor peut être relativement solide. Le cerclage peut être en un matériau métallique, par exemple en un matériau métallique amagnétique, en matériau polymère, ou en tout autre matériau qui convient. En particulier, le rotor peut relativement bien maintenir les aimants permanents en place dans les encoches lors de la rotation du rotor, soumettant les aimants à des efforts de centrifugation relativement importants. Le rotor peut comprendre un moyeu de transmission mécanique inséré dans une ouverture centrale de l'enroulement principal. Avantageusement et de manière non limitative, le rotor peut comprendre une pluralité de piges de fixation, solidarisées à la face circonférentielle de l'enroulement principal, traversant l'enroulement, et solidarisées au moyeu de transmission mécanique de manière à maintenir l'enroulement principal solidaire du moyeu de transmission mécanique. Ainsi on peut obtenir une relativement bonne tenue du moyeu avec l'enroulement. En particulier, l'enroulement peut être relativement bien solidarisé avec le cerclage. Les piges de fixation peuvent être en un matériau métallique, par exemple en un matériau métallique amagnétique, en matériau polymère, ou en tout autre matériau qui convient. L'enroulement permanent peut définir, pour chaque encoche dans laquelle est insérée un aimant permanent, une partie de pont magnétique, correspondant à la partie de l'enroulement principal comprise entre une face latérale de l'enroulement principal et une face latérale de l'encoche et délimitée par deux plans dans lesquels s'étendent les deux surfaces de pôle de l'aimant permanent correspondant. La partie de pont magnétique peut comprendre une rainure s'étendant dans une direction radiale de l'enroulement principal et de longueur, selon la direction ortho-radiale, inférieure à la longueur de la face latérale de l'encoche. Autrement dit, le pont magnétique peut avoir une forme sensiblement en créneau, comprenant une partie épaisse et une partie fine. La partie fine du pont magnétique peut s'étendre sur une longueur pouvant être de 50% à 80% de la longueur du pont magnétique selon la direction ortho-radiale de l'enroulement principal. Les rainures peuvent être, par exemple, usinées après que l'enroulement ait été réalisé. Ainsi on peut minimiser les flux de fuite correspondants au rebouclage du flux présent entre deux aimants permanents dans l'enroulement principal. L'invention concerne aussi une machine électrique à flux axial comprenant un rotor tel que décrit précédemment. L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant une machine électrique à flux axial telle que décrite précédemment. L'invention est maintenant décrite en référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un moteur de machine électrique flux axial selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un rotor de machine électrique selon ce mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un aimant permanent pour un rotor de machine électrique selon ce mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue latérale d'un rotor de machine électrique à flux axial selon ce mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue en perspective d'une machine électrique à flux axial selon ce mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue schématique d'un rotor de machine électrique à flux axial selon ce mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 7 est une vue schématique du dessus d'un enroulement principal d'un rotor de machine électrique à flux axial selon ce mode de réalisation. Dans la présente description, les termes avant, arrière, supérieur, inférieur, font référence aux directions avant et arrière du véhicule. Les axes X, Y, Z, correspondent respectivement à l'axe longitudinal (d'avant en arrière), transversal et vertical du véhicule. Par sensiblement horizontal, longitudinal ou vertical, on entend une direction/un plan formant un angle d'au plus ±20°, voire d'au plus 10° ou d'au plus 5° avec une direction/un plan horizontal, longitudinal ou vertical. Par sensiblement parallèle, perpendiculaire ou à angle droit, on entend une direction/un angle s'écartant d'au plus ±20°, voire d'au plus 10° ou d'au plus 5° d'une direction parallèle, perpendiculaire ou d'un angle droit. Des références identiques pourront être utilisées dans des figures différentes pour désigner des éléments similaires. Les figures 1 à 7 étant relatives à un même mode de réalisation, elles seront commentées simultanément. Un rotor 2 d'une machine électrique à flux axial 1, aussi appelée machine discoïde 1, comprend un enroulement principal 4 en forme de discoïde épais. L'enroulement principal 4 est ici un enroulement de tôle électrique composé de 156 spires enroulées, chaque spire étant isolée des spires adjacentes par une couche d'époxy. L'enroulement principal 4 définit en chaque point une direction radiale dr, une direction ortho-radiale dr., et une direction axiale da, ces trois directions forment les axes pour une base ortho-normale permettant de définir en chaque point l'enroulement principal 4. La direction axiale da correspond à la direction dans laquelle s'étend l'axe de rotation de l'enroulement principal 4 ; la direction radiale dr est la direction d'une droite qui, en un point de l'enroulement principal 4, passe par le centre de l'enroulement et par le point concerné ; et la direction ortho-radiale do est la troisième direction pour former une base ortho-normale. La direction ortho-radiale do correspond sensiblement à la direction tangentielle à la surface de l'enroulement principal 4. L'enroulement principal 4 définit une face circonférentielle externe 6 et deux faces latérales 8. L'enroulement principal 4 définit une pluralité d'encoches 10 réparties à intervalles réguliers sur la face circonférentielle externe 6. Chaque encoche 10 à une section rectangulaire dans le sens perpendiculaire au rayon de l'enroulement principal 4. Ici, les encoches 10 traversent de part en part l'enroulement principal 4 dans la direction radiale dr. Les encoches 10 ont une section rectangulaire de sensiblement 25 mm selon la direction axiale da et de sensiblement 10 mm selon la direction ortho-radiale d,.. Chaque encoche 10 de l'enroulement principal 4 reçoit un aimant permanent 12. Chaque aimant permanent 12 présente un pôle nord à une extrémité nord définissant une première surface 14 de pôle et un pôle sud définissant une deuxième surface 15 de pôle à une extrémité sud opposée à l'extrémité nord. Autrement dit, un aimant permanent 12 comprend deux surfaces opposées 14, 15, une première surface 14 définissant le pôle nord, et une deuxième surface 15 définissant le pôle sud. Pour chaque encoche 10, l'aimant permanent 12 correspondant est installé de telle sorte que les deux surfaces de pôle 14, 15 s'étendent dans un plan perpendiculaire à la direction ortho-radiale do de l'enroulement principal 4. Autrement dit, l'aimant permanent 12 est inséré dans l'encoche 10 de telle sorte que les vecteurs normaux de la première et de la deuxième surface de pôle 14, 15 sont sensiblement colinéaire avec la direction ortho-radiale do de l'enroulement principal 4. Les aimants permanents 12 ont une forme et des dimensions sensiblement complémentaires à l'encoche 10 correspondante. Autrement dit, les aimants permanents 12 présentent une section rectangulaire de dimension sensiblement comparable à la section rectangulaire de l'encoche 10, et une hauteur sensiblement correspondante à la profondeur de l'encoche 10 correspondante. Autrement dit, un aimant permanent 12 est installé dans une encoche 10 correspondante, de telle sorte qu'il est entièrement inséré dans l'encoche 10 ; l'aimant permanent 12 ne présentant aucune partie en saillie de l'enroulement principal 4. Pour deux encoches 10 adjacentes, les deux aimants permanents 12 correspondants sont insérés dans les encoches 10 respectives, de manière à ce qu'une surface de pôle 14, 15 du premier aimant permanent 12 soit en regard d'une surface de pôle 14, 15 du deuxième aimant permanent 12 de même polarité, de manière à générer un pôle rotorique sur une portion de pôle rotorique 20 de l'enroulement principal 4, le pôle rotorique étant de même polarité que les deux surfaces de pôle 14, 15 en regard l'une de l'autre. La portion de pôle rotorique 20 s'étend sur une portion de chacune des faces latérales 8 de l'enroulement principal 4. La superficie de la portion de pôle rotorique 20 entre deux aimants permanents adjacents 14, 15 est définie par exemple selon une valeur correspondant à ±10% de la formule suivante (formule 1): ( 2 Dext - Dint )*[ 4p ir(Dext - Dint) Sg = [ epm] dans laquelle : o Sg correspond à la superficie de la portion de pôle rotorique 20 ; o Dext correspond au diamètre extérieur de l'enroulement principal 4 ; o Dint correspond au diamètre intérieur de l'enroulement principal 4 ; o p correspond au nombre de pôles rotoriques du rotor de la machine à flux axiale 1 ; et o epm correspond à l'épaisseur des aimants permanents 12. Le rapport x,p pour deux aimants permanents 12 adjacents, appelée coefficient de concentration de flux magnétique, entre la valeur de la surface d'un des aimants permanents 12 et la portion de pôle rotorique 20 correspondant peut être obtenu notamment par la formule suivante (formule 2) : Lpm X(P = ir(Dext + Dint) epm4p dans laquelle : o Lpm correspond à la longueur axiale des aimants, correspondant sensiblement à la longueur dans la direction axiale da de la section rectangulaire des encoches 10. o Dext correspond au diamètre extérieur de l'enroulement principal 4 ; o Dint correspond au diamètre intérieur de l'enroulement principal 4 ; et o ep,,, correspond à l'épaisseur des aimants permanents 12. Nous cherchons avantageusement à obtenir x,p > 1,2. Les aimants permanents 12 ont ici une forme de parallélépipède rectangle. Avantageusement, les aimants permanents 12 en forme de parallélépipède rectangle sont relativement standard et leur coût de fabrication est relativement faible. En référence à la figure 3, les aimants permanents 12 comprennent plusieurs corps d'aimant 30 permanents empilés suivant la direction radiale dr de l'enroulement principal 10 ici cinq corps d'aimants 30 superposés suivant la direction radiale dr de l'enroulement principal. Les corps d'aimant 30 sont collés les uns aux autres et isolés les uns des autres. Ainsi on peut réduire les courants de Foucault pouvant circuler à l'intérieur des aimants permanents 12. Il est possible de superposer un plus grand nombre de corps d'aimant 30 de plus petite taille, par exemple entre cinq et vingt corps d'aimant 30 de plus petite taille, pour réduire l'effet des courants de Foucault à l'intérieur des aimants permanents 12. Le rotor 2 comprend un cerclage 40 qui vient recouvrir la face circonférentielle 6 de l'enroulement principal 4 pour maintenir les aimants permanents 12 dans les encoches 10. Autrement dit le cerclage 40 permet de maintenir les aimants permanents 12 dans les encoches 10 lorsque le rotor 2 est en rotation sur lui-même, et donc que les aimants permanents 12 sont soumis à une force centrifuge relativement élevée, le rotor 2 tournant à des vitesses pouvant atteindre par exemple 7000 tours/minute. Le rotor 2 comprend un moyeu de transmission 50 mécanique inséré dans une ouverture centrale de l'enroulement principal 4. Le rotor 2 comprend des piges de fixation 54, en matériau métallique amagnétique , ici en acier inoxydable, solidarisées à la face circonférentielle 6 de l'enroulement principal 4, traversant l'enroulement principal 4, dans la direction radiale dr de l'enroulement principal 4, et solidarisées au moyeu de transmission 54 de manière à maintenir l'enroulement principal 4 solidaire du moyeu de transmission 50 mécanique. Autrement dit, les piges de fixation 54 pénètrent par la face circonférentielle externe 6 de l'enroulement principal 4 et sont traversantes radialement de manière à venir s'insérer dans le moyeu de transmission 50 qui est lui-même inséré dans l'ouverture centrale de l'enroulement principal 4. Pour deux encoches 10 consécutives, une pige de fixation 54 traverse la face circonférentielle externe 6 à une position centrale entre les deux encoches 10 consécutives. Il y a donc autant de piges de fixation 54 que d'encoches 10 dans l'enroulement principal 4. En référence à la figure 7, une partie de pont magnétique 70, aussi appelée pont magnétique 70, sépare, dans la direction axiale da, un aimant permanent 12 inséré dans une encoche 10 de l'entrefer 74 compris entre le stator 3 et le rotor 2. Autrement dit, la partie de pont magnétique 70 est une zone épaisse de l'enroulement principal 4 séparant un aimant permanent 12 de l'entrefer 74. Le pont magnétique 70 s'étend sur toute la hauteur de l'aimant permanent 12 et donc sur toute la hauteur de l'encoche 10 selon la direction radiale dr de l'enroulement principal 6. Le pont magnétique définit une largeur sensiblement égale à la largeur de l'encoche dans la direction ortho-radiale de l'enroulement principal 4. Ainsi, pour chaque aimant permanent 12, un pont magnétique 70 est défini du côté de la face latérale 8 de l'enroulement principal 4 en vis-à-vis du stator 3 associé. Avantageusement, la machine électrique 1 comprend deux stators 3, chacun en vis-à-vis avec une face latérale 8 de l'enroulement principal 12 ; chaque aimant permanent 12 étant alors séparé des deux entrefers, par deux ponts magnétiques 70 de part et d'autre de l'aimant permanent 12. Les ponts magnétiques 70 comprennent des rainures 72 qui s'étendent radialement sur les faces latérales 8 de l'enroulement principal 12, de sorte que l'épaisseur du pont magnétique est réduite sur une partie selon la direction ortho-radiale d.. Ainsi on peut minimiser les flux de fuite correspondant au rebouclage du flux entre deux aimants adjacents dans l'enroulement, dit aussi fer rotorique. Autrement dit, chaque pont magnétique 70 a une forme de créneau dont une partie épaisse est d'environ 2 mm et une partie fine d'environ 0.5 mm, ce qui correspond à une rainure 72 d'environ 1.5 mm d'épaisseur. La rainure s'étend, selon la direction ortho-radiale d., sensiblement au milieu de la largeur du pont magnétique et sur une longueur pouvant être comprise entre 50% et 70% de la longueur du pont magnétique.15 REVENDICATIONS1. Rotor (2) de machine électrique (1) à flux axial, comprenant : - un enroulement principal (4) en forme de discoïde épais qui définit une direction radiale (dr), une direction ortho-radiale (d.) et une direction axiale (da), qui définit une face circonférentielle externe (6) et deux faces latérales (8), et qui définit une pluralité d'encoches (10) réparties à intervalles réguliers sur ladite face circonférentielle externe (6) ; - pour chaque encoche (10) de la pluralité d'encoches (10), un aimant permanent (12) installé dans ladite encoche (10), ledit aimant permanent (12) présentant un pôle nord à une extrémité nord définissant une première surface de pôle (14) et un pôle sud à une extrémité sud opposée à l'extrémité nord définissant une deuxième surface de pôle (15); pour chaque encoche (10), l'aimant permanent (12) correspondant est installé de telle sorte que les deux surfaces de pôle (14, 15) s'étendent dans un plan perpendiculaire à la direction ortho-radiale (d.) de l'enroulement principal (4) ; et pour deux encoches (10) adjacentes, les deux aimants permanents (12) correspondants sont insérés dans chaque encoche (10) de sorte qu'une surface de pôle (14,15) du premier aimant permanent (12) soit en regard d'une surface de pôle (14,15) du deuxième aimant permanent (12) de même polarité, de manière à générer un pôle rotorique, de même polarité que les deux surfaces de pôle (14,15) en regard l'une de l'autre, sur une portion (20) de chacune des faces latérales (8) de l'enroulement principal (4), dite portion de pôle rotorique (20). 2. Rotor (2) de machine électrique (1) à flux axial selon la revendication 1, dans lequel pour deux aimants permanents (12) adjacents, la portion de pôle rotorique (20) correspondante est délimitée par les deux plans dans lesquels s'étendent les deux surface de pôle (14,15) en regard l'une de l'autre, caractérisé en ce que pour deux aimants permanents (12) adjacents, pour chaque face latérale (8), le rapport (4) entre une valeur de superficie d'une surface de pôle (14,15) d'un aimant permanent (12) etune valeur de superficie de la portion de pôle rotorique (20) correspondante est supérieur à 1. 3. Rotor (2) de machine électrique (1) à flux axial selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un aimant permanent (12) inséré dans une encoche (10) présente une forme de parallélépipède rectangle. 4. Rotor (2) de machine électrique (1) à flux axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un aimant permanent (12) comprend plusieurs corps d'aimant (30) empilés suivant la direction radiale (dr) de l'enroulement principal (4). 5. Rotor (2) de machine électrique (1) à flux axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un cerclage (40) qui vient recouvrir la face circonférentielle externe (6) de l'enroulement principal (4) pour maintenir les aimants permanents (12) dans les encoches correspondantes (10). 6. Rotor (2) de machine électrique (1) à flux axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre un moyeu de transmission mécanique (50) inséré dans une ouverture centrale de l'enroulement principal (4), caractérisé en ce que le rotor (2) comprend une pluralité de piges de fixation (54), solidarisées à la face circonférentielle externe (6) de l'enroulement principal (4), traversant l'enroulement principal (4), et solidarisées au moyeu de transmission mécanique (50) de manière à maintenir l'enroulement principal (4) solidaire du moyeu de transmission mécanique (50). 7. Rotor (2) de machine électrique (1) à flux axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce l'enroulement permanent (12) définit, pour chaque encoche (10) dans laquelle est insérée un aimant permanent (12), une partie de pont magnétique (70), correspondant à la partie (70) de l'enroulement principal (4) comprise entre une face latérale (8) de l'enroulement principal (4) et une face latérale de l'encoche (10) et délimitée par deux plans dans lesquelss'étendent les deux surfaces de pôle (14, 15) de l'aimant permanent (12) correspondant, ladite partie de pont magnétique (70) comprenant une rainure (72) s'étendant dans une direction radiale (dr) de l'enroulement principal (4) et de longueur, selon la direction ortho-radiale (d.), inférieure à la longueur de la face latérale de l'encoche (10). 8. Machine électrique (1) à flux axial comprenant un rotor (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Véhicule automobile comprenant une machine électrique (1) à flux axial selon la revendication 8.10