Brevet FR3028687A1 — publié le 20160520

ROTOR A FLUX AXIAL DE TYPE LUNDELL ET ALTERNATEUR DE VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UN TEL ROTOR DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne un rotor à flux axial de type Lundell destiné à une machine électrique tournante. L'invention concerne également une machine électrique tournante comprenant un rotor de ce type, notamment pour des applications comme alternateur dans des véhicules automobiles. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. Les alternateurs à griffes utilisés de nos jours dans les véhicules sont constitués d'un stator feuilleté muni d'un ou de deux enroulements triphasés décalés de 30° et d'un rotor à griffes avec un enroulement d'excitation. Le rotor comporte deux plateaux à l'extrémité desquels se trouvent des griffes, et un noyau central autour duquel est placée la bobine d'excitation. Le flux axial créé par cette bobine est canalisé vers l'entrefer de la machine au moyen du noyau, des plateaux et des griffes. Un tel rotor, dit encore rotor de type Lundell, est connu de longue date et à 20 donné lieu à de nombreuses améliorations techniques depuis l'origine, comme par exemple celle visant une meilleure dissipation thermique proposée par la société DUCELLIER dans la demande FR2591399. Un tel dispositif est très séduisant. Il présente cependant un inconvénient majeur, celui d'engendrer beaucoup de fuites, donc de faibles performances. Pour 25 améliorer ces performances, on travaille à densité de courant élevée, ce qui entraîne un rendement assez bas à cause des pertes par effet Joule. Afin d'améliorer les caractéristiques de cette machine, les industriels ont utilisé plusieurs artifices. Un meilleur dimensionnement, par l'utilisation de méthodes numériques performantes, notamment basées sur les éléments finis, a 30 permis de réduire les fuites magnétiques donc d'obtenir un meilleur débit et d'améliorer le rendement. Pour améliorer encore les caractéristiques, on utilise actuellement des aimants aux terres rares insérés entre les griffes du rotor. Ceci permet à la fois de réduire davantage les fuites magnétiques entre les griffes et d'augmenter le flux 35 dans l'entrefer de la machine, car des aimants de type Néodyme-Fer-Bore (NeFeB), 3028687 - 2 - Samarium-Fer (SmFe), ou Samarium-Cobalt (SmCo) peuvent présenter des rémanences dépassant le tesla. Il en résulte alors de bien meilleures performances. Cependant le renchérissement des aimants aux terres rares lié à une conjoncture géo-politique défavorable et les difficultés croissantes 5 d'approvisionnement de ces matériaux conduisent les industriels à la recherche de solutions alternatives. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. La présente invention vise donc à réaliser une machine dont les 10 performances sont au moins celles des machines comportant des aimants interpolaires aux terres rares, sans en supporter les coûts. Elle a précisément pour objet un rotor à flux axial de type Ludell, destiné à une machine électrique tournante, comprenant des griffes agencées autour d'un noyau axial par des plateaux. 15 Ces griffes, ces plateaux et ce noyau axial forment selon l'invention un circuit magnétique hétérogène. Selon l'invention, le noyau est formé d'un premier matériau magnétique présentant une première perméabilité relative supérieure à des secondes perméabilités relatives de seconds matériaux magnétiques formant les griffes et les 20 plateaux pour un même champ magnétique donné. Selon l'invention encore, le premier matériau magnétique présente une première induction magnétique de saturation supérieure à des secondes inductions magnétiques de saturation des seconds matériaux magnétiques. Dans un premier mode de réalisation du rotor à flux axial de type Lundell 25 selon l'invention, le noyau axial comporte des faces axiales agencées en surface des plateaux. Le noyau axial présente une section constante, ou, alternativement, le noyau axial comporte des extrémités présentant, au moins en partie, une section croissante quand une distance aux plateaux diminue. 30 Dans un second mode de réalisation du rotor à flux axial de type Lundell selon l'invention, le noyau axial comporte des extrémités encastrées dans les plateaux, en particulier ces extrémités sont débouchantes. Selon l'invention, le premier matériau est un alliage Fer - Cobalt et les seconds matériaux sont des aciers à faible taux de carbone. 3028687 - 3 - L'invention concerne également un alternateur de véhicule automobile qui comprend un rotor présentant les caractéristiques ci-dessus. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par le rotor à flux axial de type Lundell selon 5 l'invention, ainsi que par l'alternateur correspondant, par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte 10 une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 montre une vue en coupe axiale d'un alternateur comprenant un rotor à flux axial de type Lundell connu de l'état de la technique. 15 Les Figures 2a, 2b et 2c montrent des demi coupes axiales simplifiées d'une machine électrique tournante comprenant un rotor à flux axial de type Lundell selon l'invention, respectivement dans un premier mode de réalisation et dans deux variantes de ce premier mode de réalisation. Les Figures 3a et 3b montrent des demi coupes axiales simplifiées d'une 20 machine électrique tournante comprenant un rotor à flux axial de type Lundell selon l'invention, respectivement dans un second mode de réalisation et dans une variante de ce second mode de réalisation. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION. 25 La coupe axiale d'un alternateur connu de l'état de la technique, représentée sur la Figure 1, montre bien l'agencement des différents éléments objets de la présente invention. Cet alternateur 1 comprend un stator 2 formé par des paquets de tôles et des enroulements de phases 3. Ce stator 2 est maintenu entre deux flasques 30 d'extrémités 4, 5 portant un rotor 6 dont l'arbre 7 est entraîné en rotation par un moteur à combustion interne (non représenté) par l'intermédiaire d'une poulie 8. Sur cet arbre 7 sont montées à force deux roues polaires à griffes 9, 10, disposées en regard l'une de l'autre, de part et d'autre d'un noyau axial 11, autour duquel est bobiné un enroulement inducteur 12. L'enroulement inducteur 12 est 3028687 - 4 - maintenu en place sur le noyau axial 11 par des plateaux 13, 14 des roues polaires à griffes 9, 10, en contact avec des faces axiales du noyau 11. L'enroulement inducteur 12 créant un flux magnétique axial dans le noyau axial 11 est alimenté par deux bagues collectrices d'un collecteur 15, emmanché 5 sur l'arbre 7, et sur lesquelles frottent des balais (non représentés). Dans ce type d'alternateur 1 classique, les roues polaires 9,10 et le noyau axial 11 sont habituellement réalisés dans un même acier massif. La présente invention vise au contraire à utiliser plusieurs matériaux magnétiques de propriétés différentes et à adapter la forme et les dimensions du 10 noyau axial 11 afin de réaliser une machine dont les performances sont au moins celles des machines comportant des aimants interpolaires. Pour cela, on utilise pour le noyau axial 11 du rotor 6 un matériau noble, de meilleures performances que pour le reste 9, 10 du rotor 6 en termes d'induction de saturation et de perméabilité magnétique initiale. Cela permet, par exemple, à 15 flux constant d'avoir un noyau axial 11 de faible diamètre, ce qui libère plus d'espace pour l'enroulement inducteur 12. Afin de réaliser cette invention, différentes géométries de noyau axial 11 sont possibles et font l'objet de la présente invention. En effet, au contact entre le noyau 11 et les plateaux 13, 14, il faut qu'il y ait compatibilité entre les matériaux qui les composent. Ceci va entraîner différentes géométries de noyaux 11. Ces géométries sont représentées sur les Figures 2a, 2b, 3a et 3b suivantes. Sur ces figures est représenté de manière simplifiée un rotor 6 d'un axe de rotation XX' à l'intérieur d'un stator 3. Un noyau axial 16, 17, 18, 19 est agencé selon l'axe XX' du rotor 6 entre les 25 plateaux 13, 14 des roues polaires à griffes 9, 10. A la différence des alternateurs à griffes standards, le circuit magnétique formé par les griffes 9, 10, les plateaux 13, 14 et le noyau axial 16, 17, 18, 19 est hétérogène. Le noyau axial 16, 17, 18, 19 est en alliage Fe- Co présentant un 30 pourcentage égal de fer et de cobalt, avec éventuellement un faible pourcentage de vanadium comme dans un alliage de type AFK502 (Fe 49%, Co 49%, V 2%). Le reste du rotor 6, les griffes 9, 10 et les plateaux 13, 14, sont en acier à faible taux de carbone, par exemple les aciers de types SAE1005 à SAE1008 présentant un taux de carbone de 0,05 à 0,08%, utilisés habituellement dans les 35 machines électriques, dont les alternateurs. 3028687 - 5 - Un alliage Fe- Co présentant une perméabilité magnétique relative de l'ordre de 3000 à 8000 alors qu'un acier à faible taux de carbone utilisé classiquement présente une perméabilité magnétique relative inférieure à 2000, pour un même champ magnétique axial créé par un nombre d'ampère-tour d'une bobine 5 d'induction déterminé, une section du noyau axial 16, 17, 18, 19 nécessaire pour produire un flux prédéterminé peut être plus faible que celle d'un noyau axial classique 11, dans la mesure où la saturation n'est pas atteinte. L'induction de saturation d'un alliage Fe- Co de type AFK502 étant de l'ordre de 2,4 T alors que celle d'un acier de type SAE1005 est de l'ordre de 1,5 T, le 10 noyau axial 16 en alliage Fe- Co représenté sur la Figure 2a, de forme analogue à celle d'un noyau axial classique 11 et agencé de manière standard entre les plateaux 13, 14, permet de libérer plus d'espace pour la bobine d'excitation. Une première variante de ce premier mode de réalisation, représentée sur la Figure 2b, consiste à donner une forme d'entonnoir aux extrémités 20 du noyau 15 axial 17 pour tenir compte de la différence de propriété magnétique des matériaux. Ces extrémités présentent une section qui augmente progressivement pour venir en contact avec la surface des plateaux 13,14, alors que la section du noyau axial 16 représenté sur la Figure 2a, de forme classique, était constante. Une seconde variante du premier mode de réalisation, représentée sur la 20 Figure 2c, consiste à donner, comme dans la première variante, une forme d'entonnoir aux extrémités 20 du noyau axial 17, avec ces extrémités en forme d'entonnoir qui sont encastrées dans des logements correspondants des plateaux 13,14. Cette seconde variante autorise l'obtention d'un volume plus important pour le logement de la bobine d'excitation du rotor. Dans un second mode de réalisation de l'invention, représenté sur les Figures 3a et 3b, le noyau en Fe- Co est encastré aux extrémités 20 dans les plateaux 13, 14, soit partiellement (Figure 3a), soit totalement (Figure 3b), c'est-à-dire que les extrémités 20 sont alors débouchantes. Le principes de ces géométries diverses est toujours que l'induction magnétique dans le circuit magnétique du rotor 6 reste inférieure à l'induction de saturation la plus faible, c'est-à-dire celle d'un acier électrique standard, au niveau d'une zone de transition entre les extrémités 20 du noyau axial 16,17, 18, 19 et les plateaux 13, 14. Des essais menés par l'entité inventive ont montré que le courant débité par 35 un alternateur comprenant un noyau axial 16, 17, 18, 19 en AFK502 était supérieur 3028687 - 6 - de 12% à celui débité par un alternateur 1 de même modèle équipé d'un noyau axial 11 conventionnel en acier. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation préférentiels décrits ci-dessus. 5 D'autres modes de réalisation préférés basés sur des alliages Fe- Co différents de ceux cités ci-dessus tels que les alliages AFK1 (Co 27%) ou AFK18 (Co 18%), d'autres alliages magnétiques appropriés, d'autres formes de noyau axial 16, 17, 18, 19 et correspondant à d'autres essais ou simulation de machines électriques tournantes comportant un rotor 6 à flux axial de type Lundell, ne 10 sortiraient pas du cadre de la présente invention dans la mesure où ils résultent des revendications ci-après. REVENDICATIONS1) Rotor (6) à flux axial de type Lundell, destiné à une machine électrique tournante (1), comprenant des griffes (9, 10) agencées autour d'un noyau axial (11, 16, 17, 18, 19) par des plateaux (13, 14), caractérisé en ce que lesdites griffes (9, 10), lesdits plateaux (13, 14) et ledit noyau axial (16, 17, 18, 19) forment un circuit magnétique hétérogène. 2) Rotor (6) à flux axial de type Lundell selon la revendication 1 précédente, caractérisé en ce que ledit noyau axial (16, 17, 18, 19) est formé d'un premier matériau magnétique présentant une première perméabilité relative supérieure à des secondes perméabilités relatives de seconds matériaux magnétiques formant lesdites griffes (9, 10) et lesdits plateaux (13, 14) pour un même champ magnétique donné. 3) Rotor (6) à flux axial de type Lundell selon la revendication 2 précédente, caractérisé en ce que ledit premier matériau magnétique présente une première induction magnétique de saturation supérieure à des secondes inductions magnétiques de saturation desdits seconds matériaux magnétiques. 4) Rotor (6) à flux axial de type Lundell selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisé en ce que ledit noyau axial (16, 17) comporte des faces axiales agencées en surface desdits plateaux (13, 14). 5) Rotor (6) à flux axial de type Lundell selon la revendication 4 précédente, caractérisé en ce que ledit noyau axial (16) présente une section constante. 6) Rotor (6) à flux axial de type Lundell selon la revendication 4 précédente, caractérisé en ce que ledit noyau axial (17) comporte des extrémités (20) 30 présentant, au moins en partie, une section croissante quand une distance auxdits plateaux (13, 14) diminue. 7) Rotor (6) à flux axial de type Lundell selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisé en ce que ledit noyau axial (18, 19) comporte des 3028687 - 8 - extrémités (20) encastrées dans lesdits plateaux (13, 14). 8) Rotor (6) à flux axial de type Lundell selon la revendication 7 précédente, caractérisé en ce que lesdites extrémités (20) sont débouchantes. 5 9) Rotor (6) à flux axial de type Lundell selon la revendication 2 ou 3 précédentes, caractérisé en ce que ledit premier matériau est un alliage Fer - Cobalt et lesdits seconds matériaux sont des aciers à faible taux de carbone. 10 10) Alternateur (1) de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'il comprend un rotor (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 précédentes.