Brevet FR3040561A1 — publié le 20170303

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE MUNI D'UN ROTOR COMPRENANT DES POLES EN FORME DE GRIFFE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention porte sur un rotor pour une machine électrique tournante 5 comprenant des pôles nord et sud formés alternativement dans un sens de rotation du rotor. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des alternateurs, des alterno-démarreurs de véhicule automobile. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE 10 De façon connue en soi, une machine électrique tournante comporte un stator muni de bobinages entourant un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor et le stator sont espacés entre eux par un entrefer. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur comme décrit dans le document EP0803962 ou d'un moteur 15 électrique comme cela est décrit dans le document EP0831580. La figure 1, qui est une demi-vue en coupe, représente une machine électrique tournante polyphasée sous la forme d'un alternateur du type triphasé à ventilation interne pour véhicule automobile à moteur à combustion interne du type de celui décrit dans le document EP-A-0 515 259 auquel on se reportera. 20 L'alternateur comporte, en allant de gauche à droite de la figure 1, c'est-à-dire d'avant en arrière, une poulie d'entraînement 11 solidaire de l'extrémité avant d'un arbre 2, dont l'extrémité arrière porte des bagues collectrices 10a, 10b appartenant à un collecteur 1. L'axe X-X de l'arbre 2 constitue l'axe de rotation de la machine et du collecteur. 25 Centralement l'arbre 2 porte à fixation le rotor 4 doté d'un bobinage d'excitation 5 enroulée autour d'une portion cylindrique 300, dont les extrémités sont reliées par des liaisons filaires au collecteur 1 comme visible également à la figure 11 des documents FR 2 710 197, FR 2 710 199 et FR 2 710 200. Le rotor 4 est ici un rotor à griffes et comporte donc deux roues polaires 6, 7 portant chacune respectivement un 30 ventilateur avant 8 et arrière 9 dotés chacun de pales comme dans le document EPA- 0 515 259. Telle qu'illustré sur la figure 1, la portion cylindrique 300 est par 3040561 2 exemple formée de deux demi noyaux 65 et 75 appartenant respectivement à la roue polaire 6 et 7. Chaque roue polaire présente un plateau et des dents axiales ou griffes dirigées vers l'autre roue avec imbrication des dents d'une roue à l'autre pour formation de pôles magnétiques. En d'autres termes, ledit rotor 4 comprend : -une bobine de rotor 5 permettant de générer un flux magnétique au passage d'un courant électrique; et -une paire roues polaires 6, 7 composées de : -une portion cylindrique 300 sur laquelle ladite bobine de rotor 5 est enroulée; -des plateaux s'étendant radialement vers l'extérieur depuis des première et seconde portions d'extrémité de ladite portion cylindrique 300; et -une pluralité de pôles magnétiques en forme de griffe s'étendant axialement depuis lesdits plateaux de façon à recouvrir ladite bobine de rotor 5, lesdits pôles magnétiques en forme de griffe étant aimantés avec lesdits pôles nord et sud N, S. Les pôles magnétique sont activés lorsque le bobinage 5 est traversé d'un courant grâce aux bagues collectrices du collecteur 1 chacune en contact avec un balai (non référencé) porté par un porte-balais 100 solidaire dans ce mode de réalisation d'un un régulateur de tension non visible. Les balais sont d'orientation radiale par rapport à l'axe X-X, tandis que les bagues 10a, 10b sont d'orientation axiale par rapport à l'axe X-X. Le rotor présentant un pas polaire angulaire Thêta égal à 27 divisé par 2P, P étant le nombre de paires de pôles du rotor et chaque pôle étant réalisé par exemple par une griffe. Le régulateur est relié à un dispositif de redressement de courant alternatif en courant continu 110, tel qu'un pont de diodes (dont deux sont visibles à la figure 1) ou en variante des transistors du type MOSFET, notamment lorsque l'alternateur est du type réversible et consiste en un alterno-démarreur comme décrit par exemple dans le document WO 01/69762. Ce dispositif 110 est lui-même relié électriquement, d'une part, aux sorties des phases appartenant aux bobinages 12, que comporte le stator 13 de l'alternateur, et d'autre part, au réseau de bord et à la batterie du véhicule automobile. Ce stator 13, formant induit dans le cas d'un alternateur, entoure le rotor 4 et comprend un corps 14 doté intérieurement d'encoches axiales 3040561 3 (non visibles) et des bobinages 12. Les encoches axiales sont munies des fils ou des épingles des bobinages 12. Ces bobinages 12 ont des chignons (non référencés) s'étendant, d'une part, en saillie axiale de part et d'autre du corpsl4 ; et, d'autre part, radialement au-dessus des ventilateurs 8, 9. 5 Pour mémoire on rappellera que le régulateur de tension a pour fonction de contrôler le courant circulant dans le bobinage d'excitation 5 pour réguler la tension délivrée au réseau de bord et à la batterie du véhicule via le dispositif redresseur de courant 110. Les ventilateurs 8, 9 s'étendent au voisinage respectivement d'un flasque avant, 10 appelé palier avant 150, et d'un flasque arrière, appelé palier arrière 160 appartenant au carter fixe de la machine électrique relié à la masse. Les paliers 150, 160 sont ajourés pour une ventilation interne de l'alternateur par l'intermédiaire des ventilateurs 8, 9 lorsque l'ensemble ventilateurs 8, 9- rotor 4 -arbre 2 est entraîné en rotation par la poulie 11 reliée au moteur du véhicule automobile par un dispositif de 15 transmission comportant au moins une courroie en prise avec la poulie 1. Cette ventilation permet de refroidir les bobinages 12, 5 ainsi que le porte-balais 100 avec son régulateur et le dispositif de redressement 110. On a représenté par des flèches à la figure 1 le trajet suivi par le fluide de refroidissement, ici de l'air, à travers les différentes ouvertures des paliers 150, 160 et à l'intérieur de la machine. 20 Ce dispositif 110, le porte-balais 100, ainsi qu'un capot de protection ajouré (non référencé) sont portés ici par le palier arrière 160 en sorte que le ventilateur arrière 9 est plus puissant que le ventilateur avant 8. De manière connue, les paliers 150, 160 sont reliés entre eux, ici à l'aide de vis ou de tirants non visibles, pour former un carter destiné à être monté sur une partie fixe du véhicule. 25 Les paliers 150, 160 portent chacun centralement un roulement à billes 17, 18 pour supporter à rotation les extrémités avant et arrière de l'arbre 2 traversant les paliers 150, 160 pour porter la poulie 11 et les bagues 10a, 10b du collecteur 1. Ces paliers ont une forme creuse et présentent ici chacun une partie d'orientation transversale ajourée portant le roulement 17, 18 et une partie d'orientation axiale 30 ajourée et intérieurement étagée en diamètre pour centrer et retenir axialement le stator 13 lorsque les deux paliers sont reliés ensemble pour former le carter. Les pales des ventilateurs 8, 9 s'étendent radialement au-dessus des logements que présentent les paliers 150, 160 pour montage des roulements 17 et 18; qui ainsi sont ventilés. 3040561 4 Lors de la rotation du rotor, la variation du flux magnétique permet la génération d'une tension alternative dans chaque phase d'un bobinage, dans le cas d'un bobinage multiphasé. Les tensions alternatives ainsi générées sont couplées et redressées pour obtenir une tension continue de charge de la batterie. 5 Cela étant, pour chacune des phases, la tension alternative présente plusieurs composantes fréquentielles. Parmi ces composantes on compte notamment la fondamentale et l'harmonique 3 dont la fréquence est trois supérieure à celle de la fondamentale. Il est connu de dimensionner la machine afin de maximiser l'amplitude de la 10 fondamentale pour chaque phase afin d'obtenir un meilleur rendement, l'harmonique 3 est perçue comme une perturbation qui baisse le rendement. Il existe donc un besoin pour des machines optimisées qui permettent d'exploiter l'harmonique 3 et de faire en sorte que l'harmonique 3 participe à la charge de la batterie. 15 OBJET DE L'INVENTION L'invention a ainsi pour objet une machine électrique tournante, par exemple un alternateur, comprenant un rotor et un stator muni d'encoches destinées à recevoir un bobinage, ledit rotor comprenant des pôles nord (N) et sud (S) formés alternativement dans un 20 sens de rotation du rotor, ledit rotor présentant un pas polaire angulaire Thêta égal à 2-rr divisé par 2P, P étant le nombre de paires de pôles du rotor; et ledit rotor comprenant : -une bobine de rotor permettant de générer un flux magnétique au passage d'un courant électrique; et 25 -une paire de roues polaires composées de : -une portion cylindrique sur laquelle ladite bobine de rotor est enroulée; -des plateaux s'étendant radialement vers l'extérieur depuis des première et seconde portions d'extrémité de ladite portion cylindrique; et -une pluralité de pôles magnétiques en forme de griffe s'étendant 30 axialement depuis lesdits plateaux de façon à recouvrir ladite bobine de rotor , lesdits pôles magnétiques en forme de griffe étant aimantés avec lesdits pôles nord et sud (N, S), ledit stator entourant ledit rotor et un entrefer est défini comme étant la distance minimale entre le stator et le rotor. 35 Selon une caractéristique générale de l'invention, chaque pôle magnétique en forme de griffe comprend une première surface externe qui fait face auxdites 3040561 5 encoches, et ladite première surface externe présente une ouverture angulaire dans un plan de coupe d'un des pôles en forme de griffe, ladite l'ouverture angulaire maximale Obe pour l'ensemble des plans de coupe d'un des pôles en forme de griffe est égale à Obe = K x Thêta, avec K compris entre 0,4 et 0,8. 5 Le plan de coupe est défini comme étant perpendiculaire à l'axe de la machine, ladite ouverture angulaire étant définie comme l'angle maximal entre deux droites passant chacune par ledit axe de la machine et par un point de la surface externe centrale, lesdites deux droites étant contenues dans ledit plan de coupe. On obtient ainsi une optimisation de la force électromotrice et notamment de son pic 10 pour chaque phase. Ainsi, la force électro motrice d'une phase résultante de l'harmonique 1 et de l'harmonique 3 présente un pic supérieur à ce qu'on obtiendrait conventionnellement. Selon d'autres caractéristiques prises individuellement ou en combinaison : -la distance radiale entre l'ensemble des points de ladite première surface 15 externe et le stator est inférieure à trois fois l'entrefer. On maximise ainsi la valeur du pic de la force électro motrice. -l'ouverture angulaire de la surface externe centrale est constante pour l'ensemble des plans de coupe du pôle en forme de griffe. -l'ouverture angulaire de la surface externe diminue pour les plans de coupe 20 qui se rapprochent de l'extrémité du pôle en forme de griffe. -la première surface externe dite centrale est située dans une zone centrale du pôle en forme de griffe. La première externe surface externe est située dans une zone centrale dans le sens où dans un plan de coupe perpendiculaire à l'axe de la machine tel que défini précédemment les deux distances entre un point de la 25 première surface externe et les deux extrémités droite et gauche de la griffe définies quand on regarde la griffe depuis le stator et que l'extrémité de la griffe est située vers le haut ne sont pas différente de plus de 30%. Par exemple, on peut définir cela en termes mathématiques, si l'on définit dans un plan de coupe, dl la distance entre un point de la première surface externe et l'extrémité gauche de la griffe et d2 la 30 distance entre le point de la première surface externe et l'extrémité droite de la griffe, on obtient : (dl -d2)/(d1 +d2)/2) REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante, par exemple un alternateur, comprenant un rotor (4) et un stator muni d'encoches destinées à recevoir un bobinage, ledit rotor comprenant des pôles nord (N) et sud (S) formés alternativement dans un sens de rotation du rotor, ledit rotor présentant un pas polaire angulaire (Thêta) égal à 2Tr divisé par 2P, P étant le nombre de paires de pôles du rotor; et ledit rotor (4) comprenant -une bobine de rotor (5) permettant de générer un Ilux magffétique au io passage d'un courant électrique; et -une paire de roues polaires (6, 7) composées de -une portion cylindrique (300) sur laquelle ladite bobine de rotor (5) est enroulée; -des plateaux s'étendant radialement vers l'extérieur depuis des 15 première et seconde portions d'extrémité de ladite portion cylindrique (300); et -une pluralité de pôles magnétiques en forme de griffe (61, 62, 71) s'étendant axialement depuis lesdits plateaux de façon à recouvrir ladite bobine de rotor (5), lesdits pôles magnétiques en forme de griffe (61, 62, 71) étant aimantés avec lesdits pôles nord et sud (N, S), 20 ledit stator entourant ledit rotor (4) et un entrefer est défini comme étant la distance minimale entre le stator et le rotor caractérisée en ce que chaque pôle magnétique en forme de griffe (61, 62, 71) comprend une première surface externe (712) qui fait face auxdites encoches, et en ce que ladite première surface externe (712) présente une ouverture 25 angulaire dans un plan de coupe d'un des pôles en forme de griffe, ladite l'ouverture angulaire maximale (Obe) pour l'ensemble des plans de coupe d'un des pôles en forme de griffe est égale à Obe = K x Thêta, avec K compris entre 0,4 et 0,8. 2. Machine électrique tournante selon la, revendication 1 caractérisée en ce 30 que la distance radiale entre l'ensemble des points de ladite première surface externe (712) et le stator est inférieure ou égale à trois fois l'entrefer. 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ouverture angulaire de la première surface externe centrale (712) est constante pour l'ensemble des plans de coupe du pôle en forme de griffe. 35 4. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'ouverture angulaire de la première surface externe (712) diminue pour les 3040561 13 plans de coupe qui se rapprochent del:extrémité du pôle en forme de griffe. 5. Machine électrique tournante selon l'une quelconques des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la première surface externe (712) est située dans une zone centrale du pôle en forme de griffe. 6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la première surface externe (712) est bordée sur sa périphérie d'au moins une surface externe périphérique, la surface externe périphériquè (711, 713) présentant une discontinuité avec la première surface externe (712). 10 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la première surface externe (712) est bordée respectivement sur ses deux périphéries de deux surfaces externes périphériques, les deux surfaces externes périphériques (711, 713) présentant chacune une discontinuité avec ladite première surface externe dite centrale (712). 15 8. Machine électrique tournante selon l'une quelconques des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la première surface externe (712) est formée d'une surface plane. 9. Machine électrique tournante selon larevendication 8, caractérisée en ce que la surface externe périphérique est formée d'une surface plane. 20 10. Machine électrique tournante selon la revendication 8, caractérisée en ce que la surface externe périphérique est formée par un chanfrein. 11. Machine électrique tournante selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que la surface externe périphérique présente un angle avec la première surface externe (712) supérieur à 30°. 25 12. Machine électrique tournante selon l'une quelconques des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le bobinage du stator présente 5 phases. 13. Machine électrique tournante selon l'une quelconques des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le bobinage du stator présente 7 phases. 14. Machine électrique tournante selon l'une quelconques des revendications 30 1 à 11, caractérisée en ce que le bobinage du stator présente un nombre de phases Nphi, Nphi étant supérieur strictement à 5 et étant impair et non divisible par 3. 3040561 14 15. Machine électrique tournante selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisée en ce que le bobinage du stator est couplé en étoile.