Brevet FR3044482A1 — publié le 20170602

ROTOR A GRIFFES DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE MUNI D'AU MOINS UN CHANFREIN REALISE DANS UN BORD DE FUITE D'UNE GRIFFE La présente invention porte sur un rotor de machine électrique tournante muni d'au moins un chanfrein réalisé dans un bord de fuite d'une griffe. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des alternateurs et des machines électriques réversibles pour véhicule automobile. Un alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique. Une machine réversible permet également de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique, notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. De façon connue en soi, un alternateur tel que décrit dans le document EP0762617 comporte un carter et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes, solidaire en rotation de manière directe ou indirecte d'un arbre, et un stator qui entoure le rotor avec présence d'un entrefer. Une poulie est fixée sur l'extrémité avant de l'arbre. Le stator comporte un corps en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches équipées d'isolants d'encoches pour le montage du bobinage du stator. Le bobinage comporte une pluralité d'enroulements de phase traversant les encoches du corps et formant, avec tous les enroulements de phase, un chignon avant et un chignon arrière de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme de barre, tels que des épingles en forme de U dont les extrémités sont reliées entre elles par exemple par soudage. Ces enroulements de phase sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle, dont les sorties sont reliées à au moins un module électronique de redressement comportant des éléments redresseurs, tels que des diodes ou des transistors. Par ailleurs, le rotor comporte deux roues polaires. Chaque roue polaire présente un flasque d'orientation transversale pourvu à sa périphérie 3044482 2 externe de griffes par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes d'une roue sont dirigées axialement vers le flasque de l'autre roue. Chaque griffe d'une roue polaire pénètre dans l'espace existant entre deux griffes voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les griffes des 5 roues polaires sont imbriquées les unes par rapport aux autres. Un noyau cylindrique est intercalé axialement entre les flasques des roues. Ce noyau porte à sa périphérie externe un bobinage d'excitation bobiné dans un isolant intercalé radialement entre le noyau et ce bobinage. Il est connu que ce type de machines électriques émet un bruit 10 acoustique dû aux vibrations engendrées par les forces magnétiques en présence. Ce bruit est particulièrement nuisible dans une plage de vitesses de rotation basse, notamment entre 1800 et 4000 tours/min. En effet, au-delà le bruit aéraulique du ventilateur couvre le bruit magnétique en sorte qu'il n'est plus nécessaire de réduire ce dernier. 15 L'invention vise à minimiser efficacement le bruit magnétique en proposant un rotor de machine électrique tournante de véhicule automobile comportant: - au moins une roue polaire comprenant une pluralité de griffes, - chaque griffe comportant un bord d'attaque et un bord de fuite 20 s'étendant entre une base et une extrémité libre de la griffe correspondante, - ledit rotor étant caractérisé en ce qu'au moins une griffe comporte un chanfrein réalisé dans un bord de fuite, et en ce qu'un ratio d'une largeur maximale dudit chanfrein sur un pas polaire est compris entre 0,16 et 0,37 dans une plage de vitesses de fonctionnement. 25 Ainsi, en réalisant une telle configuration de chanfrein sur le bord de fuite, on augmente localement la taille de l'entrefer de manière à diminuer les forces magnétiques et donc le bruit engendré de manière significative. Cette diminution du bruit est obtenue sans diminution des performances magnétiques de la machine électrique. 30 Selon une réalisation, des chanfreins sont réalisés uniquement dans les bords de fuites des griffes. Selon une réalisation, ledit rotor comporte une première roue polaire 3044482 3 et une deuxième roue polaire, et en ce que des griffes de ladite première roue polaire comportent, chacune, un premier chanfrein associé à un premier ratio pour une vitesse basse de ladite plage de vitesses de fonctionnement, et des griffes de ladite deuxième roue polaire comportent, chacune, un 5 deuxième chanfrein associé à un deuxième ratio pour une vitesse haute de ladite plage de vitesses de fonctionnement. Le chanfrein optimal dépendant de la vitesse de rotation du rotor, une telle configuration permet de minimiser le bruit magnétique de façon optimale sur l'ensemble de la plage de fonctionnement du rotor. 10 Selon une réalisation, ledit chanfrein est associé à un ratio optimal égal à une moyenne entre un premier ratio pour une vitesse basse de la plage de vitesses de fonctionnement et un deuxième ratio pour une vitesse haute de la plage de vitesses de fonctionnement. On définit ainsi une configuration de griffe alternative permettant de minimiser le bruit 15 magnétique de façon optimale sur l'ensemble de la plage de fonctionnement du rotor. Selon une réalisation, la plage de vitesses de fonctionnement est comprise entre 1800 et 4000 tours/minute. Selon une réalisation, une surface du chanfrein décroît lorsque l'on se 20 déplace vers l'extrémité libre de la griffe correspondante. Selon une réalisation, la surface dudit chanfrein est sensiblement nulle au niveau de l'extrémité libre de la griffe. Selon une réalisation, la griffe présente une surface radiale externe, et en ce que le chanfrein est réalisé sur ladite surface radiale externe. 25 Selon une réalisation, le chanfrein s'étend axialement entre la base et l'extrémité libre de la griffe correspondante. Selon une réalisation, une section radiale du chanfrein s'étend le long d'une droite. Selon une réalisation, une section radiale du chanfrein s'étend le long 30 d'un arc de cercle. 3044482 4 Selon une réalisation, lesdites griffes de ladite roue polaire sont symétriques. Selon une réalisation, lesdites griffes de ladite roue polaire sont dissymétriques. 5 Selon une réalisation, ledit rotor comporte des aimants interpolaires positionnés chacun à l'intérieur d'un espace séparant deux griffes successives. L'invention a également pour objet une machine électrique tournante de type alternateur ou une machine réversible caractérisée en ce qu'elle 10 comporte un rotor tel que précédemment défini. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un 15 alternateur selon la présente invention; Les figures 2a et 2b sont respectivement des vues schématiques de côté et de dessus d'une griffe de roue polaire selon la présente invention munie d'un chanfrein; La figure 3 est un graphique montrant deux courbes représentant le 20 niveau de bruit d'un alternateur triphasé en fonction d'un ratio entre une largeur maximale de chanfrein et un pas polaire, chaque courbe correspondant à une vitesse de rotation spécifique de l'alternateur; La figure 4 est une vue schématique en coupe transversale partielle d'une griffe de roue polaire selon la présente invention; 25 La figure 5 montre une variante de réalisation schématique du rotor selon la présente invention dans laquelle les chanfreins des griffes présentent deux configurations différentes d'une roue polaire à l'autre; La figure 6 illustre une variante de réalisation schématique d'un rotor selon la présente invention à griffes dissymétriques. 3044482 5 Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. Dans la suite de la description, on considère qu'un élément "avant" est situé du côté de la poulie de la machine et qu'un élément "arrière" est situé du côté opposé. 5 On a représenté sur la figure 1 un alternateur 10 compact et polyphasé, notamment pour véhicule automobile. Cet alternateur 10 transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible. Un tel alternateur 10 réversible, appelé alterno-démarreur, permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment 10 pour démarrer le moteur thermique du véhicule. Cet alternateur 10 comporte un carter 11 et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes 12 monté sur un arbre 13, et un stator 16, qui entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer 17. Une poulie 14 est fixée sur l'arbre 13. Cette poulie appartient à un dispositif de transmission de mouvement à 15 courroie entre l'alternateur 10 et le moteur thermique du véhicule automobile. L'axe X de l'arbre 13 forme l'axe de rotation du rotor 12. Le stator 16 comporte un corps 19 en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi-fermées, équipées d'isolant d'encoches pour le montage des phases du stator 16. Chaque phase 20 comporte au moins un enroulement traversant les encoches du corps 19 du stator 16 et forme, avec toutes les phases, un chignon avant 20 et un chignon arrière 21 de part et d'autre du corps de stator 19. Les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme de barre, tels 25 que des épingles reliées entre elles par exemple par soudage. Ces enroulements sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle, dont les sorties sont reliées à au moins un pont redresseur comportant des éléments redresseurs tels que des diodes ou des transistors du type MOSFET, notamment lorsqu'il s'agit d'un alterno- 30 démarreur comme décrit par exemple dans le document FR2745445. Le rotor 12 comporte deux roues polaires 24, 25 présentant chacune un flasque 28 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de 3044482 6 griffes 29 par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes 29 d'une roue 24, 25 sont dirigées axialement vers le flasque 28 de l'autre roue. Chaque griffe 29 d'une roue polaire 24, 25 pénètre dans l'espace existant entre deux griffes 29 voisines de l'autre roue polaire, de 5 sorte que les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont imbriquées les unes par rapport aux autres. La périphérie externe des griffes 29 définit avec la périphérie interne du corps 19 du stator 16 l'entrefer 17 entre le stator 16 et le rotor 12. La périphérie interne des griffes 29 est inclinée, en sorte que les griffes 29 sont 10 moins épaisses du côté de leur extrémité libre 54, comme cela est visible sur la figure 2a. Un noyau cylindrique 30 est intercalé axialement entre les flasques 28 des roues 24, 25. En l'occurrence, le noyau 30 consiste en deux demi-noyaux appartenant chacun à l'un des flasques 28. Ce noyau 30 porte à sa 15 périphérie externe une bobine d'excitation 31 bobinée dans un isolant intercalé radialement entre le noyau 30 et la bobine 31. Par ailleurs, le carter 11 comporte des paliers avant 35 et arrière 36 assemblés ensemble. Les paliers 35, 36 sont de forme creuse et portent chacun centralement un roulement 37, 38 à billes pour le montage à rotation 20 de l'arbre 13 du rotor. Le palier arrière 36 porte un porte-balais 40 muni de balais 41 destinés à venir frotter contre des bagues 44 d'un collecteur 45 reliées par des liaisons filaires au bobinage d'excitation 31. Les balais 41 sont reliés électriquement à un régulateur de tension monté à l'extérieur de la machine. 25 Les paliers avant 35 et arrière 36 comportent des ouvertures sensiblement latérales avant 60 et arrière 61 en vue de permettre le refroidissement de l'alternateur 10 par circulation d'air engendrée par la rotation d'un ventilateur 62 positionné sur la face avant du rotor et d'un autre ventilateur 63 positionné sur la face arrière du rotor. Chaque ventilateur 62, 30 63 est pourvu d'une pluralité de pales 64. Les ouvertures latérales avant 60 et arrière 61 sont en regard des chignons respectivement avant 20 et arrière 21. 3044482 7 Comme on peut le voir sur la figure 2b, chaque griffe 29 de forme trapézoïdale comporte un bord d'attaque 51 entrant le premier en contact avec l'air suivant le sens de rotation du rotor 12 indiqué par la flèche SR et un bord de fuite 52 situé du côté opposé par rapport au bord d'attaque 51. 5 Ces bords 51, 52 s'étendent entre la base 53 de la griffe 29, qui coïncide localement avec la périphérie externe du flasque 28 correspondant, et l'extrémité libre 54 de la griffe 29. En l'occurrence, un chanfrein 57 est réalisé dans le bord de fuite 52 de chaque griffe 29 des roues polaires 24, 25. En variante, un chanfrein 57 est 10 réalisé uniquement dans certaines griffes 29 des roues polaires 24, 25. Dans tous les cas, le chanfrein 57 est réalisé sur une surface radiale externe 56 d'une griffe 29 correspondante. Le chanfrein 57 s'étend de préférence axialement entre la base 53 et l'extrémité libre 54 de la griffe 29 correspondante, c'est-à-dire sur toute la longueur axiale de la griffe 29. 15 Ce chanfrein 57 est délimité notamment par deux côtés latéraux 58, 59 se rejoignant au niveau de l'extrémité libre 54 de la griffe 29. Ainsi, la surface du chanfrein 57 de forme globalement triangulaire décroît lorsque l'on se déplace vers une extrémité libre 54 de la griffe 29. La surface du chanfrein 57 est sensiblement nulle au niveau de l'extrémité libre 54 de la 20 griffe 29. On définit un ratio R entre une largeur maximale Chb_max du chanfrein 57 et un pas polaire Tp, soit R= Chb_max/Tp. Le pas polaire Tp est égal au rapport entre la circonférence interne du stator et le nombre de pôles de la machine, soit Tp= TrD/2p avec D étant le diamètre interne du stator et p 25 étant le nombre de paires de pôles de la machine. La largeur maximale Chb_max est mesurée suivant une direction circonférentielle, c'est-à-dire dans une direction parallèle à la direction selon laquelle s'étend le flasque 28 de la roue polaire 24, 25 correspondante. Chaque chanfrein 57 pourra présenter une forme plane, c'est-à-dire qu'une 30 section radiale du chanfrein 57 s'étend le long d'une droite. Alternativement, le chanfrein 57 présente une section radiale s'étendant le long d'un arc de cercle, c'est-à-dire que le chanfrein 57 3044482 8 présente un coin arrondi suivant un rayon de courbure L1, comme cela est visible sur la figure 4. Dans ce cas, la largeur maximale Chb_max est mesurée entre une droite D1 parallèle au plan médian PM de la griffe 29 et tangente au coin arrondi et l'intersection entre la partie plane du chanfrein 57 5 et le rayon d'usinage L2 du rotor 12. L'angle K entre la partie plane du chanfrein 57 et le plan médian PM de la griffe 29 est par exemple compris entre 60 et 78 degrés. Comme cela est illustré par les courbes de la figure 3, pour une plage P de vitesses de fonctionnement comprise entre 1800 et 4000 tours/minute, 10 le ratio optimal R en termes de réduction de bruit est compris entre 0,16 et 0,37. Il est à noter que la plage de fonctionnement précitée ne correspond pas aux vitesses minimale et maximale de fonctionnement de l'alternateur mais à la plage de vitesses pour laquelle le bruit magnétique, qui présente un niveau significatif et qui n'est pas couvert par le bruit aéraulique des 15 ventilateurs, doit être atténué. De préférence, les chanfreins 57 sont réalisés uniquement dans les bords de fuite 52 des griffes 29. En effet, il a été mis en évidence que la réalisation de chanfreins 57 dans le bord d'attaque 51 et le bord de fuite 52 de chaque griffe 29 a pour effet de diminuer les performances magnétiques 20 de la machine électrique. Le chanfrein optimal 57 dépendant de la vitesse de rotation du rotor 12, les griffes 29 d'une des roues polaires 24 pourront présenter, chacune, un premier chanfrein 57 de largeur maximale chb_max1 associé à un premier ratio R1 qui est optimal en termes de réduction de bruit pour la 25 vitesse basse de la plage de vitesses de fonctionnement. Le ratio R1 vaut, par exemple, 0.17 pour 1800 tours/min. Les griffes 29 de l'autre roue polaire 25 pourront présenter, chacune, un deuxième chanfrein 57' de largeur chb_max2 associé à un deuxième ratio R2 qui est optimal en termes de réduction de bruit pour la vitesse haute de la plage de vitesses de 30 fonctionnement. Le ratio R2 vaut, par exemple, 0.36 pour 4000 tours/min. Le rotor 12 correspondant ayant des chanfreins 57, 57' différents d'une roue polaire 24 à l'autre 25 est illustré à la figure 5. Comme cela ressort du tableau ci-après, une telle configuration 3044482 9 permet de minimiser le bruit magnétique de façon optimale sur l'ensemble de la plage de fonctionnement P du rotor 12. En effet, il apparaît que l'on obtient une réduction moyenne de puissance acoustique de l'ordre de 1.5dB par rapport à la configuration optimale de chanfrein correspondant à la vitesse 5 basse de la plage de vitesses de fonctionnement P, et une réduction moyenne de puissance acoustique de l'ordre de 2.6dB par rapport à la configuration optimale de chanfrein correspondant à la vitesse haute de la plage de vitesses de fonctionnement P. Ratio R1=chb_maxl/Tp Ratio R2=chb_max2/Tp Puissance acoustique Première roue polaire 24 Deuxième roue polaire 25 1800 4000 (1800 - 4000 rpm) rpm rpm Moyenne 0 17 54.4 71.4 62.9 0.23 56.7 68.3 62.5 0.29 61.0 64.9 63.0 0.36 63.6 64.4 64.0 0.17 0.36 55.1 67.8 61.4 10 Alternativement, le chanfrein 57 réalisé sur chacune des griffes 29 est associé à un ratio Rmoy égal à une moyenne entre le premier ratio R1 pour la vitesse basse de la plage de vitesses de fonctionnement P et le deuxième ratio R2 pour la vitesse haute de la plage de vitesses de fonctionnement P. 15 On obtient donc dans l'exemple précédent Rmoy=(0.15+0.27)/2=0.26. Dans l'exemple de réalisation, les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont symétriques, c'est-à-dire que la médiane M passant par le centre de la base 53 passe également par l'extrémité libre 54 de la griffe 29 (cf. figure 2b). 20 En variante, comme cela est illustré par la figure 6, les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont dissymétriques, c'est-à-dire que la médiane M passant par le centre de la base 53 d'une griffe 29 est décalée par rapport à une droite parallèle passant par l'extrémité libre 54 de la griffe 29 correspondante. Une griffe 29 dissymétrique peut être penchée dans le sens 25 de rotation SR (cf. flèche F1) ou dans le sens opposé au sens de rotation SR (cf. flèche F2). Les griffes 29 des deux roues polaires 24, 25 pourront être penchées dans le même sens ou dans des sens opposés, comme cela est 3044482 10 représenté sur la figure 6. Le rotor 12 pourra le cas échéant comporter des aimants interpolaires 46 visibles sur les figures 5 et 6 positionnés chacun à l'intérieur d'un espace 66 séparant deux griffes 29 successives. Les aimants 46 pourront être 5 positionnés à l'intérieur de tous les espaces interpolaires 66 ou uniquement à l'intérieur de certains d'entre eux et répartis de façon régulière suivant la circonférence du rotor 12. Les aimants 46 pourront être réalisés en terres rare NeFeB (Neodyme-Fer-Bore) ou SmCo (Samarium-Cobalt). Les choix du matériau et du nombre d'aimants interpolaires 46 permettent d'ajuster 10 aisément les propriétés magnétiques du rotor 12 à la puissance recherchée de l'alternateur. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres 15 équivalents. REVENDICATIONS1. Rotor (12) de machine électrique tournante de véhicule automobile comportant: - au moins une roue polaire (24, 25) comprenant une pluralité de griffes (29), - chaque griffe (29) comportant un bord d'attaque (51) et un bord de fuite (52) s'étendant entre une base (53) et une extrémité libre (54) de la griffe (29) correspondante, - ledit rotor (12) étant caractérisé en ce qu'au moins une griffe (29) comporte un chanfrein (57) réalisé dans un bord de fuite (52), et en ce qu'un ratio d'une largeur maximale dudit chanfrein (57) sur un pas polaire (Tp) est compris entre 0,16 et 0,37 dans une plage de vitesses de fonctionnement (P). 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que des chanfreins (57) sont réalisés uniquement dans les bords de fuites (52) des griffes (29). 3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une première roue polaire (24) et une deuxième roue polaire (25), et en ce que des griffes (29) de ladite première roue polaire (24) comportent, chacune, un premier chanfrein (57) associé à un premier ratio (R1) pour une vitesse basse de la plage de vitesses de fonctionnement (P), et des griffes (29) de ladite deuxième roue polaire (25) comportent, chacune, un deuxième chanfrein (57') associé à un deuxième ratio (R2) pour une vitesse haute de la plage de vitesses de fonctionnement (P). 4. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit chanfrein (57) est associé à un ratio optimal égal à une moyenne entre un premier ratio (R1) pour une vitesse basse de la plage de vitesses de fonctionnement et un deuxième ratio (R2) pour une vitesse haute de la plage de vitesses de fonctionnement. 5. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé 30 en ce que la plage de vitesses de fonctionnement est comprise entre 1800 et 4000 tours/minute. 3044482 12 6. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une surface du chanfrein (57) décroît lorsque l'on se déplace vers l'extrémité libre (54) de la griffe (29) correspondante. 7. Rotor selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface 5 dudit chanfrein (57) est sensiblement nulle au niveau de l'extrémité libre (54) de la griffe (29). 8. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la griffe (29) présente une surface radiale externe (56), et en ce que le chanfrein (57) est réalisé sur ladite surface radiale externe (56). 10 9. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le chanfrein (57) s'étend axialement entre la base (53) et l'extrémité libre (54) de la griffe (29) correspondante. 10. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une section radiale du chanfrein (57) s'étend le long d'une droite. 15 11. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une section radiale du chanfrein (57) s'étend le long d'un arc de cercle. 12. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdites griffes (29) de ladite roue polaire (24, 25) sont 20 symétriques. 13. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdites griffes (29) de ladite roue polaire (24, 25) sont dissymétriques. 14. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, 25 caractérisé en ce qu'il comporte des aimants interpolaires (46) positionnés chacun à l'intérieur d'un espace séparant deux griffes (29) successives. 15. Machine électrique tournante de type alternateur ou machine réversible caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor (12) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.30