Brevet FR3036873A1 — publié le 20161202

1/16 ARMATURE ÉLECTROMAGNÉTIQUE MONOPHASEE DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A GRIFFES EN TOLE L'invention concerne une armature électromagnétique de machine électrique tournante, qui conduit à une circulation tridimensionnelle du flux magnétique dans la machine et qui remplace avantageusement les structures à griffes. L'état de l'art décrit abondamment les machines électriques tournantes à griffes, où le stator et/ou le rotor peuvent utiliser une structure à griffes. La plus connue est la machine dite de Lundell, utilisée dans les alternateurs de voiture. Ces machines à griffes présentent l'avantage de la simplicité de leur bobinage, mais sont pénalisées par la faible induction possible dans l'entrefer et leur fort taux de fuites. Dans la configuration où les griffes sont alimentées en alternatif, la machine obtenue présente des performances intéressantes, mais seulement à faible vitesse de rotation. Il apparaît que le couple fourni par une machine à griffes est directement proportionnel à la section du pied des dents, ce qui conduit à l'idée de vriller son bobinage, afin de l'augmenter. Les poudres de fer compressées, appelées SMC autorisent la circulation tridimensionnelle du flux magnétique, mais leur induction maximale limitée induit une perte de performances de la machine. L'invention décrit une partie d'une machine tournante électrique monophasée. De façon évidente, une machine polyphasée, comportant au moins une phase, est réalisée en empilant axialement le long d'un même axe de rotation plusieurs machines issues de l'invention, et en les reliant 3036873 2/16 éventuellement par des pièces magnétiques et des bobines, afin de former des machines composées. L'invention décrite propose une armature électromagnétique de machine 5 qui utilise une telle bobine vrillée, en apportant une solution astucieuse au besoin de circulation tridimensionnelle du flux magnétique dans une machine à griffes, tout en utilisant des tôles plate poinçonnées. Dans la description de l'invention, l'abréviation « poudre SMC » décrit une 10 poudre de fer caractérisée par l'isolation électrique partielle des particules élémentaires qui la forment, comme par exemple la poudre SMC de la marque Hôganâs, laquelle poudre est compressée, selon l'un des procédés de la liste suivante non-exhaustive : poudre de fer pressée à froid ou à chaud, poudre de fer pressée à froid ou à chaud puis cuite à 15 chaud, ferrite, poudre de fer frittée, lequel procédé appliqué à la poudre SMC permet d'obtenir un circuit magnétique dont les pertes par courant de Foucault sont réduites, avec une caractéristique magnétique isotrope. Dans la description de l'invention, le mot « bobinage ondulé » décrit une 20 technique de l'état de l'art, caractérisée par l'enroulement des fils électriques alternativement d'un côté et de l'autre de chaque pôle magnétique, formant ainsi une bobine enroulée autour des pôles magnétiques. 25 Dans la description de l'invention, le mot « bobinage imbriqué » décrit une technique de l'état de l'art, caractérisée par l'enroulement des fils électriques autour de chaque pôle magnétique. Dans la description de l'invention, le mot « armature électromagnétique » désigne soit un stator, soit un rotor d'une machine électrique tournante, 3036873 3/16 caractérisé en ce qu'elle génère un flux magnétique qui en sort dans une direction sensiblement radiale, au niveau de la surface d'entrefer. Ladite armature électromagnétique est caractérisée par tout ou partie des points suivants : 5 elle peut être alimentée en courant soit alternatif, soit continu, elle peut être soit monobloc, soit formée de plusieurs armatures électromagnétiques indépendantes, associées parallèlement à l'axe de rotation, pour former une machine polyphasée, - elle s'inscrit dans un cylindre d'axe z, 10 elle est, soit évidée, soit pleine en son centre, - elle peut recevoir de façon optionnelle, soit un bobinage électrique 12, soit un ensemble d'aimants, soit être passive (sans aimants, ni bobinage), elle génère un flux magnétique dans la surface d'entrefer de 15 direction sensiblement radiale, elle comporte un nombre de paires de pôles magnétiques noté Npp », lequel nombre correspond au nombre de paires d'alternance de flux magnétique rentrant (Sud) et sortant (Nord) dans la direction radiale d'axe z au travers de sa surface d'entrefer, 20 elle peut former l'inducteur ou l'induit de la machine électrique tournante. Dans la description de l'invention, le mot « machine électrique tournante décrit toute sorte de machine électrique, particulièrement à courant 25 continu, synchrone à aimants, synchrone à rotor bobiné, asynchrone à rotor à cage d'écureuil, asynchrone à rotor bobiné, pas à pas (dite à réluctance variable). Ladite machine électrique tournante comporte au moins une armature électromagnétique interne et au moins une armature électromagnétique externe, lesquelles sont séparées par un entrefer 30 électromagnétique qui correspond à un volume sensiblement annulaire, 3036873 4/16 défini par deux cylindres centrés sur l'axe z et de même longueur axiale z. Ledit entrefer électromagnétique définit une surface d'interaction médiane 17 entre les flux magnétiques issus des armatures électromagnétiques intérieures et extérieures, respectivement en vis-à-vis dans les plans x-y 6 successifs. Dans la description de l'invention, le mot « entrefer moyen » définit la distance radiale la plus petite dans la direction radiale d'axe y entre deux armatures électromagnétiques en vis-à-vis. 10 Dans la description de l'invention, le mot « surface d'entrefer)> désigne un cylindre d'axe z qui correspond à la surface 17 d'interaction magnétique entre le rotor et le stator. 15 Dans la description de l'invention, le mot « bobinage » décrit un ensemble de conducteurs électriques insérés dans l'armature électromagnétique, afin de générer un flux magnétique qui traverse la surface dans une direction radiale. 20 Dans la description de l'invention, l'axe noté z correspond à l'axe de rotation de la machine électrique, l'axe noté x correspond à la direction tangentielle à un cylindre centré sur l'axe z et l'axe y correspond à la direction d'un rayon d'un disque coplanaire centré sur l'axe z, le mot plan polaire désigne un plan orthogonales à l'axe z. 25 De manière connue, une armature électromagnétique 1 telle que décrite dans la figure 1, est formée de tôles coplanaires 3 empilées axialement le long d'un axe zpoar former un paquet de tôles 4. Lesdites tôles sont agencées dans un plan coplanaire x-y et sont empilées de façon parallèle 30 dans la direction z. Un bobinage 2 est enroulé autour de pôles 3036873 5/16 magnétiques 5, afin de créer un flux qui entre et sort alternativement entre les pôles magnétiques successifs 5. Ledit bobinage peut être réalisé de façon ondulée (c'est-à-dire passant d'un pôle magnétique à un autre, en changeant de face à chaque pôle magnétique) ou imbriquée, c'est-à-dire 5 tournant successivement autour des pôles magnétiques 5. L'armature électromagnétique 1 ainsi réalisée est placé en vis-à-vis d'une surface d'entrefer électromagnétique 7. Dans cette configuration connue, les têtes de bobine, c'est-à-dire la partie 10 du bobinage circulant le long du plan x-y, prennent une épaisseur axiale dans la direction z importante, laquelle place perdue ne produit aucun couple électromagnétique de façon directe. L'invention se propose de remédier à la perte de place générée par la 15 présence des têtes de bobines, en proposant de noyer lesdites têtes de bobine dans des pôles magnétiques à griffes, tels que le représente la figure 2. L'armature électromagnétique 10 de l'invention est caractérisée par le fait qu'elle est composée en premier lieu d'une culasse électromagnétique 14 formée de tôles 20 16, lesquelles sont agencées dans un plan coplanaire x-y et empilées de façon sensiblement parallèle dans la direction z, en deuxième lieu de champignons 15 posés, ou enfoncés, de façon sensiblement régulière, sur la surface cylindrique d'axe z de ladite culasse 14 en regard de la surface d'entrefer, lesquels 25 champignons sont formés de tôles 13 agencées dans un plan y-z et empilées de façon sensiblement parallèles entre elles, soit dans la direction polaire de rotation notée G, soit dans la direction tangentielle x, soit dans une direction variable sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z, lesdits champignons 15 sont 30 interposés entre la culasse 14 et l'entrefer magnétique 17, lesdits 3036873 6/16 champignons 15 sont posés, ou enfoncés, sur la culasse 14 sur une surface sensiblement annulaire d'interaction mécanique, définie par une translation dans la direction d'axe z de la ligne 18, lesdits champignons 15 comportent de façon préférentielle un 5 évidement 19, qui reçoit le bobinage 12. Dans un mode de réalisation particulier, aucun évidement 19 n'est ménagé dans les champignons 15. 10 L'armature électromagnétique 10 ainsi formée a une longueur dans la direction d'axe z notée d13. Les champignons 15 sont disposés sur la culasse 14, de façon à ce que leurs évidements 19 soient disposés alternativement de chaque côté du 15 plan médian polaire passant par le milieu de la culasse 14, afin que le bobinage 12 s'enroule alternativement de part et d'autre desdits champignons 15. Le bobinage 12 est agencé de façon, soit préférentiellement ondulée, soit 20 imbriquée, autour des champignons 15. Les champignons 15 recevant le bobinage 12 forment ainsi vis-à-vis de la surface d'entrefer 17 autant de pôles magnétiques successifs de polarités successivement alternées Nord et Sud. Le nombre de champignons 15 est au moins égal au nombre de pôles magnétiques de la machine électrique. 25 Dans ce mode de réalisation astucieux, le flux magnétique généré par le bobinage 12 circule dans la culasse 14 selon une direction principale de rotation e, en étant circonscrit dans un plan coplanaire, donc sans générer de courants de Foucault, puisqu'il suit le sens des tôles 16. Puis 30 avant de rejoindre la surface d'entrefer 17, ledit flux magnétique traverse 3036873 7/16 dans une direction sensiblement radiale les champignons en suivant un plan y-z, donc sans y générer de courants de Foucault, puisqu'il suit le sens des tôles 13. Il apparaît qu'une circulation tridimensionnelle du flux magnétique a été obtenue dans l'armature magnétique, en n'utilisant que 5 des tôles magnétiques planes découpées. Dans ce mode de réalisation astucieux, le dépassement latéral du bobinage 12, dans le sens de l'axe z, appelé têtes de bobines, apparaît diminué, ce qui permet d'augmenter la surface d'interaction 10 électromagnétique active 17. Cette structure se différencie de celles dites à griffes, par le fait que le bobinage 12 est vrillé, et que les tôles le formant sont planes. Dans un mode de réalisation préférentiel, le bobinage 12 est réalisé en 15 dehors de l'armature électromagnétique 10, en enroulant le fil sur un mandrin annulaire, lequel assemblage est ensuite conformé, afin de pouvoir prendre place entre les champignons 15, pour former un enroulement ondulé 12. Dans ledit mode de réalisation préférentiel, le bobinage 12 peut soit être souple, soit être rigide, avant d'être introduit 20 dans l'armature électromagnétique 10 à sa place finale. Dans ledit mode de réalisation préférentiel, tous les champignons 15 correspondant à une même polarité (soit Nord, soit Sud), sont absents lors de l'insertion du bobinage 12 conformé au préalable, afin de permettre son introductioh dans la direction d'axe z. Lesdits champignons manquants sont insérés à 25 leur place une fois que le bobinage 12 est inséré sur les champignons 15 de polarité similaire. De façon évidente d'autres combinaisons d'insertions partielles des champignons 15 et de la bobine 12 sont possibles, au nombre desquelles sont possible parmi la liste suivante non-exhaustive : 3036 8 73 8/16 insérer la bobine 12 sur la culasse 14 nue, en la maintenant à l'aide de cales perdues ou démontables après insertion, puis insérer les champignons 15, - séparer la bobine 12 en sous-bobines insérées séparément, 5 insérer la bobine 12 sur la culasse 14 où une partie seulement des champignons 15 de même polarité a été mise à sa place définitive, utiliser des fausses dents amovibles durant l'étape d'insertion et/ou de bobinage, en remplacement des champignons 15 finaux, lesquelles dents amovibles seront avantageusement réalisées en 10 matière plastique ou en acier inoxydable poli. Dans un mode de réalisation particulier, les champignons 15 sont divisés en plusieurs parties, agencées en parallèle suivant sensiblement une direction angulaire G. Dans un autre mode de réalisation particulière les 15 culasses 14 sont divisées en plusieurs parties agencées en parallèle selon une direction coplanaire suivant sensiblement une direction d'axe z. Dans un premier mode de réalisation particulier, les champignons 15 sont formés à partir de tôles magnétiques toutes sensiblement identiques. Il est 20 possible dans ledit mode de réalisation de former un entrefer irrégulier, c'est-à-dire de donner une distance notée Heo de direction radiale y entre l'extrémité des tôles 13 au regard de l'entrefer 17 et ladite surface d'entrefer 17 qui suive une loi particulière, par exemple selon la formule : entrefer = (entrefer moyen) I (cosinus(angle électrique local)). 25 L'angle électrique est défini comme étant l'angle mécanique multiplié par le nombre de paires de pôles magnétiques. 3 03 6 8 73 9/16 Ladite distance radiale Heo est donnée par la forme de la ligne 18 de jonction entre les tôles 13 et la culasse 14, qui reproduit la fonction décrivant l'entrefer. 5 De façon préférentielle, la surface de jonction entre chacun des champignons 15 et la culasse 14 est obtenue par la translation linéaire sensiblement dans la direction axiale z de la ligne de jonction 18. Dans un autre mode de réalisation, ladite surface de jonction entre chacun des champignons 15 et la culasse 14 est obtenue en translatant linéairement 10 la ligne de jonction 18 dans une direction inclinée par rapport à l'axe z. Dans un mode de réalisation particulier, les tôles 13 peuvent avoir des hauteurs radiales différentes les unes des autres. 15 Dans un deuxième mode de réalisation particulier décrit à la figure 3, les champignons 15 sont formés à partir de tôles magnétiques ayant des hauteurs radiales différentes les unes des autres. La ligne de jonction 28 entre chacun des champignons 15 et la culasse 14 est une ligne brisée en au moins deux tronçons sensiblement droits et formant un triangle ou un 20 rectangle. Cette configuration impose aux tôles 13 formant les champignons 15 d'avoir une hauteur radiale, dans la direction radiale d'axe y, différente les unes des autres, afin de donner à l'entrefer une forme adaptée, telle qu'un anneau d'épaisseur constante dans la direction radiale d'axe y, ou dans un autre mode de réalisation une épaisseur 25 variable dans la direction radiale d'axe y. Dans ce deuxième mode de réalisation particulier, les tôles 13 peuvent être regroupées par lots de hauteur identique dans la direction y, afin de donner à l'entrefer une forme en escalier, vu de la surface d'entrefer 17. 3036873 10/16 Dans un troisième mode de réalisation particulier, non-décrit, les champignons 15 sont formés à partir de tôles magnétiques identiques ou différentes, et la ligne de jonction 28 entre chacun des champignons 15 et la culasse 14 est une ligne quelconque. Dans un mode de réalisation particulier, les champignons 15 sont réalisés en poudre SMC, à la place de tôle empilée. La longueur d10 d'enfoncement dans la direction radiale d'axe y de 10 chacun des champignons 15 dans la culasse 14 est comprise préférentiellement entre une valeur nulle et lOmm. De façon préférentielle, ladite longueur d'enfoncement di 0 doit être faible, typiquement 1 mm, afin d'éviter les courants de Foucault dans la zone d'interaction, à cause de la déviation locale du flux magnétique. 15 Dans un premier mode de réalisation préférentielle, les champignons 15 sont insérés en force dans la culasse14, puis ils y sont éventuellement collés. Dans un autre mode de réalisation, les champignons 15 sont enfoncés avec un jeu très faible dans la culasse 14 puis ils y sont collés. 20 Dans un autre mode de réalisation, la longueur d10 d'enfoncement est négative, c'est-à-dire que les champignons 15 sont collés sur une excroissance radiale de la culasse 14. 25 Dans un mode de réalisation particulier, les champignons 15 sont maintenus sur la culasse 14, soit par un résinage additionnel de l'ensemble de l'armature électromagnétique, soit par une pièce amagnétique, telle que plastique, acier inoxydable ou toute autre matière, soit par une frette placée dans l'entrefer. 3036 8 73 Dans un mode de réalisation préférentielle, l'évidement 19 ménagé dans les champignons 15, a une longueur d'axe z noté dl 1, laquelle est donnée par la formule suivante d13 = distance entre 2 armatures 14 successives 5 - distance polaire entre 2 champignons 15 successifs Dans un mode de réalisation particulier, la distance entre 2 armatures électromagnétiques successives est comprise entre lmm et 5mm. 10 La hauteur radiale de l'évidement ménagé dans les champignons 15 correspond à la section de cuivre désirée dans le moteur. Ladite hauteur radiale est de façon préférentielle inférieure à 5 fois la longueur polaire d'un champignon 15. 15 Au niveau de la jonction entre le champignon 15 et la culasse 14, la dimension d12 de l'évidement dans la direction radiale y des tôles 13 est de façon préférentielle comprise entre Omm et la longueur polaire d'un champignon 15. La valeur d12=-2mm correspond à un optimum entre la contrainte de minimisation des pertes fer dans la zone de jonction 18 et la 20 perte de volume de bobinage induite par le vide laissé entre le bobinage 12 et la culasse 14. Au niveau de la jonction entre l'entrefer et le champignon 15, la dimension d14 de l'évidement dans la direction radiale y des tôles 13 est de façon 25 préférentielle donnée par la formule suivante : d14 = d11 x (d13 -d11) /d13 - La figure 1 présente une armature électromagnétique formant une machine de l'état de rart. 3036873 12/16 La figure 2 présente un premier mode de réalisation possible d'une armature électromagnétique de l'invention. La figure 3 présente une deuxième réalisation possible d'une armature électromagnétique de l'invention. 5 La figure 4 présente une tôle 14 dans un plan de coupe polaire et une tôle 13 dans un plan de coupe y-z, correspondant au mode de réalisation de la figure 2. La figure 5 présente une tôle 14 dans un plan de coupe polaire et une tôle 13 dans un plan de coupe y-z, correspondant au mode de 10 réalisation de la figure 3. Toute la description de l'invention a été effectuée pour une machine tournante électrique dont la surface d'entrefer est un cylindre centré autour de son axe de rotation z. La transposition de l'invention à une 15 machine de type discoklale, où la surface d'entrefer est un disque, annulaire ou plein, centré sur l'axe de rotation, se fait de façon évidente par l'homme de l'art, en utilisant les symétries de conception adéquates, qui transposent par exemple les flux radiaux en flux tangentiels et réciproquement. 20 De façon évidente la description de l'invention s'étend à tous les modes de fonctionnement de la machine électrique tournante décrite, dans les quatre quadrants de fonctionnement du plan couple-vitesse de l'arbre, et par conséquent en modes moteur, générateur et frein, en sens de rotation 25 positif et négatif. De façon évidente, l'invention s'applique à toute armature électromagnétique utilisée pour réaliser soit un stator, soit un rotor, de machine électrique tournante, ladite armature pouvant être alimentée en 30 courant continu ou alternatif. 3036873 13/16 De façon évidente, dans la description de l'invention, le passage d'une structure à rotor extérieur, telle qu'illustrée, à une structure à rotor intérieur se fait par effet miroir vis-à-vis de la surface d'entrefer, comme le décrit 5 l'état de l'art, en utilisant une symétrie radiale centrée autour de la surface d'entrefer. De façon évidente, la description de la machine électrique tournante de l'invention s'étend à une machine électrique linéaire, en effectuant une 10 transformation conforme, qui déroule les dimensions dans l'axe polaire x en des dimensions linéaires. De façon évidente, toute ou partie des pièces ferromagnétiques constituant l'invention peuvent être réalisées en poudre SMC. 15 L'armature électromagnétique de l'invention peut être utilisée pour réaliser une machine homopolaire composée, synchrone ou asynchrone. La machine électrique résultante peut être commandée par un algorithme de commande en boucle ouverte de tension, associé éventuellement à un 20 procédé de réduction du bruit de son codeur. L'armature électromagnétique de l'invention peut être isolée avec un procédé d'isolation haute température à base de silicone. Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être 25 étendus à d'autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles magnétiques électromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans 30 l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. REVENDICATIONS1. Armature électromagnétique de machine électrique tournante caractérisée par le fait qu'elle est composée, en premier lieu, d'une culasse électromagnétique (14) formée de tôles (16), lesquelles sont agencées dans un plan coplanaire x-y et empilées de façon sensiblement parallèle dans la direction z, - en deuxième lieu, de champignons (15) posés, ou enfoncés, de façon sensiblement régulière, sur la surface cylindrique d'axe z de ladite culasse (14) en regard de la surface d'entrefer, lesquels champignons sont formés de tôles (13), agencées dans un plan y-z et empilées de façon sensiblement parallèles entre elles, 0 soit dans la direction polaire de rotation notée e, O soit dans la direction tangentielle x, o soit dans une direction variable, qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z, lesdits champignons (15) sont interposés entre la culasse (14) et l'entrefer magnétique (17), lesdits champignons (15) sont posés sur la culasse (14) sur une surface d'interaction mécanique sensiblement annulaire d'axe z, lesdits champignons (15) comportent de façon préférentielle un évidement (19), qui reeirle bobinage (12), lesdits champignons (15) sont disposés sur la culasse (14), de façon à ce que leurs évidements (19) soient disposés alternativement de chaque côté du plan médian polaire passant par le milieu de la culasse (14), afin que le 3036 8 73 15/16 bobinage (12) s'enroule alternativement de part et d'autre desdits champignons (15). 2. Armature électromagnétique de machine électrique tournante, 5 selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que le bobinage (12) est agencé de façon préférentiellement ondulée autour des champignons (15). 3. Armature électromagnétique de machine électrique tournante, 10 selon l'une quelconque des revendications précédentes et caractérisée par le fait que le nombre de champignons (15) est au moins égal au nombre de pôles magnétiques de la machine électrique. 4. Mode de réalisation d'une armature électromagnétique de 15 machine électrique tournante caractérisé par son mode de réalisation qui consiste en : - une insertion de champignons (15) en force dans une culasse (14), puis, un éventuel collage des champignons (15). 20 5. Mode de réalisation d'une armature électromagnétique de machine électrique tournante, selon la revendication précédente, caractérisée par son mode de réalisation qui consiste en l'insertion du bobinage (12) qui est réalisé, soit en dehors de l'armature électromagnétique (10), 25 soit sur la culasse (14) seule, en enroulant le fil, soit sur un mandrin annulaire, 3036873 16/16 - soit sur des fausses dents amovibles montées sur la culasse (14), lequel bobinage (12) est ensuite conformée, afin de pouvoir être mise en place sur la culasse (14), puis tout ou partie des champignons (15) est mis à leur place finale après l'insertion du bobinage (12) à sa place 5 finale, le reste des champignons (15) ayant été mis en place sur la culasse (14) avant l'insertion du bobinage (12). 6. Machine électrique tournante comprenant une armature électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 10 1 à 3 formant stator et d'un rotor aimanté annulaire dont les aimants sont situés en vis-à-vis de la surface d'entrefer (17). 7. Machine polyphasée comprenant un assemblage dans la direction d'axe z de plusieurs machines électriques tournantes de la 15 revendication précédente.