Brevet FR3036554A1 — publié le 20161125

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE L'invention concerne notamment une machine électrique tournante et, en particulier, un rotor pour machine électrique tournante. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les alternateurs ou encore les alterno-démarreurs. On rappelle qu'un alternodémarreur est une machine électrique tournante apte à travailler de manière réversible, d'une part, comme générateur électrique en fonction alternateur et, d'autre part, comme moteur électrique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule automobile. Contrairement à un alternateur, le contrôle des alterno-démarreurs, également connus sous le nom d'e-machines, est réalisé par une régulation de couple. Afin d'avoir une bonne précision de ce couple, il est nécessaire d'avoir une bonne précision sur la position du rotor. Ainsi, la mesure de la position du rotor est une fonction principale du fonctionnement d'une telle machine et doit être réalisée avec une grande précision de mesure. Il est connu d'effectuer cette mesure de position par l'utilisation de trois capteurs à effet Hall placés dans une unité de capteur et connectés à un onduleur ou directement à un module de commande, par exemple pour les générateurs de démarrage intégré. Afin de réaliser cette mesure, ces capteurs reçoivent un champ magnétique venant d'un élément magnétique solidaire du rotor. Un inconvénient de cette méthode de mesure est que les capteurs perçoivent le champ magnétique transmis par l'élément magnétique et également un champ magnétique parasite. Ce champ magnétique parasite vient notamment de l'interaction entre le champ magnétique du rotor et du stator traversant le ventilateur arrière du rotor, et notamment les paliers de ce ventilateur. La présente invention a pour but de proposer une machine électrique tournante où la mesure de la position du rotor est précise. En particulier, la présente invention vise à proposer une machine électrique tournante dont 3036554 2 les capteurs de mesure de la position du rotor ne sont pas perturbés par un champ magnétique autre que celui émis par l'élément magnétique associé au capteur. A cet effet, l'invention a donc pour objet une machine électrique 5 tournante. Selon l'invention, la machine électrique tournante comporte : - au moins un capteur, et - un rotor comportant : - au moins un élément magnétique agencé pour coopérer avec ledit capteur afin de délivrer une information relative à la position 10 angulaire du rotor, et - au moins un écran disposé radialement à l'extérieur par rapport au capteur et agencé pour protéger ledit capteur de champs magnétiques parasites venant d'une portion externe du rotor. Le fait d'avoir un écran permet de protéger le capteur de champs 15 magnétiques parasites externes. En particulier, le fait que cet écran soit positionné radialement à l'extérieur par rapport au capteur permet de protéger ce dernier contre les perturbations magnétiques venant des paliers du ventilateur. Cela permet donc d'améliorer la précision de la mesure de la position du rotor de la machine tournante. Grâce à cette 20 solution, il est ainsi possible d'avoir une bonne précision sur le couple de la machine électrique tournante. En outre, la solution proposée ici permet de réaliser cette fonction de protection du capteur de manière simple, fiable et efficace tout en conservant des performances optimales du rotor. 25 De plus, cette solution est applicable à l'architecture actuelle des rotors et n'augmente pas les dimensions de la machine électrique tournante. Cette solution est donc compatible avec l'augmentation de l'espace utilisé pour l'électronique de puissance et le contrôle de cette électronique dans les machines électriques tournantes. 30 Avantageusement, l'écran comporte un métal. Le fait que l'écran comporte un métal permet d'améliorer sa fonction de protection contre les perturbations magnétiques. En variante, l'écran comporte un alliage métallique tel que l'acier. Toujours en variante, l'écran pourrait comporter 3036554 3 n'importe quel matériau du moment que la tenue mécanique de celui-ci est suffisante par rapport à la force centrifuge et aux efforts axiaux liés à la vibration. Dans une forme de réalisation, l'écran présente une forme en portion 5 de cylindre, notamment de cylindre, de préférence le cylindre étant sensiblement centré par rapport un axe du rotor. De plus, l'écran s'étend avantageusement axialement par rapport à un axe du rotor. Par exemple, l'écran s'étend axialement de manière à protéger toute la surface du capteur, c'est-à-dire que la longueur axiale de 10 l'écran est supérieure ou égale à la longueur axiale du capteur. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'élément magnétique est positionné entre l'écran et le capteur. De plus, de manière avantageuse, l'élément magnétique s'étend axialement par rapport à l'axe du rotor. 15 En outre, l'élément magnétique présente avantageusement une forme en portion de cylindre, notamment de cylindre, de préférence le cylindre étant sensiblement centré par rapport un axe du rotor et présentant un rayon plus petit que celui de la forme cylindrique de l'écran. Le fait d'avoir l'élément magnétique centré par rapport à l'axe du rotor 20 permet d'équilibrer les mesures de position. De préférence, l'écran est agencé de manière à être en contact avec l'élément magnétique. Par exemple, l'écran est surmoulé sur une face externe, dans une direction radiale, de l'élément magnétique. Si on le souhaite, l'élément magnétique peut être un aimant. 25 Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, l'élément magnétique comporte une ferrite. Le fait que l'élément magnétique comporte une ferrite permet de diminuer le coût d'un tel rotor. L'utilisation de matériaux de type ferrite est rendu possible par la mise en place de l'écran qui permet d'augmenter la précision de la mesure de la position du 30 rotor. Avantageusement, le rotor comprend en outre une coupelle portant l'écran. De préférence, la coupelle porte également l'élément magnétique. 3036554 4 La coupelle s'étend, de manière avantageuse, sensiblement radialement par rapport à l'axe du rotor. Toujours de manière avantageuse, la coupelle présente une ouverture interne de manière à être insérée autour de l'arbre du rotor. 5 Dans un mode de réalisation, la coupelle présente un pourtour sensiblement en forme de cercle. Avantageusement, l'écran est positionné sur le pourtour de la coupelle et s'étend en saillie par rapport à la coupelle. Dans un mode de réalisation, la coupelle est agencée pour permettre 10 le positionnement en regard les uns avec les autres, dans une direction radiale, du capteur, de l'élément magnétique et de l'écran. Le cas échéant, la coupelle peut par exemple présenter un décrochement permettant le positionnement du capteur en regard de l'élément magnétique. 15 Par exemple, la coupelle comporte un métal. En variante, la coupelle comporte un alliage métallique tel que l'acier. Toujours en variante, la coupelle pourrait comporter n'importe quel matériau du moment que la tenue mécanique de celui-ci est suffisante par rapport à la force centrifuge et aux efforts axiaux liés à la vibration. 20 Dans un exemple de mise en oeuvre, la coupelle et l'écran sont monoblocs. Dans un mode de réalisation, la coupelle est une tôle qui peut être emboutie. La coupelle est sertie sur un roulement du rotor, par exemple sur la 25 périphérie interne du roulement. Ainsi, tout type de roulements de dimensions différentes est compatible avec la coupelle. En variante, la coupelle est sertie sur l'arbre du rotor. De préférence, la coupelle est positionnée à l'arrière du rotor, c'est-à-dire du côté de l'électronique du rotor. Cela permet au capteur d'être 30 positionné proche de l'électronique du rotor à laquelle il transmet ses mesures de position. 3036554 5 De plus, toujours de préférence, la coupelle est positionnée de manière à ce que l'écran et l'élément magnétique soient orientés vers l'électronique du rotor. Par exemple, une machine électrique tournante telle que 5 précédemment décrite peut être un alternateur ou un alterno-démarreur. L'invention a également pour objet un rotor pour une machine électrique tournante comportant : - au moins un élément magnétique agencé pour coopérer avec au moins un capteur afin de délivrer une information relative à la position 10 angulaire du rotor, et - au moins un écran disposé radialement à l'extérieur par rapport au capteur et agencé pour protéger ledit capteur de champs magnétiques parasites venant d'une portion externe du rotor. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description 15 détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de l'invention et à l'examen des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement et partiellement, en coupe une machine électrique tournante selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, 20 - la figure 2 représente, schématiquement et partiellement, en coupe une partie du rotor de la machine électrique tournante de la figure 1, et - la figure 3 représente, schématiquement et partiellement, une vue de dessus d'un exemple d'une coupelle de la machine électrique 25 tournante de la figure 1. La figure 1 représente un alternateur A compact et polyphasé, notamment pour véhicule automobile. Cet alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible. Un alternateur réversible est appelé alterno-démarreur et permet de 30 transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. 3036554 6 L'alternateur A comporte un carter 1 et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor 2 à griffes, solidaire en rotation de manière directe ou indirecte d'un arbre 3, et un stator 4, qui entoure le rotor 2 avec présence d'un entrefer. Un axe X-X de l'arbre 3 forme l'axe de rotation du rotor 2. 5 Dans la suite de la description les orientations radiale, transversale et axiale sont à considérer par rapport à cet axe X-X. Le stator 4 comporte un corps en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi fermé, équipées d'isolant d'encoches pour le montage des phases du stator, chaque phase 10 comportant au moins un enroulement traversant les encoches du corps du stator et formant, avec toutes les phases, 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, 15 tels 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. 20 Le rotor 2 comporte deux roues polaires 7, 8. Chaque roue 7, 8 présente un flasque 13, 14 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de dents 9 par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les dents 9 d'une roue polaire 7, 8 sont dirigées axialement vers le flasque 13, 14 de l'autre roue, la dent 9 pénétrant dans 25 l'espace existant entre deux dents 9 voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les dents 9 soient imbriquées. La périphérie externe des dents 9 est d'orientation axiale et définit avec la périphérie interne du corps du stator un entrefer entre le stator 4 et le rotor 2. 30 Les flasques des roues 7, 8 sont de forme annulaire. Un noyau cylindrique est intercalé axialement entre les flasques des roues 7, 8. Ici ce noyau consiste en deux demi noyaux 11, 12 appartenant chacun à l'un des flasques 13, 14. 3036554 7 Le rotor 2 comporte, entre le noyau et les dents 9, une bobine 10 comportant un moyeu et un bobinage électrique sur ce moyeu. Dans l'exemple décrit, le moyeu est en matière électriquement isolante telle que de la matière plastique, tandis que les roues polaires 7, 5 8 et le noyau sont métalliques en étant ici en matière ferromagnétique, telle que de l'acier doux. L'arbre 3 est également métallique en étant en matériau ferromagnétique, tel que de l'acier, plus dur que les roues polaires et le noyau du rotor à griffes. Le carter 1 comporte un palier avant 16 et un palier arrière 17 qui 10 sont assemblés ensemble. Le palier arrière 17 porte un porte-balais, le régulateur de tension et au moins un pont redresseur. Les paliers 16 et 17 sont de forme creuse et portent chacun centralement un roulement à billes respectivement 19 et 20 pour le montage à rotation de l'arbre 3 du rotor 2. 15 Une poulie est fixée sur une extrémité dite avant 5 de l'arbre 3, par exemple à l'aide d'un écrou en appui sur le fond de la cavité de cette poulie. Un élément de butée 15 est, ici, est intercalé axialement entre la face frontale de la roue polaire avant 7 et la bague interne du roulement 19. 20 L'élément de butée 6 est, dans cet exemple, un épaulement venant de matière avec l'arbre 11. L'extrémité avant 5 de l'arbre 3 porte la poulie appartenant à un dispositif de transmission de mouvements à au mois une courroie entre l'alternateur et le moteur thermique du véhicule automobile, tandis que 25 l'extrémité arrière 6 de diamètre réduit de l'arbre 3 porte des bagues collectrices reliées par des liaisons filaires au bobinage. Des balais appartenant à un porte-balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Le porte-balais est relié à un régulateur de tension. Les bagues collectrices appartiennent à un collecteur 18. Le 30 collecteur 18 comporte en outre les bagues collectrices, des pattes de raccord électriques pouvant être déformées pour assurer la connexion électrique au bobinage. Ces pattes sont reliées électriquement aux bagues collectrices. 3036554 8 Lorsque le bobinage d'excitation est alimenté électriquement à partir des balais, le rotor 2 est magnétisé et devient un rotor inducteur avec formation de pôles magnétiques Nord-Sud au niveau des griffes et donc des dents 9 des roues polaires. 5 Ce rotor inducteur crée un courant induit alternatif dans le stator induit lorsque l'arbre 3 tourne, le ou les ponts redresseurs permettant de transformer le courant alternatif induit en un courant continu, notamment pour alimenter les charges et les consommateurs du réseau de bord du véhicule automobile, ainsi que pour recharger la batterie dudit véhicule. 10 Ce rotor 2 peut comporter des aimants permanents interposés entre deux dents 9 voisines à la périphérie externe du rotor. En variante, le rotor 2 peut être dépourvu de tels aimants. Le palier avant 16 et le palier arrière 17 comportent des ouvertures sensiblement latérales pour le passage de l'air en vue de permettre le 15 refroidissement de l'alternateur par circulation d'air engendrée par la rotation d'un ventilateur 24 dit arrière sur la face dorsale arrière du rotor, c'est-à-dire au niveau du palier arrière 17. Chaque ventilateur est fixé sur la roue polaire correspondante par exemple à l'aide de vis ou par rivetage ou encore par soudage par points. 20 La figure 2 illustre notamment un zoom de la figure 1 qui représente en partie la partie arrière de l'alternateur A. La position du rotor 2 peut être mesurée à l'aide de trois capteurs 25, par exemple des capteurs à effet Hall. Ces capteurs sont portés par un porte-capteur 27. 25 Ces capteurs 25 coopèrent avec un élément magnétique 26 afin de délivrer une information relative à la position angulaire du rotor. L'élément magnétique 26, plus communément appelé encodeur magnétique, est par exemple un aimant. Cet élément magnétique 26 est solidaire en rotation du rotor 2. 30 Afin de protéger les capteurs 25 de champs magnétiques parasites venant d'une portion externe du rotor tels que le champ rotorique émit par le ventilateur arrière 24 et notamment par ses pales, un écran 28 est disposé radialement à l'extérieur par rapport aux capteurs 25. L'écran 28 3036554 9 forme ainsi une barrière empêchant les capteurs 25 de détecter des perturbations magnétiques, ce qui permet d'améliorer la précision de mesure de ces capteurs 25. En outre, l'écran 28 est positionné radialement à l'extérieur par 5 rapport à l'élément magnétique 26. De préférence, l'élément magnétique 26 est positionné radialement entre l'écran 28 et les capteurs 25. L'écran 28 peut comporter un métal. Par exemple, l'écran 28 comporte un alliage métallique tel que l'acier. En variante, l'écran 28 est comporte de l'aluminium. Toujours en variante, l'écran 28 pourrait être 10 formé de n'importe quel matériau du moment que la tenue mécanique de celui-ci est suffisante par rapport à la force centrifuge et aux efforts axiaux liés à la vibration. L'écran 28 s'étend axialement par rapport à l'axe X-X. En outre, l'écran 28 s'étend axialement, de préférence, de manière à protéger toute 15 la surface des capteurs 25, c'est-à-dire qu'une longueur axiale de l'écran 28 est supérieure ou égale à une longueur axiale d'un capteur 25. L'écran 28 présente une forme en portion de cylindre, notamment de cylindre. De préférence, le cylindre est sensiblement centré par rapport l'axe X-X. 20 L'élément magnétique 26 présente, dans cet exemple, une forme cylindrique centrée sur l'axe X-X et présentant un rayon plus petit que celui de la forme cylindrique de l'écran 28. De plus, l'élément magnétique 26 s'étend axialement par rapport à l'axe X-X. Dans l'exemple présenté ici, l'écran 28 est en contact avec l'élément 25 magnétique 26. Ainsi, une face externe, radialement, de l'élément magnétique 26 est en contact avec une face interne, radialement, de l'écran 28. Par exemple, l'écran 28 est surmoulé sur la face externe, dans une direction radiale, de l'élément magnétique 26. L'élément magnétique 26 comporte une ferrite, en particulier 30 l'élément magnétique 26 est formé d'une ferrite. En variante, l'élément magnétique 26 comporte un terre rare. 3036554 10 Le rotor 2 comprend, en outre, une coupelle 29 portant l'écran 28. La coupelle 29 porte également, dans le mode de réalisation présenté ici, l'élément magnétique 26. La coupelle 29, comme représentée sur la figure 3, s'étend 5 sensiblement radialement. Elle présente une ouverture interne 30 permettant l'insertion de la coupelle 29 autour de l'arbre 3. Elle présente également un pourtour 31 en forme de cercle. L'écran 28 est positionné sur le pourtour 31 et s'étend en saillie par rapport à la coupelle 29. 10 La coupelle 29 est agencée pour permettre le positionnement en regard les uns avec les autres des capteurs 25, de l'élément magnétique 26 et de l'écran 28. Les capteurs 25, l'élément magnétique 26, et l'écran 28 sont donc sensiblement alignés radialement. Pour cela, la coupelle 29 présente, ici, un décrochement 32 15 permettant le positionnement des capteurs 25 en face de l'élément magnétique 26 et ainsi l'insertion d'une extrémité du porte-capteur 27. Le décrochement 32 forme un enfoncement dans la coupelle 29. Dans cet exemple, la coupelle 29 et l'écran 28 sont monoblocs, c'est-à-dire qu'ils forment une seule pièce. 20 La coupelle 29 peut être une tôle et peut être formée par emboutissage. Elle comporte un métal, par exemple elle comporte un alliage métallique tel que l'acier. En variante, la coupelle 29 comporte de l'aluminium. Toujours en variante, la coupelle 29 pourrait être formée de n'importe quel matériau du moment que la tenue mécanique de celui-ci est 25 suffisante par rapport à la force centrifuge et aux efforts axiaux liés à la vibration. La coupelle 29 peut être sertie sur le roulement 20, par exemple sur la périphérie interne du roulement 20. En variante, la coupelle 29 est sertie sur l'arbre 3. 30 La coupelle 29 est positionnée à l'arrière du rotor 2, c'est-à-dire du côté de l'électronique du rotor 2, de préférence axialement entre une électronique du rotor 2 et les roues polaires 7, 8. En outre, la coupelle 29 est positionnée de manière à ce que l'écran 28 et l'élément magnétique 26 3036554 n soient orientés vers l'électronique du rotor 2. Ainsi la coupelle 29 forme une barrière entre le ventilateur arrière 24 et les capteurs 25. L'invention concerne en outre une machine électrique A, telle qu'un alternateur ou un alterno-démarreur, comportant un rotor 2 tel que 5 précédemment décrit, c'est-à-dire un rotor 2 comportant : - au moins un élément magnétique 26 agencé pour coopérer avec un capteur 25 afin de délivrer une information relative à la position angulaire du rotor 2, et - au moins un écran 28 disposé radialement à l'extérieur par rapport 10 au capteur 25 et agencé pour protéger ledit capteur 25 de champs magnétiques parasites venant d'une portion externe du rotor 2. Dans une variante de réalisation, le rotor 2 peut, par exemple, comprendre plusieurs écrans 28 en forme de portion de cylindre positionnés de manière adjacente. 15 L'invention trouve des applications en particulier dans le domaine des rotors pour alternateur ou alterno-démarreur mais elle pourrait également s'appliquer à tout type de machine tournante dont la position du rotor est mesurée. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre 20 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 équivalents. REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante comportant : - au moins un capteur (25), et - un rotor (2) comportant : - au moins un élément magnétique (26) agencé pour coopérer avec ledit capteur (25) afin de délivrer une information relative à la position angulaire du rotor (2), et - au moins un écran (28) disposé radialement à l'extérieur par rapport au capteur (25) et agencé pour protéger ledit capteur de champs magnétiques parasites venant d'une portion externe du rotor (2). 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'écran (28) comporte un métal, notamment un alliage métallique tel que l'acier. 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'écran (28) présente une forme en portion de cylindre, notamment de cylindre, de préférence le cylindre étant sensiblement centré par rapport un axe (X-X) du rotor (2). 4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'élément magnétique (26) est positionné entre l'écran (28) et le capteur (25). 5. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rotor (2) comprend en outre une coupelle (29) portant l'écran (28). 6. Machine électrique tournante selon la revendication 5, caractérisée en ce que la coupelle (29) porte, en outre, l'élément magnétique (26). 3036554 13 7. Machine électrique tournante selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que la coupelle (29) est agencée pour permettre le positionnement en regard les uns avec les autres, dans une direction radiale, du capteur (25), de l'élément magnétique (26) et de l'écran (28). 8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que la coupelle (29) présente un décrochement (32) permettant le positionnement du capteur (25) en regard de l'élément magnétique (26). 9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que la coupelle (29) est sertie sur un roulement du rotor (2). 15 10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce que la coupelle (29) et l'écran (28) sont monoblocs. 11. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des 20 revendications 5 à 10, formant un alternateur ou un alterno-démarreur. 12. Rotor pour une machine électrique tournante comportant : - au moins un élément magnétique (26) agencé pour coopérer avec un capteur (25) afin de délivrer une information relative à la position 25 angulaire du rotor (2), et - au moins un écran (28) disposé radialement à l'extérieur par rapport au capteur (25) et agencé pour protéger ledit capteur de champs magnétiques parasites venant d'une portion externe du rotor (2). 5 10