Brevet FR3060891A1 — publié le 20180622

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE COMPORTANT DES ELEMENTS DE MAINTIEN D'AIMANTS La présente invention concerne le domaine des machines électriques tournantes notamment pour véhicules automobiles. Le domaine de l'invention concerne plus particulièrement les ensembles rotor-stator comportant des éléments magnétiques devant être maintenus dans l'enceinte du rotor. Les machines électriques tournantes comprennent généralement un ensemble rotor-stator. Les machines électriques permettent, selon le type de fonctionnement envisagé, de générer un courant ou de produire une puissance mécanique à partir d'un courant d'induction. Dans ces deux modes de fonctionnement, le rotor et le stator comprennent soit une bobine, soit des aimants permanents afin de générer un flux magnétique. Actuellement, parmi les solutions utilisant des aimants permanents, il existe des rotors intégrant en leur sein des cavités pour y placer les aimants. Ces derniers peuvent être agencés de différentes manières afin de générer le champ optimum selon la configuration de la machine tournante électrique. A ce jour, une solution consiste à intégrer les aimants et les maintenir à partir d'une colle. Or cette solution est fastidieuse à mettre en oeuvre. Elle est longue et peut conduire à générer des points de fragilité selon la tenue des colles utilisées. Enfin, les chocs ou vibrations générés par la machine tournante électrique peuvent conduire à l'expulsion d'aimants, voire à les dégrader Une solution alternative consiste à placer dans chaque logement du rotor prévu pour accueillir les aimants une bande flexible exerçant une force de maintien sur l'aimant pour les maintenir. Une telle solution est représentée à la figure 1. Cependant, cette solution n'est pas optimale du point de vue de la constitution du pôle magnétique. Par ailleurs, le montage des ressorts est long et le maintien des aimants n'est pas rendu optimal. Enfin, cette solution 3060891 2 n'est pas optimale lors de l'opération d'assemblage lorsque un pôle rotor comprend des cavités ayant un profil complexe. L'invention permet de pallier aux inconvénients précités. s Selon un aspect, l'invention concerne une machine électrique tournante comportant un rotor destiné à être monté sur un arbre, le rotor étant agencé pour être en rotation par rapport au stator, ledit rotor comportant: des cavités longitudinales pour recevoir au moins un aimant 10 permanent et formant des pôles magnétiques du rotor, chaque pôle étant formé par deux cavités adjacentes ayant un profil en V ou en U dans un plan orthogonal à l'axe dans lequel s'étant l'arbre de la machine électrique, dit plan de coupe ; un ressort comportant deux bras reliés à une portion de connexion 15 et formant une butée axiale, les deux bras étant insérés dans chacune des cavités d'un pôle pour exercer une force de maintien des aimants sur le bord externe du rotor. Un avantage est de maintenir un effort constant sur les aimants vers le diamètre extérieur du rotor une fois qu'ils sont placés dans le rotor. 20 Un avantage de la double lamelle est de simplifier le montage et d'exercer une contrainte accrue sur les aimants. Selon un mode de réalisation, chaque bras forme une lamelle comportant une pluralité de bosses, chaque bosse exerçant une force dans le plan de coupe maintenant l'aimant auquel elle est associée. Un avantage 25 est de concevoir une lamelle spécialement adaptée à la configuration des aimants à disposer notamment en ce qui concerne leur structure et leur nombre. Selon un mode de réalisation, chaque aimant a une forme de parallélépipède rectangle. Un avantage est de faciliter leur insertion dans les 30 cavités du rotor. Selon un mode de réalisation, chaque bras comporte une partie extrémale formant une butée axiale pour maintenir les aimants d'une cavité d'un côté axial du rotor. 3060891 3 Selon un mode de réalisation, chaque partie extrémale exerce une force de rappel dans la direction de l'axe du rotor lorsqu'elle est sollicitée mécaniquement dans l'axe. Un avantage est de pouvoir absorber une partie des contraintes s mécaniques s'exerçant sur le rotor tout en maintenant les aimants dans leur logement. Selon un mode de réalisation, les deux cavités adjacentes forment une unique ouverture, les deux cavités étant jointes par une portion évidée s'étendant parallèlement aux cavités dans l'axe du rotor formant la pointe du 10 profil en forme de V. Un avantage est d'améliorer les performances magnétiques de chaque pôle magnétique du rotor. Selon un mode de réalisation, la portion de connexion est deformable de manière à permettre un pliage permettant de positionner les bras dans des directions parallèles ou sensiblement parallèles afin de 15 permettre l'introduction du ressort dans une encoche comportant deux cavités adjacentes. Un avantage est de permettre de produire des ressorts plus aisément dans la mesure où ils sont définis dans une tôle commune et pliés ensuite lors de l'opération de montage du rotor. 20 Selon un mode de réalisation, la portion de connexion comprend un méplat formant une surface d'appui s'étendant sur une surface transversale du rotor. Una avantage est d'améliorer la robustesse des bras et le maintien des ressorts. Selon un mode de réalisation, chaque cavité est adaptée pour 25 recevoir un bras ayant quatre bosses chacun, chaque bosse étant adaptée à maintenir un aimant selon un plan transversal. Cette configuration est particulièrement avantageuse pour le dimensionnement de certaines machines électriques utilisées conjointement avec un moteur thermique, notamment en ce qui concerne les performances magnétiques du rotor. 30 Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de montage d'une machine tournante comportant un rotor, ledit procédé comportant : 3060891 4 - Une insertion d'au moins un ressort, comportant deux bras reliés à une portion de connexion et formant une butée axiale, dans deux cavités adjacentes d'un pôle du rotor - Une insertion d'une pluralité d'aimants dans chaque cavité du s pôle du rotor, l'insertion s'effectuant selon l'axe du rotor en forçant la force de maintien des aimants exercé par le ressort le long de chaque cavité ; - Une insertion d'une flasque de maintien sur une extrémité du rotor après l'insertion de tous les ressorts et les aimants à 10 insérer dans le rotor. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : is figure 1 : un rotor de l'art antérieur comportant des aimants introduits dans des cavités longitudinales dudit rotor et maintenus par des lamelles flexibles ; figure 2A : une vue en perspective d'un rotor d'une machine tournante selon l'invention; figure 2B : une vue de coupe d'un rotor d'une machine tournante représentée 20 à la figure 2A ; figure 3 : une vue de coupe d'un ressort de l'invention introduit dans une ouverture du rotor de l'invention ; figure 4 : une portion de connexion d'un ressort bilames de l'invention ; figure 5 : une vue de dessus d'une encoche comportant deux cavités aptes à 25 recevoir un ressort de l'invention. La machine tournante comporte un arbre d'entrainement non représenté qui est par exemple fretté dans le rotor 1. Généralement deux modes de fonctionnement sont possibles. 30 Un premier mode de fonctionnement, dit moteur, comprend la génération d'un courant d'alimentation du stator pour induire un champ magnétique de manière à entrainer l'arbre d'entrainement sous l'effet de la rotation du rotor 1. Ce mode est notamment utilisé lors du démarrage du véhicule. 3060891 5 Un second mode de fonctionnement, dit générateur ou alternateur, permet à partir de la rotation de l'arbre d'entrainement d'engager la rotation du rotor 1. Sous l'effet de la rotation des aimants, un courant induit dans les bobines est créé est peut alimenter la machine électrique. Ce mode de fonctionnement peut être par exemple utilisé pour assister le moteur thermique. La figure 2A représente un rotor 1 d'une machine tournante de l'invention représenté en perspective. La figure 2B représente une vue de 10 dessus du rotor 1. Le rotor 1 a une forme sensiblement cylindrique et comporte une surface circonférentielle et deux surfaces transversales dont la forme est sensiblement un disque. Selon un mode de réalisation, le rotor 1 est réalisé à partir d'une pluralité de feuilles de tôle assemblées et compactées de sorte à former le 15 bâti central cylindrique du rotor 1. Le rotor 1 de l'invention se rapporte à un rotor à aimants permanents. Il peut être utilisé sans bobinage ou le cas échéant avec une bobine. Les aimants sont agencés dans des cavités longitudinales s'étendant par exemple d'une surface transversale à la surface transversale opposée. 20 Le stator de la machine tournante électrique n'est pas représenté sur les figures. Il peut s'agir par exemple d'un stator bobiné à épingles. La vue en perspective du rotor 1 représente également le ressort 12 ayant un profil en V dans la coupe transversale Pc et des aimants 10. Le 25 ressort 12 et les aimants sont insérés selon l'axe 2 du rotor 1 dans l'un des pôles agencés en périphérie du rotor 1 et comportant deux cavités 5, 5' adjacentes et s'étendant chacune selon l'axe du rotor 2. Chaque pôle comprend deux cavités 5, 5' longitudinales s'étendant selon un premier et un second axes transversaux dans le plan de 30 coupe Pc selon une forme adaptée à recevoir des aimants. Les deux axes transversaux associés à un pôle forment un angle qui est sensiblement le même angle que celui formé par les deux portions du profil en V du ressort 12. La forme du pôle est donc ajustée et adaptée à recevoir un ressort 12. Selon un mode de réalisation, les deux cavités 5, 5' partagent un passage 35 ménagé faisant correspondre les deux cavités pour former une unique 3060891 6 encoche. Selon un exemple de réalisation, le passage s'étend longitudinalement selon un axe parallèle à l'axe 2 du rotor 1. Ce passage s'étend donc le long de l'axe de l'arête formé par le profil en V. Selon un exemple de réalisation représenté à la figure 2A, le s ressort 12 est un ressort bilames. Les deux lames sont appelées des bras. Le ressort 12 comprend donc deux bras 120 et 120' qui sont reliés physiquement à l'une de leur extrémité. Les deux bras 120, 120' sont joints par une portion de connexion 123. Cette portion de connexion 123 permet de rendre solidaire les deux bras 120, 120'. En outre, la portion de connexion 10 123 assure un maintien des deux bras 120, 120' selon l'axe longitudinal 2. Les deux bras 120, 120' sont maintenus comme une épingle par leur extrémité qui permet une courbure desdits deux bras. La portion de connexion 123 est agencée de telle sorte qu'un angle est formé entre les deux bras 120, 120'. Selon un exemple de réalisation, chaque bras 120, 120' 15 a une forme de lamelle gondolée. Avantageusement, l'angle entre chaque lamelle d'un couple de bras correspond à l'angle formé par le V du profil en V. Avantageusement, chaque ressort 12 est enfiché dans une double cavités longitudinales 5 et 5'. Chacun des bras 120, 120' étant maintenu 20 dans une cavité 5 ou 5', le ressort 12 est alors maintenu par les parois de chacune des cavités 5, 5'. Selon un mode de réalisation, la portion de connexion 123 comprend un méplat représenté à la figure 4. Le méplat permet de former une surface d'appui et/ou de butée vis-à-vis du rotor 1 pour bloquer un 25 mouvement du ressort 12 dans un sens parallèle à l'axe 2 du rotor 1. En outre, le méplat permet d'ajuster la longueur de chaque bras enfiché dans les cavités et permet de s'assurer que le ressort 12 est insérer jusqu'au bout, c'est-à-dire jusqu'au contact du méplat sur la surface transversale du rotor 1. La figure 4 est une vue en perspective d'un ressort de l'invention 30 et représente à cet effet une portion de chaque bras 120, 120', chacun étant relié au méplat par l'intermédiaire d'une portion de rattachement 122, 122' assurant une certaine déformabilité pour insérer les bras 120, 120' dans les cavités 5, 5'. 3060891 7 La figure 5 représente une coupe en vue de dessus de l'encoche 5, 5'. Une partie hachurée 55 forme une surface d'appui de la surface transversale du rotor 1 sur laquelle le méplat peut s'étendre. Selon un mode de réalisation, les deux cavités longitudinales 5, 5' s comprennent une ouverture longitudinale 56 permettant de faire communiquer les deux cavités 5, 5' entre elles. Dans ce cas de figure, les deux cavités 5, 5' ne forment qu'une seule cavité ayant un interstice 56 en commun. La figure 5 représente un exemple de jonction de deux cavités 5, 5' d'une encoche ayant une section en forme sensiblement de V. Dans la suite 10 de la description que les cavités 5 et 5' communiquent ou non, elles seront nommées des cavités longitudinales 5 et 5' et l'encoche désigne le couple de cavités formant un pôle du rotor 1. L'interstice 56 entre deux cavités 5 et 5' permet d'améliorer la performance magnétique d'un pôle magnétique du rotor 1. D'un point de vue magnétique, les aimants d'une encoche 5, 5' sont 15 considérés deux à deux dans un plan de coupe Pc pour former un pôle magnétique ayant une section en forme de V. Cet agencement en forme de V permet de réduire la masse d'aimants nécessaire et permet donc de limiter l'étendue radiale d'un aimant équivalent non profilé en forme de V. Selon un mode de réalisation, les deux bras 120, 120' forment une 20 paroi fermant le passage entre les deux cavités longitudinales 5, 5'. La portion de connexion 123 permet de renforcer le maintien de chaque bras 120, 120 introduit dans une cavité longitudinale 5, 5' et donc du ressort 12. Un tel ressort 12 a une meilleure tenue aux vibrations et aux mouvements engendrés par la rotation du rotor 1. 25 Chaque cavité 5, 5' d'une encoche comprend des portions latérales formant des butées de maintien de chaque bras 120, 120' du ressort 12. La figure 5 représente une butée 50, respectivement 50' et une butée 51, respectivement 51' pour maintenir chaque bras dans la cavité 5 dans laquelle il est introduit, respectivement 5'. Les butées 50, 51 permettent 30 de maintenir la force de rappel du ressort 12 sur les aimants 10 sans que les bras 120, 120' du ressort 12 ne puissent évoluer hors de la cavité 5, 5'. Une autre butée 52, 52' en bout de cavité 5, 5' permet de maintenir les bras 120, 120' du ressort 12 confinés dans leur logement. 3060891 8 Du fait de la présence des aimants dans les cavités, chaque bras est plaqué sur une surface intérieure longitudinale et maintenu entre deux butées, comme par exemple la butée 50 et 52. Selon un premier exemple de réalisation, chaque lamelle comprend une pluralité de bosses 125 agissant comme un ressort exerçant une force de maintien dans un plan transversal au ressort 12, c'est-à-dire un plan parallèle au plan Pc. Cette force de maintien permet de retenir les aimants qui sont insérés dans les cavités 5, 5' le long des bras 120, 120'. Un 10 avantage est que chaque bosse 125 permet de retenir un aimant 10 en vis-à-vis de la bosse 125 et de le plaquer ainsi contre la paroi de la cavité longitudinale 5 ou 5'. Selon un second exemple de réalisation non représenté, chaque lamelle comprend une unique bosse 125 s'étend sur la longueur du bras 120. is Dans ce cas de figure, la bosse 125 de la lamelle exerce une force le long de la lamelle avec une force maximale en son centre. Un ou plusieurs aimants 10 peuvent être retenus dans un plan Pc par un tel bras. Selon un autre mode de réalisation non représenté, chaque lamelle comprend une pluralité de bosses 125, chaque bosse 125 retenant 20 au moins deux aimants. Les lamelles formant les bras du ressort 12 sont avantageusement réalisées en Inox. Tout autre matériau amagnétique pour la réalisation des ressorts convient à la solution de l'invention. Un avantage est d'éviter la 25 création de courts circuits avec les aimants tout en permettant la création d'un couple d'aimants ayant une section en forme de V dans une tranche selon un plan de coupe Pc. Le matériau amagnétique du ressort 12 permet de ne pas altérer le flux magnétique créé par le couple d'aimants formant un pôle en V selon une tranche transversale. 30 Les aimants 10 permettent de générer un flux magnétique dans la machine tournante afin de l'entrainer. Selon un mode de réalisation, chaque aimant 10 a une forme parallélépipédique. Chaque aimant 10 s'insère dans une cavité dont le profil 35 est compatible d'une forme rectangulaire dans le plan de coupe Pc. Selon un 3060891 9 autre exemple de réalisation, les aimants 10 peuvent avoir une forme de parallélépipède droit ou cylindrique. Selon un mode de réalisation, les aimants 10 ont une longueur inférieure au quart de la longueur du rotor 1. Selon un exemple de réalisation, quatre aimants 10 sont insérés dans chaque cavité 5, 5'. Dans cet exemple, chaque bras 120, 120' comporte quatre bosses 125 permettant de retenir les quatre aimants 10 dans un plan transversal Pc. Un avantage de l'introduction d'une pluralité d'aimants 10 dans chaque cavité longitudinale 5, 5' est de réduire les pertes magnétique. 10 Selon d'autres modes de réalisation, deux aimants sont introduits dans chaque cavité longitudinale 5, 5'. Selon un mode de réalisation, un unique aimant est introduit dans chaque cavité longitudinale 5, 5'. Selon un mode de réalisation, au niveau de la partie supérieure du 15 rotor 1 représenté sur la figure 2A, c'est-à-dire sur la partie par laquelle on insère les ressorts 12, le rotor 1 comprend un capot (non représenté) permettant de limiter les déplacements axiaux du ressort 12. Le capot évite que les ressorts 12 ne sortent de leur logement sous l'effet des mouvements du rotor 1. En outre, le capot permet de retenir les poussières d'aimants 20 pouvant être produites par les frottements. En dernier recours, le capot permet d'éviter la sortie des aimants 10 qui seraient éjectés de leur logement sous l'effet de la force centrifuge du rotor 1 et ce malgré la force de rappel exercée par le ressort 12 sur les aimants 10. A l'une des extrémités du rotor 1, les aimants 10 sont retenus par les parties extrémales 124, 124' du ressort 25 12 et à l'extrémité opposée, les aimants 10 sont retenus par le capot. Chaque partie extrémale 124, 124' respectivement d'un bras 120, 120' exerce également une force de rappel axiale de sorte à repousser l'aimant 10 qui est positionnée à l'extrémité de la cavité 5, 5' du rotor 1. Ainsi, chaque partie extrémale 124, 124' agit comme une butée empêchant les aimants 10 30 de sortir des cavités 5, 5'. Ils peuvent également agir comme un ressort repoussant l'aimant 10 pour le ramener dans sa position dans la cavité 5, 5'. Cette solution assure une meilleure tenue aux chocs et aux vibrations. Le ressort 12 est dimensionné de telle sorte que la force de rappel exercée par les bosses 125 est suffisamment élevée pour maintenir les 35 aimants 10. Toutefois, dans certaines configurations de chocs ou 3060891 -10- d'endommagements des pièces, les aimants 10 peuvent être mobiles dans la cavité 5 ou 5'. Le capot permet ainsi d'éviter qu'un aimant 10 ne sorte de son logement. Le capot assure ainsi une certaine sécurité de fonctionnement. La figure 2A représente une vue de dessus du rotor 1 dans un plan Pc. Le rotor 1 comporte une ouverture axiale centrale 6 permettant le passage d'un arbre d'entrainement non représenté. Selon un mode de réalisation, des ouvertures 8 sont réalisées pour alléger le poids du rotor 1. En outre, ces ouvertures 8 permettent 10 également le passage de vis pour fixer le capot. Selon le cas d'exemple de la figure 2A, il y a huit ouvertures 8 disposées dans la circonférence d'un cercle intérieur à la section du rotor 1 et entourant l'ouverture axiale centrale 6. La forme des ouvertures 8 peut avoir un profil circulaire, carré, trapézoïdale, de losange ou de parallélépipède. 15 Selon un mode de réalisation, seules quelques ouvertures 8, par exemple quatre ouvertures 8, sont utilisées pour le passage de vis de fixation. Dans ce cas de figure, les autres ouvertures 8 permettent d'alléger le poids du rotor 1. Selon un mode de réalisation, des ouvertures 7 sont réalisées 20 pour le passage d'éléments de fixation pour maintenir la structure du rotor 1. Lorsque ce dernier comprend une pluralité de feuilles de tôles, ces éléments permettent d'assurer une certaine compacité du bâti formant le rotor 1. Selon un exemple de réalisation, des tiges de fixation telles que des rivets sont insérées dans chaque ouverture et traverse la longueur du rotor 1 pour fixer 25 le capot à l'extrémité opposé du rotor 1. Selon le cas d'exemple de la figure 2A, il y a huit ouvertures 7 disposés dans la circonférence d'un cercle intérieur à la section du rotor 1 et entourant l'ouverture axiale centrale 6. La forme des ouvertures 7 peut avoir un profil circulaire, carré, trapézoïdale, de losange ou de parallélépipède. 30 Selon un exemple de réalisation, le procédé de montage d'une machine tournante électrique comportant un rotor, comprend : - Une insertion d'au moins un ressort bilames 12 dans une encoche {5, 5'}. L'encoche {5, 5'} comporte deux cavités 5, 5' adjacentes dans lesquelles les 35 deux lames 120, 120' du ressort 12 sont insérées. Les deux lames 120, 120' 3060891 forment des bras qui sont insérés jusqu'à un contact du ressort 12 sur la surface transversale du rotor 1, ledit contact assurant une butée. Une portion de connexion 123 reliant les deux bras 120, 120' comporte un méplat permettant de limiter et contrôler l'insertion des bras dans chaque encoche s {5, 5'}. En outre, le procédé comporte : - Une insertion d'une pluralité d'aimants 10 dans chaque cavité 5, 5' du pôle du rotor 1. L'insertion des aimants 10 s'effectue selon un axe parallèle à l'axe 10 2 du rotor 1. Les aimants 10 sont insérés un à un et sont positionnés chacun en vis-à-vis d'une bosse 125 de la lame du ressort 12. Chaque bosse 125 permet d'exercer une force de rappel sur l'aimant 10 pour maintenir des aimants 10 dans une position donnée d'une cavité 5, 5' de l'encoche. 15 Enfin, le procédé de l'invention comporte : - Une insertion d'une flasque de maintien sur une extrémité du rotor 1 après l'insertion de tous les ressorts 12 et les aimants 10 dans les cavités 5, 5'. La flasque forme un capot permettant de maintenir les ressorts 12 de manière à éviter leur extraction des logements du rotor 1. 20 Un avantage d'un tel procédé de montage est la rapidité de montage du rotor 1. L'étape conventionnelle de collage des aimants 10 est ainsi supprimée. Le procédé de montage permet également un démontage facilité. En effet, l'extraction des aimants 10 peut se faire aisément en tirant le ressort 12 de l'encoche {5, 5'}. Les opérations de maintenance ou de 25 contrôle sont ainsi facilitées.