Brevet FR3059850A1 — publié le 20180608

-1- ROTOR POUR MACHINES ELECTRIQUES A AIMANTS PERMANENTS (IPM) Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des machines électriques rotatives sans balais du type à rotor à aimant permanent intérieur (IPM ou « interior permanent magnet » en anglais) permettant réduire la quantité d'aimants permanents utilisée, sans réduire le couple. La machine électrique peut être de type moteur ou de type générateur. Dans de telles machines, le rotor est constitué par un empilement de tôles ferromagnétiques de forme globalement annulaire de rotor ayant une section sensiblement circulaire pourvu, au niveau d'une partie centrale, d'un trou d'insertion d'arbre de rotation à travers lequel s'étend un arbre de rotation. En outre, le paquet de tôles de rotor est pourvu, au niveau d'un côté circonférentiel extérieur, de trous d'insertion d'aimant sensiblement rectangulaires dans lesquels des aimants principaux parallélépipédiques sont insérés. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique de nombreuses solutions de machines aimants permanents intérieurs comprenant un rotor présentant une zone de faible épaisseur, du coté de l'entrefer, pour réduire les fuites magnétiques. Le brevet US8922083 décrit un noyau rotorique feuilleté rotor comprenant une partie de noyau interne et une pluralité de secteurs formant noyau extérieur. La partie de noyau intérieure se prolonge axialement en une forme cylindrique dans une région située radialement vers les aimants. Les secteurs formant noyau extérieur sont disposés dans une direction circonférentielle dans une zone située radialement vers l'extérieur. Les secteurs formant noyau extérieur et une pluralité d'aimants sont agencés de manière 3059850 -2 alternée dans la direction circonférentielle. Par conséquent, le flux magnétique généré par une paire de surfaces de pôles magnétiques de la pluralité d'aimants peut être utilisé efficacement. 5 On connaît aussi le brevet français FR3008251 décrivant un corps du rotor comporte : - un premier flasque de support portant un premier épaulement en matière amagnétique, - un moyeu en matière amagnétique porté par le 10 premier flasque et présentant une extrémité libre, - un second flasque de pression en matière amagnétique monté sur l'extrémité libre du moyeu, - des bras en matière magnétique globalement d'orientation radiale et séparés les uns des autres par des 15 fentes en étant implantés axialement entre le premier épaulement et le second flasque, - une liaison mécanique intervenant entre la périphérie interne des bras et le moyeu, - des aimants permanents montés dans les fentes 20 séparant deux à deux les bras et délimitant avec le moyeu des logements de montage des aimants, - des moyens élastiques à action radiale implantés entre le moyeu et la périphérie interne des aimants, - des trous alignés réalisés dans le premier 25 épaulement, dans les bras et dans le second flasque de pression pour passage d'organes de fixation - tels que de rivets, des boulons, des vis ou des goujons - pour serrage des bras entre le premier épaulement et le second flasque de pression. 30 On connaît aussi dans l'état de la technique des machines dont le rotor comprend une partie annulaire et des 3059850 -3 éléments ferromagnétiques reliés par des assemblages en « arbre de sapin ». La demande de brevet européen EP2863518 décrit une machine électrique à aimant permanent interne qui comprend un stator avec un noyau et des dents de stator, et 5 des enroulements de stator pour générer un champ magnétique du stator lorsqu'il est excité par des courants alternatifs. Elle comprend aussi un rotor disposé à l'intérieur de la cavité statorique, composé par une partie annulaire externe dans laquelle sont insérés des aimants, et une partie annulaire 10 interne. Les deux parties sont reliées par des assemblages en « pied de sapin ». Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur posent des problèmes d'assemblage des aimants dans le noyau rotorique. En 15 effet, les aimants doivent être fermement maintenus dans leurs logements, en raison des grandes vitesses de rotation entraînant des forces centrifuges et des efforts des aimants par rapport au noyau. Mais il n'est pas possible d'entourer complètement les aimants avec la structure ferromagnétiques du 20 noyau car cela occasionnerait des fuites magnétiques faisant perdre l'essentiel de l'efficacité. Solution apportée par l'invention 25 Pour répondre aux inconvénients de l'art antérieur, la présente invention concerne selon son acception la plus générale une machine électrique sans balais à rotor à aimant permanent intérieur caractérisé en ce que le rotor est constitué par un noyau tubulaire présentant des logements 30 longitudinaux pour l'insertion d'aimants permanents caractérisé en ce que la section dudit noyau présente une couronne annulaire amagnétique prolongée par des pétales ferromagnétiques doux définissant entre eux lesdits logements pour l'insertion et le maintien des aimants permanents. 3059850 -4 Au sens de la présente invention, on entend par « ferromagnétique », la propriété d'un matériau de s'aimanter fortement sous l'effet d'un champ magnétique extérieur (matériaux à base de fer, cobalt, nickel et un grand nombre de 5 leurs alliages, en particulier les aciers), par opposition aux éléments dits « paramagnétiques » (éléments à base d'aluminium, chrome, platine, ...) qui subissent des actions de même nature que le fer mais beaucoup moins intenses, étant rappelé par ailleurs qu'un aimant est un corps ferromagnétique 10 qui garde une aimantation importante même après la disparition du champ extérieur (aimantation rémanente). Les matériaux amagnétiques, également appelés paramagnétiques, présentent une perméabilité relative pr comprise entre 1 et 2, et se laissent traverser par un champ 15 magnétique, avec peu de modifications. Ils sont transparents vis-à-vis d'un champ appliqué. Les aciers inoxydables austénitiques constituent des exemples de matériaux amagnétiques. Les matériaux ferromagnétiques présentent une 20 perméabilité relative pr supérieure à 10 et présentent une polarisation qui tend à s'aligner avec le champ extérieur, à le canaliser et à le renforcer. Ils comprennent les aciers inoxydables ferritiques, martensitiques et duplex. De préférence, ledit noyau est constitué par un 25 empilement de tôles présentant une couronne annulaire amagnétique prolongée par des pétales ferromagnétiques doux définissant entre eux lesdits logements pour l'insertion et le maintien des aimants permanents. Selon un premier mode de réalisation, ladite 30 couronne annulaire est amagnétique sur tout son pourtour. Selon un deuxième mode de réalisation, ladite couronne annulaire présente des segments amagnétiques dans les zones prolongeant lesdits logements recevant les aimants permanents. 3059850 -5 Selon une première variante de réalisation, ledit noyau est constitué par une résine chargée, au niveau desdits pétales, avec des particules ferromagnétiques doux, ladite couronne étant dépourvue de charges ferromagnétiques. 5 Avantageusement, lesdits logements formés entre lesdits pétales sont remplis de résine chargée de particules en un matériau ferromagnétique dur. Selon une deuxième variante de réalisation, ledit noyau est constitué en un acier inoxydable austénitique dont 10 la couronne a fait l'objet d'un écrouissage pour réduire la perméabilité relative dudit acier austénitique. Description détaillée d'un exemple non limitatif de 15 l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue en perspective 20 d'un exemple de réalisation d'un rotor pour une machine selon l'invention - la figure 2 représente une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un stator pour une machine selon l'invention. 25 Description du rotor La figure 1 représente une vue en perspective d'un premier exemple de réalisation d'un rotor pour une machine électrique selon l'invention. Le rotor est constitué par un noyau présentant en 30 coupe transversale une partie annulaire (1) à partir de 3059850 -6 laquelle s'étendent, radialement, des pétales (2 à 11), en forme de « T ». Ce noyau est soit monolithique, soit formé par un empilement de tôles découpées. Le rotor présente radialement 5 une inhomogénéité magnétique : la partie tubulaire intérieure (1) présente une perméabilité magnétique relative inférieure à 2, au moins dans les parties comprises entre deux pétales consécutives, alors que les pétales (2 à 11) présentent une perméabilité magnétique relative supérieure à 10. 10 L'inhomogénéité magnétique peut être obtenue en combinant deux matériaux différents (par brasure, soudure ou dépôt d'un matériau sur l'autre), ou bien, dans le cas où un alliage est utilisé (par exemple, acier carbone), par un traitement thermique ou sous champ électrique ou magnétique de 15 tout ou partie du composant fini. Les traitements thermiques et électromagnétiques sont bien appropriés pour un traitement bien délimité dans l'espace. Les pétales (2 à 11) présentent une section en forme générale de « T », avec un pied radial présentant une 20 première partie (12) de forme trapézoïdale, avec des bords latéraux radiaux, prolongé par une partie évasée (13) dont les bords forment un angle compris entre 15° et 45° avec l'axe radial. Ce pied se prolonge par une tête (14) s'étendant tangentiellement, et définissant deux épaulements (15, 16) 25 tangentiels. Deux pétales consécutifs définissent une zone d'insertion et de maintien d'un aimant permanent (21 à 28). Ces aimants permanents (21 à 28) présentent une forme prismatique de section transversale complémentaire aux 30 logements définis par deux pétales adjacents. Les blocs magnétiques (21 à 28) peuvent être constitués : - d'un aimant unique, les logements recevant alors des aimants aimantés alternativement en sens opposés. 3059850 -7 - d'une paire d'aimants aimantés en sens opposés. La figure 2 représente une vue en perspective d'un stator d'une machine selon l'invention. Le stator est réalisé de manière connue par une structure annulaire (30) présentant 5 des dents radiales (31) dont une partie au moins est entourée de bobines électriques. REVENDICATIONS1 - Machine électrique sans balais à rotor à aimant permanent intérieur caractérisée en ce que le rotor est constitué par un noyau tubulaire (1) présentant des logements longitudinaux pour l'insertion d'aimants permanents (21 à 28), la section dudit noyau présentant une couronne annulaire (1) au moins partiellement amagnétique prolongée par des pétales (2 à 11) ferromagnétiques doux définissant entre eux lesdits logements pour l'insertion et le maintien des aimants permanents (21 à 28). 2 - Machine électrique sans balais à rotor à aimant permanent intérieur selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit noyau est constitué par un empilement de tôles présentant une couronne annulaire (1) amagnétique prolongée par des pétales (2 à 11) ferromagnétiques doux définissant entre eux lesdits logements pour l'insertion et le maintien des aimants permanents (21 à 28). 3 - Machine électrique sans balais à rotor à aimant permanent intérieur selon la revendication 1 caractérisée en 20 ce que ladite couronne annulaire (1) est amagnétique sur tout son pourtour. 4 - Machine électrique sans balais à rotor à aimant permanent intérieur selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite couronne annulaire (1) présente des segments 25 amagnétique dans les zones prolongeant lesdits logements recevant les aimants permanents (21 à 28). 5 - Machine électrique sans balais à rotor à aimant permanent intérieur selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit noyau est constitué par une résine chargée, au 30 niveau desdits pétales, avec des particules ferromagnétiques doux, ladite couronne étant dépourvue de charges ferromagnétiques. 6 - Machine électrique sans balais à rotor à aimant permanent intérieur selon la revendication 3 caractérisée en 3059850 -9 ce que lesdits logements formés entre lesdits pétales (2 à 11) sont remplis de résine chargée de particules en un matériau ferromagnétique dur. 7 - Machine électrique sans balais à rotor à aimant 5 permanent intérieur selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit noyau est constitué en un acier inoxydable austénitique dont la couronne a fait l'objet d'un écrouissage pour réduire la perméabilité relative dudit acier austénitique. 10