Brevet FR3059849A1 — publié le 20180608

-1- MACHINE ELECTRIQUE COMPORTANT UN ROTOR A AIMANTS PERMANENTS INTERIEURS INCLINES 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 de réduire la quantité d'aimants permanents utilisée, sans réduire le couple. La machine électrique peut être de type moteur ou 10 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 15 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 20 des aimants principaux parallélépipédiques sont insérés. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique de nombreuses solutions de machines à aimants permanents intérieurs. 25 A titre d'exemple, le brevet européen EP 2652862 décrit une machine électrique comportant un rotor comportant des zones polaires adjacentes qui présentent chacune un contour polaire. Les zones polaires s'étendent chacune entre deux bords polaires dans une première direction qui correspond 30 à la direction de l'agencement des zones polaires adjacentes. Les contours polaires s'étendent dans une seconde direction sensiblement perpendiculaire à la première direction, et entre 3059849 -2 les zones polaires adjacentes se trouvent un ou plusieurs éléments de retenue qui maintiennent un aimant permanent et qui sont à distance d'au moins un des bords polaires se faisant face des zones polaires adjacentes. 5 On connaît aussi le brevet européen EP2896120 décrivant un rotor pour un moteur électrique à excitation permanente, en particulier un moteur à courant continu sans balais. Ce rotor est disposé de manière concentrique autour d'un axe et comporte une ouverture de passage s'étendant le long de l'axe du rotor et destinée à recevoir un arbre. Ce rotor comprend des aimants permanents s'étendant le long de l'axe du rotor et des segments de pôle, les aimants permanents et les segments de pôle étant disposés dans la direction circonférentielle en alternance autour de l'axe du rotor. Ledit rotor est en outre caractérisé par le fait qu'une superficie de section est constituée d'au moins un segment de pôle, dans au moins une première zone de segment de pôle, de manière asymétrique par rapport à au moins une partie saillante disposée dans une zone du segment de pôle radialement extérieure par rapport à l'axe du rotor, la partie saillante s'étendant sensiblement dans une direction circonférentielle. On connaît aussi le brevet américain US9099905 décrivant un rotor à aimant permanent comprenant au moins un aimant permanent et un noyau de rotor essentiellement cylindrique comportant un bord extérieur, un moyeu ayant un bord interne définissant une ouverture centrale et une pluralité de pièces polaires indépendantes espacées du moyeu radialement autour de l'ouverture centrale. Le noyau de rotor comprend en outre au moins une ouverture radiale prolongeant radialement à partir du bord extérieur à travers le noyau de rotor entre des pièces polaires adjacentes indépendantes, l'ouverture étant configurée pour recevoir un aimant permanent. On connaît encore le brevet US6987342 décrivant un rotor cylindrique avec une ouverture centrale. Les aimants 3059849 -3 permanents sont intégrés dans le noyau de rotor et se prolongent comme des rayons à travers le noyau du rotor. Le noyau de rotor est formé d'un corps avec des aimants permanents pontés au niveau de leurs extrémités intérieures 5 radialement par des évidements dans le noyau de rotor. Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur posent des problèmes de fuites magnétiques. En effet, le maintien des aimants intérieurs implique la présence de ponts assurant le 10 calage de l'aimant, soumis à des forces centrifuges conséquentes. Mais ces ponts créent des fuites magnétiques réduisant les performances de la machine électrique. Par ailleurs, les structures mécaniques complexes de certaines solutions de l'art antérieur son mal adaptées à 15 des machines tournant à des hautes vitesses. Solution apportée par l'invention 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 20 permanent intérieur caractérisé en ce que le rotor est constitué par un noyau tubulaire d'un diamètre extérieur De., et d'un diamètre intérieur D,, avec Dext/D,,,, compris entre 1,3 et 1,4, ledit noyau présentant N paires de logements longitudinaux à section transversale trapézoïdale, d'une 25 largeur la et d'une longueur L, avec la/L compris entre 0,25 et 0,35, les deux logements d'une paire s'étendant de part et d'autre du plan radial médian, avec un angle de 7,5° ± 1,5°, ledit noyau présentant dans la zone de convergence de chaque paire de logements un canal longitudinal débouchant de part et 30 d'autre des extrémités frontales du noyau. Selon une deuxième variante, ledit noyau est constitué par un empilement de tôles ferromagnétiques. 3059849 -4 De préférence, lesdits logements débouchent à la périphérie extérieure dudit noyau dans des encoches de largeur inférieure à la largeur desdites encoches. Avantageusement, la section transversale desdits 5 canaux est comprise entre 0,8 et 1,2 fois la largeur desdits logements. Selon une première variante, les aimants sont aimantés alternativement en sens opposés. Selon une deuxième variante, le rotor comprend des 10 alternances de paires d'aimants adjacents aimantés dans le même sens. De préférence, N est supérieur ou égale à 12. Selon un premier mode de réalisation, le stator présente k.N dents où k est un nombre entier, lesdites dents 15 longitudinales s'étendant radialement en direction du rotor, depuis une culasse annulaire extérieure, une partie au moins desdites dents longitudinales étant entourées par une bobine électrique. Selon un autre mode de réalisation, le stator 20 présente k.N dents où k est un nombre entier, lesdites dents étant vrillées et s'étendant radialement en direction du rotor, depuis une culasse annulaire extérieure, une partie au moins desdites dents vrillées étant entourées par une bobine électrique. 25 Selon un autre mode de réalisation, le rotor est vrillé d'un angle multiple du pas dentaire statorique. Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la 30 lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : 3059849 -5 - la figure 1 représente une vue en perspective d'un premier exemple de réalisation d'un rotor pour une machine selon l'invention - la figure 2 représente la carte des lignes de 5 champs magnétiques correspondant à ce premier exemple de réalisation - la figure 3 représente une vue en coupe transversale d'un deuxième exemple de réalisation d'un rotor pour une machine selon l'invention 10 - la figure 4 représente la carte des lignes de champs magnétiques correspondant à ce deuxième exemple de réalisation - la figure 5 représente une vue en perspective transversale d'un deuxième exemple de réalisation d'un stator 15 pour une machine selon l'invention - la figure 6 représente la courbe du couple électromagnétique en fonction de l'angle électrique correspondant à deux modes de réalisation d'une machine selon l'invention. 20 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 d'un noyau (1) de forme 25 tubulaire présente 6 paires de pôles. Le noyau (1) présente des paires de logements (2, 3) longitudinaux, traversant le noyau du rotor sur toute sa longueur. Les logements (2, 3) d'une paire forme un « V », leur plan médian transversal formant chacun avec le plan 30 médian (4) passant au milieu des logements un angle de 7,5°. L'angle formé entre les plans médians transversaux de deux logements (2, 3) consécutifs est donc de 15°. 3059849 -6 Les logements (2, 3) débouchent à la surface périphérique extérieure du rotor, par des ouvertures (5, 6) de largeur inférieure à la largeur des logements (2, 3) afin de former de part et d'autre du plan médian des logements (2, 3) 5 des talons de retenue des aimants introduits dans ces logements. Des aimants permanents en forme de barreaux trapézoïdaux sont introduits dans ces logements (2, 3). Dans l'exemple décrit, les aimants d'une paire de logement sont 10 aimantés en sens opposés. Par ailleurs, deux logements consécutifs (2, 7) ou (3, 8) appartenant à des paires adjacentes reçoivent des aimants de même sens d'aimantation. Les faces intérieures (12, 13) des aimants insérés dans les logements (2, 3) sont chanfreinées. Le noyau présente 15 en regard de ces chanfreins des canaux longitudinaux (10) traversant le rotor. Ces canaux longitudinaux (10) permettent de réduire les fuites magnétiques. Elles permettent également de faire circuler de l'air ou un fluide de refroidissement du rotor. 20 La figure 2 représente la carte des lignes de champs magnétique d'un moteur à 12 pôles correspondant à ce premier mode de réalisation. La figure 3 représente une variante de réalisation, avec une structure du noyau identique à celle du premier 25 exemple illustré par la figure 1. Toutefois, les aimants sont aimantés en sens alternés, alors que dans l'exemple précédent, deux aimants consécutifs présentaient une même aimantation. La figure 4 représente la carte des lignes de champs magnétique d'un moteur à 24 pôles correspondant à ce 30 deuxième mode de réalisation. Description du stator 3059849 -7 Le stator, illustré par la figure 5, est constitué par une culasse annulaire (20) présentant 72 dents (21) s'étendant radialement. Ces dents sont entourées par des bobines (22) alimentées en alternance. 5 Selon une réalisation particulière, ces dents s'étendent non pas longitudinalement mais hélicoïdalement, avec un vrillage de quelques degrés entre les deux extrémités frontales du stator. Une telle configuration permet de réduire les 10 variations du couple électromagnétique en fonction de l'angle électrique, comme le montre la figure 6 représentant : - pour la courbe (30), la variation du couple avec des dents vrillées - pour la courbe (31), la variation de couple avec 15 des dents longitudinales. REVENDICATIONS1 - Machine électrique sans balais à rotor à aimant permanent intérieur caractérisée en ce que le rotor est constitué par un noyau tubulaire (1) d'un diamètre extérieur 5 Da., et d'un diamètre intérieur D. t avec Dext/D, compris entre 1,3 et 1,4, ledit noyau (1) présentant N paires de logements longitudinaux (2, 3) à section transversale trapézoïdale, d'une largeur La et d'une longueur L, avec La/L compris entre 0,25 et 0,35, les deux logements (2, 3) d'une paire s'étendant 10 de part et d'autre du plan radial médian, avec un angle de 7,5° ± 1,5°, ledit noyau présentant dans la zone de convergence de chaque paire de logements un canal longitudinal (10) débouchant de part et d'autre des extrémités frontales du noyau (1). 15 2 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit noyau (1) est constitué par un empilement de tôles ferromagnétiques. 3 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que lesdits logements (10) débouchent à la 20 périphérie extérieure dudit noyau dans des encoches de largeur inférieure à la largeur desdites encoches (2, 3). 4 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que la section transversale desdits canaux est comprise entre 0,8 et 1,2 fois la largeur desdits 25 logements (2, 3). - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que les aimants sont aimantés alternativement en sens opposés. 6 - Machine électrique selon la revendication 1 30 caractérisée en ce que le rotor comprend des alternances de paires d'aimants adjacents aimantés dans le même sens. 7 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que N est supérieur ou égale à 12. 3059849 -9 8 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que le stator présente k.N dents où k est un nombre entier, lesdites dents longitudinales (21) s'étendant radialement en direction du rotor, depuis une 5 culasse annulaire extérieure (20), une partie au moins desdites dents longitudinales étant entourées par une bobine électrique (22). 9 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que le stator présente k.N dents (21) où k est un nombre entier, lesdites dents étant vrillées et s'étendant radialement en direction du rotor, depuis une culasse annulaire extérieure (20), une partie au moins desdites dents (21) étant entourées par une bobine électrique (22). 10 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que le rotor est vrillé d'un angle multiple du pas dentaire statorique.