Brevet FR3064837A1 — publié le 20181005

- 1 - Rotor pour machine électrique à aimants permanents internes Domaine de l'invention La présente invention concerne un rotor de machine électrique tournante synchrone sans balais à configuration d'aimants permanents internes (IPM). Les machines électriques à aimants permanents utilisent généralement des terres rares telles que le samarium et le néodyme, ayant une forte densité d'énergie et une excellente résistance structurelle. Toutefois le prix de ces matières premières fluctue fortement et à tendance à augmenter en raison notamment de la rareté des lieux d'extraction de ces terres rares et des choix géopolitiques pouvant créer artificiellement des pénuries de ces matériaux. La mise en forme de tels aimants dans des configurations particulières, par exemple avec des formes cylindriques circulaires, impliquent ainsi des coûts de réalisation industrielle qui peuvent être importants. Pour pallier à cette situation, le concept de moteur électrique à aimants permanents internes (IPM) s'est développé. Il consiste à insérer dans des cavités formées dans une culasse ferromagnétique des blocs d'aimants, présentant une géométrie plus économique à réaliser et à aimanter, permettant aussi l'utilisation d'un volume d'aimants plus important. L'utilisation d'aimants à moindre performance, tels de ferrites dures, peut aussi être envisagée du fait de ce volume accru. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator bobiné et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor est généralement solidaire d'un arbre menant et/ou mené et peut appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. Le stator est généralement monté dans un carter configure pour porter l'arbre rotatif, par exemple par l'intermédiaire de roulements ou de paliers. Le stator comporte un corps, ou culasse, constitué par un empilage de tôles minces formant 3064837 - 2 - une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Dans un bobinage de type ondulé réparti, les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à 5 partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, dans un bobinage de type "concentrique", les enroulements de phase sont constitués par des bobines fermées sur elles-mêmes qui sont enroulées autour des dents 10 du stator. La protection entre le paquet de tôles et le fil de bobinage est assurée soit par un isolant de type papier, soit par du plastique par surmoulage ou au moyen d'une pièce rapportée. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un onduleur. 15 Par ailleurs, le rotor est constitué par un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets traversant axialement le rotor de part en part, ou avec des agrafes ou avec des boutons ou encore des solutions de collage. 20 Le rotor comporte des pôles formés par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans le corps du rotor. On connaît des machines électriques tournantes accouplées à un arbre d'un turbocompresseur («electric supercharger» en anglais). Ce turbocompresseur électrique permet de compenser au 25 moins en partie la perte de puissance des moteurs thermiques de cylindrée réduite utilisés sur de nombreux véhicules automobiles pour en diminuer la consommation et les émissions de particules polluantes (principe dit de "downsizing" an anglais). A cet effet, le turbocompresseur électrique comprend 30 une hélice disposée sur le conduit d'admission en amont du moteur thermique pour permettre de comprimer l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur thermique. La machine électrique est par exemple destinée pour entraîner la turbine de compresseur afin de minimiser le temps de 35 réponse en couple, notamment lors des phases transitoires à l'accélération, ou en phase de redémarrage automatique du moteur 3064837 - 3 - thermique après une mise en veille (fonctionnement « stop and start » en anglais). Etat de la technique On connaît de nombreuses topologies de rotors pour des 5 machines électriques de type IPM. A titre d'exemple, la demande de brevet européen EP0803962 décrit un rotor à aimants permanents d'alternateurs, présentant une multitude de tôles ferromagnétiques superposées en forme de disque, avec des régions découpée à l'emporte-pièce 10 définissant des portions trapézoïdales à base incurvée, séparées par des fentes s'étendant radialement. Dans les fentes s'étendant radialement sont suivis des aimants permanents frittés. La demande de brevet US2015288233 décrit un rotor formé par un noyau principal cylindrique ayant un diamètre intérieur 15 et un diamètre extérieur présentant des cavités axiales dans lesquelles sont logés des blocs d'aimants radiaux, dont chacun s'étend dans une direction perpendiculaire à un bord de circonférence externe du noyau principal. Ces aimants permanents sont magnétisés de telle sorte que des pôles opposés soient face à 20 face avec le noyau radial centré entre eux. Inconvénients de l'art antérieur Ces solutions ne sont pas totalement satisfaisantes car les performances restent relativement modestes, notamment pour des machines électriques tournant à haute vitesse. Pour de telles 25 machines, il est nécessaire de caler les aimants dans des logements en raison de la force centrifuge élevée qui s'exercent sur les aimants insérés dans les cavités formées dans le rotor. Il n'est toutefois pas possible d'augmenter de manière trop importante les zones de maintien périphériques des rotors, car il s'agit d'isthmes 30 créant un court-circuit magnétique. Le but de l'invention est d'optimiser les performances magnétiques et mécaniques en maximisant le volume d'aimant et donc la puissance du moteur, tout en limitant les zones de rupture 3064837 -4 - soumises à de fortes contraintes mécaniques lors des rotations à haute vitesse. Solution apportée par l'invention A cet effet, l'invention concerne selon son acception 5 la plus générale un Rotor pour machine électrique à aimants permanents internes comprenant une culasse réalisée par un empilement de tôles définissant une pluralité de logements pour recevoir des aimants permanents parall élépipédiques, lesdits logements étant entourés par des isthmes transversaux extérieurs 10 saturés magnétiquement, par des isthmes radiaux, des isthmes latéraux et des isthmes obliques caractérisé en ce que : lesdits aimants sont assemblés par couples d'aimants aimantés dans la même direction et perpendiculairement à la direction radiale des isthmes radiaux disposés entre lesdits aimants 15 accouplés, lesdits isthmes radiaux présentant une épaisseur inférieure à 5% du diamètre du rotor, et en ce que la périphérie de la section transversale du rotor est formée d'une succession de profils curvilignes, entre deux 20 couples d'aimants consécutifs, et de profils linéaires à direction tangente, au niveau des isthmes transversaux extérieurs. Préférentiellement, l'objet de l'invention étant de 25 maximiser la section transversale d'aimants, la section transversale cumulée desdits aimants est supérieure à 40% de la section transversale du rotor. La section transversale du rotor est considérée comme la section du rotor comprenant de la matière, y compris un éventuel arbre mécanique inséré. 30 Préférentiellement, les aimants sont de section rectangulaire. Ils peuvent néanmoins présenter des congés ou des chanfreins à leurs coins. Alternativement, lesdits aimants sont de section transversale trapézoïdale avec une symétrie par rapport au plan 3064837 -5 - radial, la petite base étant dirigée vers le stator, extérieur au rotor. Dans un premier mode de réalisation, deux couples d'aimants consécutifs sont séparés par des zones de matière pleines. 5 Dans un deuxième mode de réalisation, ladite culasse présente des ouvertures entre deux couples d'aimants correspondant aux pôles magnétiques du rotor. Préférentiellement, lesdits isthmes latéraux sont orientés radialement et à 45° d'angle par rapport à l'isthme radial. 10 L'invention se destine principalement à une machine électrique ayant deux paires de pôles aimantés. L'invention concerne aussi l'application d'un tel rotor pour la réalisation d'un moteur, notamment d'un moteur pour turbocompresseur, ou une génératrice électrique, comportant un 15 stator présentant des dents polaires dont une partie au moins est entourée par une bobine électrique et un rotor à aimants permanents internes conforme au rotor susvisé. Description détaillée d'exemples non limitatifs de l'invention 20 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 : les figures la et lb représentent des vues en coupe transversale d'une culasse d'un rotor selon l'invention dans un 25 premier mode de réalisation, respectivement sans et avec aimants, les figures 2a et 2b représentent des vues en coupe transversale d'une culasse d'un rotor selon l'invention dans un deuxième mode de réalisation, respectivement sans et avec 30 aimants, la figure 3 représente une vue en perspective d'un rotor selon l'invention dans le premier mode de réalisation, la figure 4 représente une vue en perspective d'un rotor selon l'invention dans le deuxième mode de réalisation, 3064837 -6 - la figure 5 représente une vue en perspective d'un rotor selon l'invention dans un mode alternatif où les aimants sont de section transversale trapézoïdale, les figures 6a et 6b des modes de réalisations alternatifs où 5 le diamètre intérieur, pour le passage d'un arbre mécanique, est variable, la figure 7 un mode de réalisation alternatif où le stator présente des ergots de positionnement de aimants, les figures 8a et 8b des modes de réalisation différents où le 10 profil curviligne, entre deux couples d'aimants consécutifs, est différent. Description de la culasse du rotor Dans le premier mode de réalisation, la culasse du rotor est constituée par un empilement de tôles d'une épaisseur 15 typique pouvant aller de 0.2 à 0,5 millimètres, sans que cette épaisseur ne soit limitative, découpées pour présenter des logements (1 à 8) formant des couples disposés de part et d'autre d'isthmes (10, 20, 30, 40). Dans l'exemple décrit, le rotor présente quatre couples de découpes. Un couple de logements (1, 2) est séparé par un 20 isthme (10) orienté radialement, d'une épaisseur typique de 0,5 millimètres. Cette épaisseur n'est pas limitative mais il est important, pour l'invention, que cette épaisseur soit minimisée à la possibilité effective de réalisation et de tenue mécanique de la pièce, afin de minimiser la surface occupée par les isthmes (10, 20, 25 30, 40) relativement à la section du rotor qui est visible en cette figure 1. Les logements (1, 2) sont délimitées par un isthme transversal extérieur (11, 12) sensiblement perpendiculaires à l'isthme radial (10) et du coté intérieur par un isthme oblique (13, 30 14). Les logements (1, 2) sont par ailleurs délimités par deux isthmes latéraux (15, 16) orientés radialement et à 45° d'angle par rapport à l'isthme radial (10). Dans ce premier mode de réalisation montré en figures la et lb, les zones de matière (31, 32, 33, 34) comprises entre deux 35 couples de découpes sont pleines et non ouvertes. 3064837 -7 - Dans le deuxième exemple de réalisation en figures 2a et 2b, les zones sont évidées pour former des ouvertures (21 à 24) permettant un allégement du rotor (diminution de l'inertie) et la diminution des contraintes mécaniques s'appliquant notamment aux 5 isthmes latéraux (15, 16) lors de la rotation à haute vitesse. Toujours dans ce deuxième mode de réalisation, l'ouverture (24) définit deux segments (17, 18) s'étendant parallèlement à l'isthme (10) et reliant l'extrémité extérieur du bord (15) à l'extrémité de isthme transversal extérieur (11). Ces 10 ouvertures (21 à 24), assurent ainsi la cohésion mécanique de la culasse, ne rompant pas la continuité de matière de chaque tôle de la culasse afin de former, pour chaque tôle utilisée, un élément unitaire solide. L'épaisseur des segments (17, 18) est typiquement 15 supérieure à celle des isthmes latéraux (15, 16), des isthmes transversaux extérieures (11, 12) et des isthmes radiaux (10), typiquement d'un facteur 2 à 4, afin de favoriser un passage de flux magnétique suffisant à éviter une saturation magnétique marquée de la matière de la culasse. 20 Les isthmes transversaux extérieurs (11, 12) ont une orientation orthogonale à l'isthme radial (10) de manière à former une forme de T caractéristique, conférant une circonférence non circulaire mais composée de successions de profils curvilignes (B), entre les segments (17, 18), et de profils linéaires (A) à direction 25 tangente, au niveau des isthmes transversaux extérieurs (11, 12). Les profils curvilignes (B) sont préférentiellement circulaires mais ils peuvent être déformés localement pour ajuster le couple résiduel sans courant ou sculpter la forme de la force contre-électromotrice de la machine. 30 Les profils linéaires (A) traduisent le fait que les isthmes transversaux extérieurs (11, 12) présentent une épaisseur globalement constante. De faibles variations d'épaisseur et donc de linéarité sont permises par l'invention, là encore dans le but d'ajuster le couple résiduel sans courant ou sculpter la forme de la force contre-électromotrice de la machine, ou encore de permettre des fonctions d'assemblages et/ou de positionnements des aimants. 3064837 -8 - Les figures lb et 2b présentent respectivement les premier et deuxième modes de réalisation avec les aimants (51 à 58) placés dans les logements (1 à 8). Typiquement les aimants (51 à 58) se positionnent, du fait de l'aimantation dont la direction est 5 appréciée en figure lb et 2b par les flèches épaisses et du fait de la force centrifuge pendant le fonctionnement, tels qu'ils sont en contact avec l'isthme radial (10) et avec les isthmes transversaux extérieures (11, 12). Les aimants permanents (51 à 58) sont typiquement sous la forme de blocs à section parallélépipédique, par 10 exemple rectangulaire avec des congés -comme montrés ici- ou des chanfreins (non montrés), sans que la forme de la périphérie ne soit limitative. La figure 3 représente une vue en perspective d'un rotor selon l'invention dans le premier mode de réalisation, formé 15 d'une culasse telle que décrite en figure lb, et d'un arbre mécanique (9) de liaison à un élément externe à déplacer, par exemple une turbine dans le cas d'application à un turbocompresseur électrique. Dans chaque couple de logements (1, 2) sont logés des aimants (51 à 58) aimantés selon une direction perpendiculaire au 20 plan de l'isthme (10) radial, c'est-à-dire une direction tangentielle, séparant les deux logements (1, 2). La direction d'aimantation pourra cependant s'écarter suivant quelques degrés de la direction tangente afin d'ajuster le couple résiduel et la force contre-électromotrice de la machine. 25 La figure 4 représente une vue en perspective d'un rotor formé d'une culasse telle que décrite dans le deuxième mode de réalisation en figure 2b avec aimants (51 à 58) montés. La culasse est formée d'un empilage de tôles, non visibles ici pour raison de clarté. 30 La figure 5 montre une réalisation alternative du rotor pour laquelle lesdits aimants (51 à 58) sont de section transversale trapézoïdale avec une symétrie par rapport au plan radial (10, 20, 30, 40), la petite base étant dirigée vers le stator. Cette forme d'aimant peut être avantageuse dans le but 35 d'améliorer la tenue des aimants et la résistance mécanique du rotor. 3064837 - 9 - Les figures 6a et 6b montrent des cas de réalisation où l'espace central (60), qui sert à accueillir un arbre mécanique pour la transmission de la puissance de la machine électrique est de taille différente. 5 La figure 7 présent un mode de réalisation qui utilise des ergots de positionnement (59) afin de garantir le contact des aimants (51 à 58) sur le fond radial des logements (1 à 8). En figures 8a et 8b sont présentées des variantes de réalisation où les profils curvilignes (B), entre deux couples 10 d'aimants consécutifs, sont variables afin de gérer les couples sans courant et avec courant. La modification de ces profils peut être menée à bien par essais itératifs. REVENDICATIONS1 - Rotor pour machine électrique à aimants permanents internes comprenant une culasse réalisée par un empilement de tôles définissant une pluralité de logements (1 à 8) pour recevoir des aimants permanents parallélépipédiques (51 à 58), lesdits logements (1 à 8) étant entourés par des isthmes transversaux extérieurs (11, 12) saturés magnétiquement, par des isthmes radiaux (10, 20, 30, 40), des isthmes latéraux (15, 16) et des isthmes obliques (13, 14) caractérisé en ce que : - lesdits aimants (51 à 58) sont assemblés par couples d'aimants (51, 52) aimantés dans la même direction et perpendiculairement à la direction radiale des isthmes radiaux (10, 20, 30, 40) disposés entre lesdits aimants accouplés, - lesdits isthmes radiaux (10, 20, 30, 40) présentant une épaisseur inférieure à 5% du diamètre du rotor, - et en ce que la périphérie de la section transversale du rotor est formée d'une succession de profils curvilignes (B), entre deux couples d'aimants consécutifs, et de profils linéaires (A) à direction tangente, au niveau des isthmes transversaux extérieurs (11, 12). 2 - Rotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que la section transversale cumulée des dits aimants est supérieure à 40% de la section transversale du rotor. 3 - Rotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits aimants (51 à 58) sont de section rectangulaire. 4 - Rotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits aimants (51 à 58) sont de section transversale trapézoïdale avec une symétrie par rapport au plan radial (10, 20, 30, 40), la petite base étant dirigée vers le stator. 5 - Rotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite culasse présente des ouvertures (21 à 24) entre deux couples d'aimants correspondant aux pôles magnétiques du rotor. 6 - Rotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits isthmes latéraux (15, 16) sont orientés radialement et à 45° d'angle par rapport à l'isthme radial (10). 3064837 7 - Rotor selon la revendication 1 caractérisé en ce que deux couples d'aimants consécutifs sont séparés par des zones de matière pleines (31, 32, 33, 34). 8 - Machine électrique comportant un stator présentant des 5 dents polaires dont une partie au moins est entourée par une bobine électrique et un rotor à aimants permanents internes comprenant une culasse réalisée par un empilement de tôles définissant une pluralité de logements (1 à 8) pour recevoir des aimants permanents parallélépipédiques (51 à 58), lesdits logements (1 à 8) étant 10 entourés par des isthmes transversaux extérieurs (11, 12) saturés magnétiquement, par des isthmes radiaux (10, 20, 30, 40), des isthmes latéraux (15, 16) et des isthmes obliques (13, 14) caractérisée en ce que : - lesdits aimants (51 à 58) sont assemblés par couples 15 d'aimants (51, 52) aimantés dans la même direction et perpendiculairement à la direction radiale des isthmes radiaux (10, 20, 30, 40) disposés entre lesdits aimants accouplés, - lesdits isthmes radiaux (10, 20, 30, 40) présentant une épaisseur inférieure à 5% du diamètre du rotor, 20 - et en ce que la périphérie de la section transversale du rotor est formée d'une succession de profils curvilignes (B), entre deux couples d'aimants consécutifs, et de profils linéaires (A) à direction tangente, au niveau des isthmes transversaux extérieurs (11, 12). 25 9 - Compresseur électrique comprenant une turbine entraînée par un moteur comportant un stator présentant des dents polaires dont une partie au moins est entourée par une bobine électrique et un rotor à aimants permanents internes comprenant une culasse réalisée par un empilement de tôles définissant une pluralité de 30 logements (1 à 8) pour recevoir des aimants permanents parallélépipédiques (51 à 58), lesdits logements (1 à 8) étant entourés par des isthmes transversaux extérieurs (11, 12) saturés magnétiquement, par des isthmes radiaux (10, 20, 30, 40), des isthmes latéraux (15, 16) et des isthmes obliques (13, 14) 35 caractérisé en ce que : 3064837 - 12 - - lesdits aimants (51 à 58) sont assemblés par couples d'aimants (51, 52) aimantés dans la même direction et perpendiculairement à la direction radiale des isthmes radiaux (10, 20, 30, 40) disposés entre lesdits aimants accouplés, 5 - lesdits isthmes radiaux (10, 20, 30, 40) présentant une épaisseur inférieure à 5% du diamètre du rotor, - et en ce que la périphérie de la section transversale du rotor est formée d'une succession de profils curvilignes (B), entre deux couples d'aimants consécutifs, et 10 de profils linéaires (A) à direction tangente, au niveau des isthmes transversaux extérieurs (11, 12).