Brevet FR3074375A1 — publié le 20190531

- « Rotor cylindrique à champ radial, et machine électrique et/ou magnétique comprenant un tel rotor » La présente invention concerne un rotor cylindrique à champ radial prévu pour être utilisé à l'intérieur d'un stator. Elle concerne aussi une machine électrique et/ou magnétique comprenant un tel rotor, telle que par exemple un moteur électrique, un générateur électrique ou un réducteur magnétique. Le domaine de l'invention est le domaine des machines électriques et/ou magnétiques comprenant un rotor disposé à l'intérieur d'un stator, en particulier le domaine des machines électriques à haute vitesse comprenant un rotor disposé à l'intérieur d'un stator, tels que les moteurs électriques, les générateurs électriques, les réducteurs magnétiques. Etat de la technique Un moteur électrique est un dispositif transformant l'énergie électrique en énergie mécanique, en particulier en mouvement rotatif. Un moteur électrique est muni d'un rotor en rotation par rapport à un stator. Un générateur électrique présente la même architecture et transforme un mouvement mécanique en un signal électrique. Un réducteur magnétique a pour fonction de réaliser une réduction, ou une multiplication, de vitesse et comprend un stator disposé autour d'un rotor interne, lui-même disposé dans un rotor externe. Dans un moteur, le rotor est généralement positionné à l'intérieur du stator. Le rotor est muni d'un ou plusieurs aimants, et le stator est muni d'un ou plusieurs conducteurs. Le système polyphasé de courants alimentant les conducteurs crée un champ magnétique tournant qui met en rotation les aimants équipant le rotor, et donc le rotor. Cependant, à haute vitesse de rotation, les moteurs électriques souffrent de pertes magnétiques au rotor qui diminuent le rendement du moteur et provoquent un échauffement dans le moteur qui peut induire une baisse d'induction et une désaimantation des aimants du rotor. Pour -2 - diminuer les pertes magnétiques au rotor, surtout à très haute vitesse, il est proposé d'utiliser un bobinage réparti. Cependant, un tel bobinage augmente la longueur du conducteur non utile (dans les têtes de bobines ou chignons), accroît l'encombrement longitudinal du moteur, et provoque des 5 points chauds dans des zones de chevauchement des bobines qui sont moins bien refroidies. Les moteurs électriques souffrent également des contraintes mécaniques au niveau des parties tournantes liées aux forces centrifuges, ce qui aboutit à une dégradation des aimants, surtout à très hautes vitesses 10 (de quelques 10 000 tours/minute à quelques 100 000 tours/minute). Pour augmenter la tenue mécanique, il est parfois proposé d'utiliser un aimant central sur lequel est rapportée une frette, faisant également office d'arbre de transmission. Cette solution améliore la tenue mécanique mais n'apporte aucune solution aux pertes magnétiques dans le rotor. 15 Ces inconvénients se retrouvent également dans les générateurs électriques et dans les réducteurs magnétiques. Un but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients. Un but de l'invention est de proposer un rotor permettant de 20 concevoir une machine électrique et/ou magnétique, de tenue mécanique et de rendement améliorés. Un autre but de l'invention est de proposer un rotor présentant une meilleure tenue mécanique tout en présentant moins de pertes magnétiques, et en particulier moins de pertes magnétiques rotoriques. 25 Exposé de l'invention L'invention permet d'atteindre au moins l'un de ces buts par un rotor cylindrique à champ radial, prévu pour être disposé dans un stator, 30 comprenant au moins deux logements, dits longitudinaux prévus pour recevoir au moins un aimant, et se prolongeant dans la direction axiale dudit rotor, chaque logement longitudinal étant non-débouchant à la surface extérieure (104) dans la direction radiale ; -3 caractérisé en ce que au moins un, en particulier chaque, logement longitudinal est séparé d'un logement adjacent par une paroi, dite jante, présentant une épaisseur : - supérieure ou égale à 0,1mm ; et 5 - inférieure ou égale à 25% du diamètre extérieur dudit rotor. Autrement dit, le rotor selon l'invention comprend au moins deux logements longitudinaux, qui ne débouchent pas sur la surface extérieure du rotor dans la direction radiale, et distribués dans la direction orthoradiale. De plus, le ou les logements sont séparés d'un logement adjacent par une 10 jante d'épaisseur limitée au maximum à 25% du diamètre du rotor. Ainsi, comme le rotor selon l'invention comprend au moins deux logements pour recevoir un ou des aimants, en particulier distribués dans la direction orthoradiale, le ou les aimants disposé(s) dans ces logements est(sont) également, au moins en partie, distribué(s) dans la direction 15 orthoradiale. Par conséquent, comme les aimants du rotor selon l'invention sont segmentés, les pertes magnétiques sont diminuées par rapport à une architecture utilisant une frette rapportée sur un unique aimant central. En définitive, le rendement d'un moteur, respectivement d'un générateur ou d'un réducteur magnétique, comprenant un tel rotor se voit amélioré. 20 Par ailleurs, une épaisseur de jante inférieure ou égale à 25% du diamètre extérieur du rotor permet d'augmenter, voire de maximiser, le volume d'aimant dans le rotor, ce qui augmente les performances du rotor et donc son rendement. De plus, le ou les aimants peuvent être disposés dans l'épaisseur du 25 rotor et peuvent être maintenus dans l'épaisseur dudit rotor, et ce sur toute la longueur du rotor du fait que les logements longitudinaux sont non-débouchants sur la surface extérieure du rotor. Les aimants sont alors moins exposés à une dégradation due aux forces centrifuges créées par la rotation du rotor car ils sont moins soumis aux contraintes de traction. La tenue 30 mécanique du rotor, et par conséquent d'un moteur, respectivement d'un générateur ou d'un réducteur magnétique, comprenant un tel rotor, est améliorée. -4 Ces avantages sont exacerbés lorsque le rotor est utilisé dans un moteur, respectivement dans un générateur ou un réducteur magnétique, à très haute vitesse, c'est-à-dire à une vitesse supérieure ou égale à 10 000 tours/minute, voire 100 000 tours/minute. Dans la suite, la description se réfère à un moteur pour éviter des lourdeurs rédactionnelles. Il est bien entendu que, l'invention n'est pas limitée à un moteur électrique et peut être appliquée à un générateur ou à un réducteur magnétique. Suivant un mode de réalisation, le nombre de logements longitudinaux du rotor selon l'invention peut être égal à quatre. Préférentiellement, l'épaisseur de la jante peut être inférieure ou 15 égale à 20% du diamètre extérieur du rotor. Cela permet d'améliorer les effets avantageux décrit plus haut. Encore plus préférentiellement, l'épaisseur de la jante peut être inférieure ou égale à 15% du diamètre extérieur du rotor. 20 Le rotor selon l'invention peut en outre comprendre une frette disposée atour dudit rotor. Suivant une caractéristique avantageuse, le rotor selon l'invention 25 peut comprendre une frette d'épaisseur variable au niveau d'au moins un, en particulier chaque, logement longitudinal. Autrement dit, la frette peut présenter une épaisseur variable le long de la périphérie dudit logement longitudinal se trouvant entre les jantes délimitant ledit logement. 30 Ainsi, il est possible de mieux répartir les contraintes mécaniques tout en conservant un rendement élevé et des pertes magnétiques diminuées. 5 10 Suivant un mode de réalisation particulier, pour au moins un, en particulier chaque, logement longitudinal, l'épaisseur de la frette peut -5 augmenter en s'éloignant d'une partie centrale de la périphérie dudit logement, vers les jantes délimitant ledit logement longitudinal. En particulier, l'épaisseur de la frette est plus grande au niveau de la jonction de ladite frette avec les jantes. 5 Cette variation d'épaisseur permet de réaliser une répartition optimisée des contraintes mécaniques dans la partie annulaire de la frette. La frette peut être réalisée en matériau plein non-magnétique. Dans ce cas, il est possible d'utiliser des matériaux qui présentent une 10 meilleure tenue mécanique, et qui sont mécaniquement plus performants, pour réaliser ladite frette. Alternativement, la frette peut être réalisée en matériau plein magnétique. 15 Ainsi, il est possible de réduire l'entrefer radial vu par les aimants pour rejoindre le circuit magnétique du stator. Lorsque la frette est en matériau plein, elle peut être réalisée par usinage d'une pièce monobloc. 20 En particulier, le rotor selon l'invention peut être réalisé par usinage d'une pièce monobloc dans le sens axial. Autrement dit, dans le sens axial, le rotor est formé par une unique pièce monobloc. Au moins un logement peut être formé par fraisage de ladite pièce monobloc dans la direction axiale. 25 Alternativement au moins un logement peut être formé par découpe au fil par électroérosion, qui offre de bonnes précisions. Le rotor selon l'invention peut être réalisé en métal. Alternativement, la frette peut être réalisée en matériau feuilleté. 30 Alternativement, la frette peut être réalisée en un matériau composite, tel que par exemple en un matériau composite de fibre de verre et d'epoxy, ou de fibre de carbone et d'epoxy. -6 Le rotor selon l'invention peut en outre comprendre au moins un aimant disposé dans chaque logement longitudinal. En particulier, le rotor comprend autant d'aimants que de logements, ce qui améliore la tenue mécanique tout en diminuant les pertes dans les 5 aimants. Suivant un exemple de réalisation, pour au moins un logement, l'aimant disposé dans ledit logement, peut être formé par un empilement d'aimants dans la direction axiale dudit rotor. 10 Un tel empilement permet de réduire encore plus les pertes magnétiques induites en leur sein. Alternativement, pour au moins un logement, l'aimant disposé dans ledit logement peut être un aimant monobloc. 15 Quel que soit le mode de réalisation, les logements longitudinaux peuvent comprendre des aimants aimantés dans le même sens pour tous les logements. Ainsi, il est possible de faire deux pôles avec un ou plusieurs aimants 20 en aimantant le rotor une seule fois après que les aimants sont insérés dans les logements de la frette. Alternativement, les logements longitudinaux peuvent comprendre des aimants aimantés en sens opposé, alternativement. 25 Ainsi, il est possible de faire plus que deux pôles en insérant des aimants déjà aimantés dans les logements de la frette. Avantageusement, le rotor selon l'invention peut comprendre, au niveau d'au moins une de ses extrémités, un connecteur mécanique mâle, 30 respectivement un connecteur mécanique femelle, pour le connecter à un arbre de transmission. Au moins un connecteur mâle, respectivement au moins un connecteur femelle, peut être prévu sur le rotor. -7 - Alternativement, lorsque le rotor comporte une frette, au moins un connecteur mécanique mâle, respectivement au moins un connecteur mécanique femelle, peut être prévu sur la frette. Au moins un connecteur mâle, respectivement au moins un 5 connecteur femelle, peut comprendre, ou consister en, une partie mâle, respectivement en un logement femelle, prévu(e) au niveau d'une extrémité du rotor, respectivement de la frette. La connexion de l'arbre de transmission à un connecteur peut être réalisée par vissage, serrage ou soudage. 10 Suivant un autre aspect de la présente invention, il est proposé une machine électrique et/ou magnétique comprenant un rotor selon l'invention, en particulier un rotor disposé dans un stator. 15 Suivant des exemples de réalisation non limitatifs, une telle machine peut être : - un moteur électrique, ou - un générateur électrique, ou 20 - un réducteur magnétique. Description des figures et modes de réalisation D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la 25 description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels la FIGURE 1 est une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation d'un rotor selon l'invention ; et les FIGURES 2a-2c sont des représentations schématiques d'un 30 deuxième exemple de réalisation d'un rotor selon l'invention. Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de -8 caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à de l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une 5 caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent 10 la même référence. La FIGURE 1 est une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation d'un rotor selon l'invention, suivant une vue de face. Le rotor 100, représenté sur la FIGURE 1, se présente sous la forme 15 d'un cylindre comprenant un axe de rotation 102 et une surface extérieure 104. Le rotor 100 comprend deux logements 1061 et 1062 longitudinaux, se prolongeant sur la majorité, ou la totalité, de la longueur du rotor 100, suivant la direction axiale. Les logements 1061-1062 sont en particulier 20 distribués suivant la direction orthoradiale du rotor 100 suivant un pas angulaire de 180°. Chaque logement 106 est entièrement confiné dans l'épaisseur du rotor 100, et ne débouche pas sur la surface extérieure 104 du rotor 100. Un aimant, respectivement 1081-1082, est disposé dans chaque 25 logement, respectivement 1061-1062. Les logements 1061-1062 ne communiquent pas entre-eux et sont séparés par une unique paroi 110, également appelée jante. Les logements 1061-1062 présentent une section identique. Les logements 1061-1062 sont symétriques par rapport à un axe de symétrie centrale. 30 La jante 110 présente une épaisseur supérieure à 0,1mm et inférieure à 15% du diamètre extérieur du rotor. -9 A titre d'exemple non limitatif, le rotor 100 présente un diamètre de 37mm et la jante 110 présente une épaisseur de 1mm, ce qui correspond à 2.7% du diamètre extérieur du rotor 100. 5 De plus, le rotor comprend une frette 112. Chaque logement longitudinal 106 présente une forme/section telle que l'épaisseur de la frette 112 est variable le long de la périphérie de chaque logement 106. En particulier, au niveau de chaque logement 106, l'épaisseur de la 10 frette 112 est variable entre les deux extrémités de la jante 110. En particulier, dans l'exemple de représenté sur la FIGURE 1, l'épaisseur de la frette 112 est importante au niveau d'une des extrémités de la jante 110, puis diminue pour atteindre un minimum, puis augmente pour atteindre un maximum au niveau d'une zone centrale de la périphérie 15 du logement 106. Ensuite, l'épaisseur de la frette 112 diminue à nouveau pour atteindre un minimum, puis augmente a nouveau pour atteindre un maximum au niveau de la jonction avec l'autre extrémité de la jante 110. 20 Les FIGURES 2a-2c sont des représentations schématiques d'un deuxième exemple de réalisation d'un rotor selon l'invention. La FIGURE 2a est une représentation du rotor suivant une vue de face et la FIGURE 2b est une représentation du rotor suivant une vue isométrique. La FIGURE 2c est une représentation du rotor des FIGURE 2a et 25 2b avec un arbre de transmission. Le rotor 200, représenté sur les FIGURES 2a-2c, se présente sous la forme d'un cylindre comprenant un axe de rotation 102 et une surface extérieure 104. Le rotor 200 de la FIGURE 2 comprend quatre logements 2061-2064 30 longitudinaux, se prolongeant sensiblement sur toute la longueur du rotor 200, suivant la direction axiale définie par l'axe 102. Les logements 206f2064 sont en particulier distribués suivant la direction orthoradiale du rotor 200, selon un pas angulaire de 900. - 10 - Chaque logement 206 est entièrement confiné dans l'épaisseur du rotor 200 et ne débouche pas sur la surface extérieure 104 du rotor 200. Un aimant indépendant et séparé, respectivement 2081-2084, est disposé dans chaque logement, respectivement 2061-2064. Chaque aimant 5 208 présente une section sensiblement identique à la section du logement dans lequel il est inséré. Les logements 2061-2064 présentent une section identique, et sont positionnés de manière symétrique par rapport à un axe de symétrie confondu avec l'axe de rotation 102 du rotor 300. 10 Les logements 2061-2064 ne communiquent pas entre eux et sont séparés les uns des autres par des jantes 2101-2104. En particulier : - les logements 2061 et 2062 sont séparés par la jante 2101; - les logements 2062 et 2063 sont séparés par la jante 2102; 15 - les logements 2063 et 2064 sont séparés par la jante 2103; - les logements 2064 et 2061 sont séparés par la jante 2104; Chaque jante 210 présente une épaisseur supérieure à 0,1mm et inférieure à 15% du diamètre extérieur du rotor. 20 A titre d'exemple non limitatif, le rotor 200 présente un diamètre de 37mm et chaque jante 210 présente une épaisseur de 0,5mm, ce qui correspond à 1.35% du diamètre extérieur du rotor 200. En particulier, toutes les jantes 210 présentent une épaisseur identique. 25 Alternativement, les jantes 210 peuvent présenter des épaisseurs différentes. De plus, le rotor 200 comprend une frette 212. Chaque logement longitudinal 206 présente une section de forme telle 30 que l'épaisseur de la frette 212, le long de la périphérie de chaque logement 206 est variable. En particulier, dans le rotor 200, au niveau de chaque logement 206, l'épaisseur de la frette 212 est variable entre les jantes 210 délimitant ledit logement. Par exemple, pour le logement 2062, l'épaisseur de la frette 212 à une 5 valeur maximale au niveau de la jante 2101 qui sépare le logement 2062 du logement 2061. Puis, le long de la périphérie du logement 2062, en allant vers la jante 2102, l'épaisseur de la frette 212 diminue pour atteindre un minimum au niveau d'une zone centrale de la périphérie dudit logement 2062, c'est-à-dire au niveau d'une zone de la périphérie dudit logement 2062 10 équidistante des jantes 2101 et 2102 délimitant ledit logement 2062. Ensuite, l'épaisseur de la frette 212 augmente à nouveau pour atteindre son épaisseur maximale au niveau de la jante 2102. L'épaisseur de la frette 212 évolue de manière identique et présente les mêmes valeurs pour chacun des autres logements 2061, 2063 et 2064. 15 Tel que visible sur la FIGURE 2b, le rotor 200 comporte en outre un logement femelle 214, au niveau de chacune de ses extrémités pour recevoir un arbre de transmission et connecter ledit arbre de transmission audit rotor 200 par serrage, soudage ou par vissage. Sur la FIGURE 2b, seul 20 un logement femelle d'une des extrémités du rotor 200 est visible. La FIGURE 2c, représente le rotor 200 muni d'un arbre de rotation 216 au niveau de chacune de ses extrémités. Alternativement, seule une seule des extrémités du rotor peut être connectée à un arbre de transmission, l'autre extrémité étant libre. 25 Chacun des rotors 100 ou 200 peut être réalisé par usinage d'une pièce monobloc en utilisant un matériau plein magnétique ou non. Alternativement, chaque rotor 100 ou 200 peut être réalisé en utilisant un 30 matériau feuilleté. Chaque aimant utilisé peut être un aimant réalisé en une seule pièce ou par empilement d'aimants dans le sens axial. - 12 - Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples détaillés ci-dessus. Par exemple, le nombre de logements longitudinaux du rotor, leur disposition, leur section peut différer de ce qui est décrit en référence aux FIGURES. 5 Suivant une définition générale, le rotor selon l'invention peut comprendre N logements longitudinaux confinés dans l'épaisseur du rotor, avec N un entier supérieur ou égal à 2. Le rotor selon l'invention permet de diminuer les pertes magnétiques, et de concevoir un moteur électrique, un générateur électrique ou un 10 réducteur magnétique, REVENDICATIONS1. Rotor (100;200) cylindrique à champ radial, prévu pour être disposé dans un stator, comprenant au moins deux logements (106;206), dits longitudinaux prévus pour recevoir au moins un aimant (108;208), et se prolongeant dans la direction axiale (102) dudit rotor (100;200), chaque logement longitudinal étant non-débouchant à la surface extérieure (104) dans la direction radiale ; caractérisé en ce que au moins un, en particulier chaque, logement longitudinal (106;206) est séparé d'un logement longitudinal adjacent (106;206) par une paroi (110;210), dite jante, présentant une épaisseur : - supérieure ou égale à 0,1mm ; et - inférieure ou égale à 25% du diamètre extérieur dudit rotor (100;200). 2. Rotor (100;200) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la jante (110;210) est inférieure ou égale à 20% du diamètre extérieur dudit rotor (100;200). 3. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la jante est inférieure ou égale à 15% du diamètre extérieur dudit rotor (100;200). 4. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une frette (112;212) d'épaisseur variable 25 au niveau d'au moins un, en particulier chaque, logement longitudinal (106;206). 5. Rotor (100;200) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que pour au moins un, en particulier chaque, logement longitudinal (106;206), 30 l'épaisseur de la frette (112;212) augmente en s'éloignant d'une partie centrale de la périphérie dudit logement (106;206), vers les jantes (110;210) délimitant ledit logement longitudinal (106;206). - 14 - 6. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une frette (112;212) en matériau plein magnétique. 5 7. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une frette (112;212) en matériau plein non-magnétique. 8. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce qu'il est réalisé par usinage d'une pièce monobloc. 9. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une frette (112;212) en matériau feuilleté. 15 10. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un aimant (108;208) disposé dans chaque logement longitudinal (106;206). 11. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que, pour au moins un logement longitudinal (106;206), l'aimant (108;208) disposé dans ledit logement longitudinal (106;206), est formé par un empilement d'aimants dans la direction axiale (102) dudit rotor (100;200). 12. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que les logements longitudinaux (106;206) comprennent des aimants (108;208) aimantés dans le même sens pour tous les logements. 13. Rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que les logements longitudinaux (106;206) comprennent des aimants (108;208) aimantés en sens opposés, alternativement. - 15 - 14. Machine électrique et/ou magnétique comprenant un rotor (100;200) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15. Machine selon la revendication précédentes caractérisé en ce qu'il s'agit 5 d'un : - moteur électrique, ou - générateur électrique, ou - réducteur magnétique. 10