Brevet FR3071370A1 — publié le 20190322

La présente invention se rapporte à une machine électrique tournante synchrone à réluctance variable ou synchro-réluctante assistée d'aimants permanents et plus particulièrement à un rotor d'une telle machine qui fonctionne avec un bus continu haute tension qui permet une forte puissance. Généralement, une telle machine électrique comporte un stator et un rotor disposés coaxialement l'un dans l'autre. Le rotor est formé d'un corps de rotor avec un empilage de tôles placé sur un arbre de rotor. Ces tôles comprennent des logements pour des aimants permanents et des perforations pour créer de barrières de flux permettant de diriger radialement le flux magnétique des aimants vers le stator et de favoriser la création d'un couple réluctant. Ce rotor est généralement logé à l'intérieur d'un stator qui porte des bobinages électriques permettant de générer un champ magnétique tournant permettant d'entraîner en rotation le rotor. Comme cela est mieux décrit dans le document W02016188764, le rotor peut comprendre une pluralité d'évidements axiaux qui traversent les tôles de part en part. Une première série d'évidements axiaux, disposés radialement les uns au-dessus des autres et à distance les uns des autres, forment des logements pour des générateurs de flux magnétiques, ici des aimants permanents sous forme de barreau rectangulaire. L'autre série d'évidements consiste en des perforations de direction radiale inclinée, qui partent de ces logements pour arriver au voisinage du bord des tôles. Les perforations inclinées sont disposées symétriquement par rapport aux logements des aimants de manière à former à chaque fois une figure géométrique sensiblement en forme de V à fond aplati avec le fond plat formé par le logement et avec les bras inclinés de ce V formés par les perforations. Il se crée ainsi des barrières de flux formées par les perforations. Le flux magnétique provenant des aimants ne peut alors que transiter par les parties pleines entre les perforations. Ces parties pleines sont généralement constituées d'un matériau ferromagnétique. L'espace séparant les perforations inclinées des logements des aimants est appelé pont magnétique ou encore isthme magnétique. Le document DE10253950 décrit des évidements axiaux qui ont une base rectangulaire mais qui sont évasés sur leurs côtés. L'intérêt d'une telle architecture pour ces évidements axiaux est de permettre de diminuer l'épaisseur des ponts magnétiques par rapport à l'état de la technique. Ceci permet d'améliorer le fonctionnement électromagnétique des ponts magnétiques et des barrières de flux. Cependant, un tel évasement engendre un problème technique supplémentaire. En effet, on constate que la tenue mécanique de ces isthmes magnétiques à haute vitesse n'est pas assurée car la contrainte mécanique sur ceux-ci est très importante. Le risque de rupture ou de fissure est réel. Ceci peut générer en outre des à-coups et des vibrations au niveau du rotor en 5 entraînant un inconfort d'utilisation de cette machine. Une solution consiste à augmenter l'épaisseur des ponts magnétiques afin de pouvoir tenir mécaniquement l'ensemble rotor et aimants, mais cela implique nécessairement une dégradation des performances électromagnétiques avec un risque de court-circuitage d'une partie des aimants permanents. La présente invention vise ainsi à remédier aux inconvénients énumérés ci-dessus et 10 notamment vise à proposer un rotor dont les ponts magnétiques puissent tenir mécaniquement aux hautes vitesses (jusqu'à 16800 rpm), et ceci sans dégrader les performances électromagnétiques des ponts magnétiques. Ainsi, pour atteindre au moins les objectifs susvisés, parmi d'autres, la présente 15 invention propose, selon un premier aspect, un rotor pour machine électrique, le rotor comprend : - un corps de rotor, formé par un empilage de tôles, placé sur un arbre de rotor, - au moins deux pôles magnétiques, chaque pôle magnétique est composé de trois aimants positionnés dans trois évidements axiaux, dont un évidement axial externe, un 20 évidement axial central et un évidemment axial interne, - une barrière de flux externe, une barrière de flux centrale et une barrière de flux interne, chaque barrière de flux comprend deux évidements inclinés positionnés de part et d'autre des évidements axiaux et séparés de ceux-ci par des ponts magnétiques, caractérisé en ce que les évidements axiaux comprennent deux congés supérieurs 25 dont le rayon est compris entre 0.3 et 0.6 mm et vaut préférentiellement 0.5 mm et qui s'étendent au-dessus desdits évidements axiaux afin de permettre une diminution de la contrainte mécanique en haut desdits évidements axiaux. Selon un mode de réalisation, les évidements axiaux ont une forme sensiblement trapézoïdale. 30 Selon un mode de réalisation, les évidements axiaux ont une forme sensiblement rectangulaire. Selon un mode de réalisation, l'évidemment axial interne comprend deux congés inférieurs composés chacun d'un premier congé dont le rayon de courbure R-1 est compris entre 0.95 et 1.1 mm et vaut préférentiellement 1 mm, et un deuxième congé dont le rayon 3 de courbure R2 est compris entre 2.51 et 2.53 mm et vaut préférentiellement 2.52 mm, les deux congés inférieurs s'étendent en dessous dudit évidemment axial interne. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur des ponts magnétiques entre les deux 5 évidements inclinés de la barrière de flux externe et l'évidement axial externe est comprise entre 0.5 mm et 0.6 mm et vaut préférentiellement 0.55 mm. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur des ponts magnétiques entre les deux évidements inclinés de la barrière de flux centrale et l'évidement axial central est comprise 10 entre 0.6 mm et 0.7 mm et vaut préférentiellement 0.65 mm. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur des ponts magnétiques entre les évidements inclinés de la barrière de flux interne et l'évidement axial interne est comprise entre 1 mm et 1.1 mm et vaut préférentiellement 1.05 mm. 15 Selon un mode de réalisation, les deux évidements inclinés de la barrière de flux interne comprennent une cavité qui a un rayon de courbure R3 compris entre 2.7 et 2.9 mm et qui vaut préférentiellement 2.8 mm. 20 Selon un mode de réalisation, les évidements inclinés forment entre eux un angle d'ouverture (01, 02, 03) qui correspond à l'angle entre deux droites (31, 32) passant chacune par le centre C du rotor et par un point milieu (M) positionné au niveau d'une face externe des évidements respectifs de chaque barrière de flux et en ce que le rotor comprend quatre pôles magnétiques primaires composés chacun d'une barrière de flux externe 25 comprenant un angle d'ouverture (01) sensiblement égal à 43,1°, d'une barrière de fltx centrale comprenant un angle d'ouverture (02) sensiblement égal à 33,1° et une barrière de flux interne comprenant un angle d'ouverture (03) sensiblement égal à 23,1° et quatre pôles magnétiques secondaires composés chacun d'une barrière de flux externe comprenant un angle d'ouverture (01) sensiblement égal à 34,4°, d'une barrière de flt..x centrale comprenant 30 un angle d'ouverture (02) sensiblement égal à 24,4 ° et une barrière de fbx interne comprenant un angle d'ouverture (03) sensiblement égal à 14,4° et chaque pôle secondàre est alterné avec un pôle primaire. Selon un mode de réalisation du rotor, la différence entre les angles d'ouvertures (01, 35 02, 03) de chaque barrière de flux respective d'un pôle magnétique à l'autre est égale à 8,7°. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne une machine électrique qui comprend un stator et un rotor tel que décrit précédemment et où le rotor est logé à l'intérieur du stator. 5 Selon un mode de réalisation, ledit stator comprend une multiplicité d'encoches radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator. Selon un mode de réalisation, les encoches s'étendent axialement le long du stator. 10 Selon un mode de réalisation, le stator a un diamètre extérieur compris entre 100 et 300 mm et vaut de préférence 200 mm et un diamètre intérieur compris entre 100 et 200 mm qui vaut de préférence 135 mm. Selon un mode de réalisation de la machine électrique, elle comprend un entrefer 15 dont la longueur est comprise entre 0.4 mm et 0.8 mm et qui vaut de préférence 0.6 mm. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. 20 Présentation succincte des figures La figure 1 illustre un rotor conforme à l'invention ; La figure 2 illustre également un rotor conforme à l'invention ; La figure 3 illustre une machine électrique conforme à l'invention ; La figure 4 représente les contraintes mécaniques subies par un pont magnétique. 25 Description détaillée de l'invention Comme illustré sur les figures 1 et 2, un rotor 1 comporte de manière connue en soi, un arbre 2, de préférence magnétique, sur lequel est placé un empilage de tôles 3. Celles-ci peuvent être ferromagnétiques planes, identiques et laminées. Elles sont assemblées les unes aux autres par tous moyens connus. Les tôles 3 sont de forme circulaire et 30 comprennent un alésage central 4 traversé par l'arbre 2 de rotor et une pluralité d'évidements axiaux 5 qui traversent les tôles 3 de part en part. Une première série d'évidements axiaux 6 sont disposés radialement les uns au-dessus des autres et à distance les uns des autres. Ils forment des logements pour des générateurs de flux magnétiques, ici des aimants permanents 7 sous forme de barreaux 35 rectangulaires. Les évidements axiaux 6 comprennent une surface supérieure 20 et une surface inférieure 21 et ces deux surfaces (20, 21) sont sensiblement parallèles. Les surfaces supérieures 20 et inférieures 21 sont fermées par des côtés. Ces côtés, dans le cadre de l'invention, sont évasés. Cela signifie qu'ils sont sensiblement plus éloignées de l'aimant permanents 7 au niveau de la surface inférieure 21 et qu'ils sont sensiblement plus 5 proche de l'aimant permanents 7 au niveau de la surface supérieure 20 de telle manière que les évidements axiaux 6 ont la forme d'une pyramide de hauteur h dont le sommet est écrêté (en d'autres termes, les évidements axiaux 6 ont sensiblement une forme de trapèze). Cette forme ainsi obtenue permet d'améliorer les performances électromagnétiques du rotor 1. Les évidements axiaux 6 sont au nombre de trois et composent ainsi, avec les aimants 10 permanents 7, une partie d'un pôle magnétique. Dans le cadre de l'invention, le rotor 1 comprend un évidement axial externe 30 situé à proximité de la périphérie du rotor, un évidement axial central 31 situé entre les deux autres évidements et un évidemment axial interne 32 situé à proximité du centre du rotor. Les trois évidements axiaux (30, 31, 32) comprennent deux congés supérieurs (40, 41) 15 en forme de demi sphère et qui ont un rayon compris entre 0.3 et 0.6 mm et qui est préférentiellement de 0.5 mm. Ces congés supérieurs (40, 41) s'étendent à partir de la surface supérieure 20 et au-dessus de celle-ci afin de permettre une répartition de la contrainte mécanique en haut desdits évidements axiaux (30, 31, 32). L'évidemment axial interne 32 comprend en plus deux congés inférieurs (50, 51). Ces 20 congés inférieurs (50, 51) s'étendent à partir de la surface inférieure 21 et en-dessous de celle-ci afin de permettre une répartition de la contrainte mécanique en bas de l'évidement axial interne 32. En augmentant la répartition de la contrainte mécanique sur une plus grande distance cela permet de diminuer la contrainte mécanique. Ces congés (50, 51) sont composés chacun de deux congés sous-jacents dont un premier congé qui a un rayon de 25 courbure R-1 compris entre 0.9 et 1.1 mm, et qui vaut préférentiellement 1 mm, et un deuxième congé qui a un rayon de courbure R2 compris entre 2.51 et 2.53 mm, et qui vaut préférentiellement 2.52 mm. L'autre série d'évidements consiste en des perforations de direction radiale inclinée 8, qui partent des évidements axiaux 6 pour arriver au voisinage du bord des tôles 3 et qui vont 30 jouer le rôle de barrière de flux. Comme visible sur la figure 3, le rotor 1 comprend huit pôles magnétiques. Chaque pôle magnétique est composé de trois aimants permanents 7 positionnés dans les trois évidements axiaux 6 prévus pour loger les aimants permanents 7. Le rotor 1 est également composé de trois barrières de flux dont une barrière de flux externe 9, une barrière de flux 35 centrale 10 et une barrière de flux interne 11. 6 Tel que cela est visible sur les figures 1 à 3, chaque barrière de flux (9, 10, 11) comprend deux perforations inclinées qui sont disposées symétriquement par rapport aux logements des aimants 7 pour chaque pôle magnétique. Ainsi, il se forme à chaque fois une figure géométrique sensiblement en forme de V à fond aplati avec le fond plat formé par le 5 logement 7 et avec les bras inclinés de ce V formés par les perforations inclinées. Comme cela a été évoqué précédemment, les interstices entre les évidements axiaux (30, 31, 32) et les perforations inclinées constituent les ponts magnétiques. L'épaisseur des ponts magnétiques entre les deux évidements inclinés 8 de la barrière de flux externe 9 et l'évidement axial externe 30 est comprise entre 0.5 mm et 0.6 mm, et vaut préférentiellement 10 0.55 mm. L'épaisseur des ponts magnétiques entre les deux évidements inclinés 8 de la barrière de flux centrale 10 et l'évidement axial central 31 est comprise entre 0.6 mm et 0.7 mm et vaut préférentiellement 0.65 mm. L'épaisseur des ponts magnétiques entre les évidements inclinés 8 de la barrière de flux 15 interne 11 et l'évidement axial interne 32 est comprise entre 1 mm et 1.1 mm et vaut préférentiellement 1.05 mm. Les deux évidements inclinés 8 de la barrière de flux interne 11 ont une extrémité inférieure qui se prolonge en dessous d'un plan P formé par la surface inférieure 21 de l'évidement axial intérieur 32 de manière à former une cavité 60 qui soit en dessous du plan P formé par 20 la surface inférieure 21 et vis-à-vis des congés inférieurs (50, 51). Ces cavités 60 peuvent avoir un rayon de courbure R3 compris entre 2.7 et 2.9 mm et préférentiellement 2.8 mm. Pour chaque barrière de flux (9, 10, 11) de chaque pôle magnétique va correspondre un angle d'ouverture (01, 02, 03) qui va qualifier l'ouverture de la forme en V. Ces angles d'ouverture correspondent à l'angle entre deux droites (3.1, 32) passant chacune par un 25 centre C du rotor 1 et par un point milieu M positionné au niveau d'une face externe 12 des perforations de direction radiale inclinée 8 de chaque barrière de flux. Comme visible aux figures 2 et 3, le rotor 1 comprend deux architectures de pôles magnétiques. A cet effet, il comprend quatre pôles magnétiques primaires 13 et quatre pôles magnétiques secondaires 14. 30 Les pôles magnétiques primaires 13 sont composés chacun d'une barrière de flux externe 9 qui comprend un angle d'ouverture 01 sensiblement égal à 43,10, d'une barrière de flux centrale 10 comprenant un angle d'ouverture 02 sensiblement égal à 33,10 et une barrière de flux interne 11 comprenant un angle d'ouverture 03 égal à 23,1°. Les quatre pôles magnétiques secondaires 14 sont composés quant à eux chacun d'une barrière de flux 35 externe 9 comprenant un angle d'ouverture 01 sensiblement égal à 34,4°, d'une barrière de 7 flux centrale 10 comprenant un angle d'ouverture 02 sensiblement égal à 24,4° et une barrière de flux interne 11 comprenant un angle d'ouverture 03 sensiblement égal à 14,4°. Le rotor 1 comprend une alternance entre les pôles magnétiques primaires 13 et les pôles magnétiques secondaires 14. De cette manière l'ondulation du couple, les 5 harmoniques de force contre-électromotrice et le bruit acoustique sont fortement réduits par rapport au machine électrique de l'art antérieur. Dans le mode de réalisation de la machine électrique, la différence entre les angles d'ouvertures pour chaque barrière de flux spécifique est constante pour chaque paire de pôles primaire et secondaire alternée. Cette différence angulaire est sensiblement égale à 8,7°. Cette difbrence angulaire de 8,7 ° se retrouve pour 10 les barrières de flux externe, centrale et interne pour chaque pôle primaire et secondaire qui se suivent. Dans le mode de réalisation décrit, le rotor 1 peut a une longueur de 150 mm et les tôles 3 constitutives du rotor 1 sont laminées à 0.35 mm. En référence à la figure 3, qui illustre une machine électrique tournante conforme à 15 l'invention (ici une machine synchrone à réluctance variable assistée d'aimant permanent), une machine électrique comprend un stator 15 imbriqué dans le rotor 1 de manière coaxiale. Le stator 15 comprend une bague annulaire 16 avec une paroi interne 17 dont le diamètre intérieur est prévu pour recevoir le rotor 1 avec un espace nécessaire pour réaliser un entrefer 18. Cette bague comprend une multiplicité de perçages, ici de section oblongue, 20 qui forment des encoches 19 pour les bobinages d'induit. Plus précisément, ces perçages s'étendent axialement tout au long du stator en étant disposés radialement sur la bague tout en étant placés circonférentiellement à distance les uns des autres d'une distance D. Dans le cadre du mode de réalisation illustré, il y a 48 perçages. 25 Dans le cadre du mode de réalisation illustré, le stator a un diamètre extérieur de 200 mm et un diamètre intérieur de 135 mm. La longueur de l'entrefer 18 de la machine électrique est de 0.6 mm. La figure 4 représente les contraintes mécaniques subies par le pont magnétique entre les évidements inclinés 8 de la barrière de flux interne 11 et un évidement axial interne 32. On 30 peut visualiser que, grâce à l'ajout de congés inférieurs (50, 51), supérieurs (40, 41) et des cavités 60 les contraintes mécaniques subies aux hautes vitesses sont mieux réparties, comme l'indique les différents niveaux de gris qui sont relativement uniformes, entre les deux évidements ce qui augmente la tenue mécanique de l'ensemble sans pour autant dégrader les performances électromagnétiques. 8 Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la forme de réalisation des ouvertures, décrite ci-dessus à titre d'exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation. REVENDICATIONSRotor (1) pour machine électrique, le rotor (1) comprend : un corps de rotor (1), formé par _un empilage de tôles (3), placé sur un arbre de rotor (1), au moins deux pôles magnétiques, chaque pôle magnétique est composé de trois aimants (7) positionnés dans trois évidements axiaux (6), dont un évidement axial externe (30), un évidement axial central (31) et un évidemment axial interne (32), une barrière de flux externe (9), une barrière de flux centrale (10) et une barrière de 10 flux interne (11), chaque barrière de flux (9, 10, 11) comprend deux évidements inclinés (8) positionnés de part et d'autre des évidements axiaux (6) et séparés de ceux-ci par des ponts magnétiques, caractérisé en ce que les évidements axiaux (6) comprennent deux congés supérieurs (40, 41) dont le rayon est compris entre 0.3 et 0.6 mm et vaut préférentiellement 0.5 mm 15 et qui s'étendent au-dessus desdits évidements axiaux (6) afin de permettre une diminution de la contrainte mécanique en haut desdits évidements axiaux (6). 2 Rotor (1) pour machine électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que les évidements axiaux (6) ont une forme sensiblement trapézoïdale. 20 3 Rotor (1) pour machine électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les évidements axiaux (6) ont une forme sensiblement rectangulaire. 4) Rotor (1) pour machine électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé 25 en ce que l'évidemment axial interne (32) comprend deux congés inférieurs (50, 51) composés chacun d'un premier congé dont le rayon de courbure R1 est compris entre 0.95 et 1.1 mm et vaut préférentiellement 1 mm, et un deuxième congé dont le rayon de courbure R2 est compris entre 2.51 et 2.53 mm et vaut préférentiellement 2.52 mm, les deux congés inférieurs (50, 51) s'étendent en dessous dudit évidemment axial interne 30 (32) Rotor (1) pour machine électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'épaisseur des ponts magnétiques entre les deux évidements inclinés (8) de la barrière de flux externe (9) et l'évidement axial externe (30) est comprise entre 0.5 mm et 35 0.6 mm et vaut préférentiellement 0.55 mm. 6) Rotor (1) pour machine électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'épaisseur des ponts magnétiques entre les deux évidements inclinés (8) de la barrière de flux centrale (10) et l'évidement axial central (31) est comprise entre 0.6 mm et 0.7 mm et vaut préférentiellement 0.65 mm. 7 Rotor (1) pour machine électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'épaisseur des ponts magnétiques entre les évidements inclinés (8) de la barrière de flux interne (11) et l'évidement axial interne (32) est comprise entre 1 mm et 1.1 mm et vaut préférentiellement 1.05 mm. 10 8 Rotor (1) pour machine électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les deux évidements inclinés (8) de la barrière de flux interne (11) comprennent une cavité (60) qui a un rayon de courbure R3 compris entre 2.7 et 2.9 mm et qui vaut préférentiellement 2.8 mm. 9 Rotor (1) pour machine électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les évidements inclinés (8) forment entre eux un angle d'ouverture (81, 82, 83) qui correspond- à l'angle entre deux droites (M,./12) passant chacune par le centre C du rotor (1) et par un point milieu (M) positionné au niveau d'une face externe (12) des évidements (8) respectifs de chaque barrière de flux (9, 10, 11) et en ce que le rotor (1) comprend quatre pôles magnétiques primaires (13) composés chacun d'une barrière de flux externe (9) comprenant un angle d'ouverture (81) sensiblement égal à 43,1°, d'une barrière de flux centrale (10) comprenant un angle d'ouverture (82) sensiblement égal à 33,1° et une barrière de flux interne (11) comprenant un angle d'ouverture (63) sensiblement égal à 23,1° et quatre pôles magnétiques secondaires (14) composés chacun d'une barrière de flux externe (9) comprenant un angle d'ouverture (81) sensiblement égal à 34,4°, d'une barrière de flux centrale (10) comprenant un angle d'ouverture (82) sensiblement égal à 24,4 ° et une barrière de flux interne (11) comprenant un angle d'ouverture (03) sensiblement égal à 14,4° et chaque pôle secondaire (14) est alterné avec un pôle primaire (13). 10) Rotor (1) pour machine électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la différence entre les angles d'ouvertures (01, 62, 83) de chaque barrière de flux (9, 10, 11) respective d'un pôle magnétique à l'autre est égale à 8,7°. 11) Machine électrique caractérisé en ce qu'elle comprend un stator (15) et un rotor (1) selon l'une des revendications 1 à 10, ledit rotor (1) étant logé à l'intérieur dudit stator (15). 11 12) Machine électrique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit stator (15) comprend une multiplicité d'encoches (19) radiales disposées circ,onférentiellement le long dudit stator (15). 13) Machine électrique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les encoches (19) s'étendent axialement le long du stator (15). 14) Machine électrique selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisée en ce que le 10 stator (15) a un diamètre extérieur compris entre 100 et 300 mm et vaut de préférence 200 mm et un diamètre intérieur compris entre 100 et 200 mm qui vaut de préférence 135 mm. 15) Machine électrique selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisée en ce qu'elle 15 comprend un entrefer (18) dont la longueur est comprise entre 0.4 mm et 0.8 mm et qui vaut de préférence 0.6 mm.