Brevet FR3064836A1 — publié le 20181005

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UN ROTOR LIMITANT LES FUITES MAGNÉTIQUES La présente invention porte sur un rotor à griffes de machine électrique tournante ayant une forme limitant les fuites magnétiques. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des alternateurs et des machines électriques réversibles pour véhicule automobile. Un alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique. Une machine réversible permet également de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique, notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. De façon connue en soi, un alternateur tel que décrit dans le document EP0762617 comporte un carter et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes solidaire en rotation d'un arbre, et un stator qui entoure le rotor avec présence d'un entrefer. Une poulie est fixée sur l'extrémité avant de l'arbre. Le stator comporte un corps en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches pour le montage des enroulements de phase du bobinage statorique. Ces enroulements de phase sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle, dont les sorties sont reliées à au moins un module électronique de redressement comportant des éléments redresseurs, tels que des diodes ou des transistors. Par ailleurs, comme cela est illustré par la figure 1, le rotor 1 comporte deux roues polaires 2. Chaque roue polaire 2 présente un plateau 3 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes 4 par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes 4 d'une roue 2 sont dirigées axialement vers le plateau 3 de l'autre roue 2. Chaque griffe 4 d'une roue polaire 2 pénètre dans l'espace existant entre deux griffes 4 voisines de l'autre roue polaire 2, de sorte que les griffes 4 des roues polaires 2 sont imbriquées les unes par rapport aux autres. On définit le pas polaire du rotor Tpr comme étant la largeur d'un pôle du côté d'une base de griffe 4. On définit également le pas polaire du stator Tps comme étant le nombre de dents statoriques 5 qui couvre un pôle. Par 3064836 2 exemple, dans le cas d'un système triphasé avec 6 paires de pôles et un nombre de dents statorique égal à 36, on a Tps = 36/12 pôles = 3 dents comme cela est représenté sur la figure 1. Comme cela est illustré par la figure 2, dans le cas où le pas polaire 5 du rotor Tpr est inférieur au pas polaire du stator Tps (cf. zone Z1), il n'y a pas assez d'échange de flux magnétique entre le rotor et le stator, ce qui engendre une baisse de débit et de rendement de la machine électrique. Dans le cas où le pas polaire du rotor Tpr est égal au pas polaire du stator Tps (cf. zone Z2), aucun court-circuit magnétique n'est observable, ce 10 qui engendre une augmentation de débit et de rendement de la machine électrique. Dans le cas où le pas polaire du rotor Tpr est supérieur au pas polaire du stator Tps (cf. zone Z3), on observe des court-circuits magnétiques dans la zone CC de la figure 1, ce qui engendre une baisse du débit et du 15 rendement de la machine électrique. L'invention vise à permettre l'utilisation d'un alternateur dont le pas polaire du rotor Tpr est supérieur au pas polaire du stator Tps tout en évitant les pertes de rendement. A cet effet, l'invention a pour objet une machine électrique tournante 20 de véhicule automobile comportant: - un stator, - un rotor comportant deux roues polaires comprenant chacune un plateau et une pluralité de griffes, - un entrefer étant défini entre une périphérie interne du stator et une 25 périphérie externe des griffes, - chaque griffe comportant un bord d'attaque et un bord de fuite s'étendant entre une base et une pointe de la griffe correspondante, caractérisée en ce que l'entrefer est augmenté d'au moins 25% dans au moins une zone d'intersection entre le plateau et une griffe d'une roue 30 polaire correspondante par rapport à l'entrefer mesuré au niveau une droite passant par la pointe de la griffe et perpendiculaire à la base de la griffe. 3064836 3 L'invention permet ainsi, du fait de cette augmentation locale de l'entrefer, de limiter les fuites magnétiques dans l'alternateur en réduisant les zones de court-circuit. L'invention permet en outre d'augmenter le débit de l'alternateur ainsi que le rendement correspondant. 5 Selon une réalisation, l'entrefer est augmenté uniquement du côté des bords de fuite des griffes des roues polaires. Selon une réalisation, l'entrefer est augmenté uniquement du côté des bords d'attaque des griffes des roues polaires. Selon une réalisation, l'entrefer est augmenté alternativement du côté 10 d'un bord d'attaque d'une griffe et du côté d'un bord de fuite d'une griffe adjacente des roues polaires. Selon une réalisation, l'entrefer est augmenté du côté du bord d'attaque et du côté de bord de fuite de chaque griffe des roues polaires. Selon une réalisation, l'entrefer est augmenté par un rayon réalisé au 15 niveau de la zone d'intersection. Selon une réalisation, le rayon est compris entre 3 et 10mm. Un tel rayon permet de couvrir la zone du court-circuit magnétique entre le rotor et le stator. Selon une réalisation, l'entrefer est augmenté par un chanfrein réalisé 20 au niveau de la zone d'intersection. Selon une réalisation, le chanfrein présente une largeur comprise entre 3 et lOmm. Selon une réalisation, le chanfrein présente un angle compris entre 15 degrés et 85 degrés par rapport à un axe de la griffe correspondante. 25 Selon une réalisation, les griffes des roues polaires sont symétriques. Selon une réalisation, les griffes des roues polaires sont dissymétriques. 3064836 4 Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte des aimants interpolaires positionnés chacun à l'intérieur d'un espace séparant deux griffes successives. Selon une réalisation, les aimants interpolaires sont maintenus par 5 des lèvres appartenant à deux griffes adjacentes. Selon une réalisation, une épaisseur minimum de chaque lèvre de maintien est de 1.35mm. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données 10 qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1, déjà décrite, est une vue partielle de dessus illustrant la zone de court-circuit magnétique entre le rotor et le stator d'un alternateur selon l'état de la technique; La figure 2, déjà décrite, est une représentation graphique montrant 15 l'évolution du rendement d'un alternateur en fonction d'un ratio entre le pas polaire du rotor et le pas polaire du stator; La figure 3 est une en coupe longitudinale d'un alternateur selon la présente invention; Les figures 4 à 6 sont des vues partielles de dessus d'un rotor d'un 20 alternateur illustrant différents modes de réalisation de la présente invention; Les figures 7a et 7b sont des vues illustrant la configuration du flux magnétique respectivement pour un rotor selon l'état de la technique et pour un rotor selon l'invention; La figure 8 est une représentation graphique illustrant le gain en débit 25 de courant d'un alternateur réalisé selon la présente invention. Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. On a représenté sur la figure 3 un alternateur 10 compact et 3064 836 5 polyphasé, notamment pour véhicule automobile. Cet alternateur 10 transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible. Un tel alternateur 10 réversible, appelé alterno-démarreur, permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment 5 pour démarrer le moteur thermique du véhicule. Cet alternateur 10 comporte un carter 11 et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes 12 monté sur un arbre 13, et un stator 16 qui entoure le rotor 12. Une poulie 14 est fixée sur l'arbre 13. Cette poulie appartient à un dispositif de transmission de mouvement à courroie entre l'alternateur 10 et 10 le moteur thermique du véhicule automobile. L'axe X de l'arbre 13 forme l'axe de rotation du rotor 12. Le stator 16 comporte un corps 19 en forme d'un paquet de tôles doté de dents 17 (cf. figures 7a et 7b) délimitant des encoches pour le montage des phases du stator. Chaque phase comporte au moins un enroulement 15 traversant les encoches du corps 19 du stator 16 et forme, avec toutes les phases, un chignon avant 20 et un chignon arrière 21 de part et d'autre du corps de stator 19. Les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme de barre, tels 20 que des épingles reliées entre elles par exemple par soudage. Ces enroulements sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle, dont les sorties sont reliées à au moins un pont redresseur ou onduleur. La cas s'applique à un alternateur ou alternodémarreur comme décrit par exemple dans le document FR2745445. 25 Le rotor 12 comporte deux roues polaires 24, 25 présentant chacune un plateau 28 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes 29 par exemple de forme trapézoïdale et d'orientation axiale. Les griffes 29 d'une roue 24, 25 sont dirigées axialement vers le plateau 28 de l'autre roue. Chaque griffe 29 d'une roue polaire 24, 25 pénètre dans 30 l'espace existant entre deux griffes 29 voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont imbriquées les unes par rapport aux autres. 3064836 6 La périphérie externe des griffes 29 définit avec la périphérie interne du corps 19 du stator 16 l'entrefer E entre le stator 16 et le rotor 12. Un noyau cylindrique 30 est intercalé axialement entre les plateaux 28 des roues 24, 25. En l'occurrence, le noyau 30 consiste en deux demi- 5 noyaux appartenant chacun à l'un des plateaux 28. Ce noyau 30 porte à sa périphérie externe une bobine d'excitation 31 bobinée dans un isolant intercalé radialement entre le noyau 30 et la bobine 31. Par ailleurs, le carter 11 comporte des paliers avant 35 et arrière 36 assemblés l'un avec l'autre. Les paliers 35, 36 sont de forme creuse et 10 portent chacun centralement un roulement 37, 38 à billes pour le montage à rotation de l'arbre 13 du rotor. Le palier arrière 36 porte un porte-balais 40 muni de balais 41 destinés à venir frotter contre des bagues 44 d'un collecteur 45 reliées par des liaisons filaires au bobinage d'excitation 31. Les balais 41 sont reliés électriquement à un régulateur de tension monté à 15 l'extérieur de la machine. Les paliers avant 35 et arrière 36 comportent des ouvertures sensiblement latérales avant et arrière en vue de permettre le refroidissement de l'alternateur 10 par circulation d'air engendrée par la rotation de ventilateurs 48 positionnés sur les faces avant et arrière du rotor. 20 Chaque ventilateur 48 est pourvu d'une pluralité de pales 49. Les ouvertures latérales avant 50 et arrière 51 sont en regard des chignons respectivement avant 20 et arrière 21. Comme on peut le voir sur la figure 4, chaque griffe 29 de forme trapézoïdale comporte un bord d'attaque 54 entrant le premier en contact 25 avec l'air suivant le sens de rotation du rotor 12 indiqué par la flèche S et un bord de fuite 55 situé du côté opposé par rapport au bord d'attaque 54. Ces bords 54, 55 s'étendent entre la base 56 de la griffe 29 et la pointe 57 de la griffe 29. En l'occurrence, l'entrefer E est augmenté d'au moins 25%, de 30 préférence de 100% à 300%, dans une zone d'intersection 61 entre le plateau 28 et une griffe 29 de la roue polaire 24, 25 correspondante par rapport à l'entrefer E mesuré au niveau d'une droite D passant par la pointe 3064836 7 de la griffe 29 et perpendiculaire à la base 56 de la griffe 29. L'entrefer E pourra également être augmenté du côté du bord d'attaque 54 et du côté de bord de fuite 55 de chaque griffe 29. Alternativement, l'entrefer E pourra être augmenté uniquement du côté des 5 bords de fuite 55 des griffes 29 ou uniquement du côté des bords d'attaque 54 des griffes 29. L'entrefer E pourra également être augmenté alternativement du côté d'un bord d'attaque 54 d'une griffe 29 et du côté d'un bord de fuite 55 d'une griffe 29 adjacente. Comme cela est représenté sur la figure 4, l'entrefer E pourra être 10 augmenté par un rayon R réalisé au niveau de la zone d'intersection 61 correspondante. De préférence, ce rayon R est compris entre 3 et lOmm. Dans le mode de réalisation de la figure 5, l'entrefer E est augmenté par un chanfrein 63 réalisé au niveau de la zone d'intersection 61 correspondante. De préférence, ce chanfrein 63 présente une largeur 15 comprise entre 3 et 10mm. Par ailleurs, le chanfrein 63 présente un angle compris entre 15 degrés et 85 degrés par rapport à l'axe de la griffe 29. Comme cela est représenté sur la figure 6, le rotor 12 pourra comporter des aimants interpolaires 65 positionnés chacun à l'intérieur d'un espace 68 séparant deux griffes 29 successives. Les aimants 65 pourront 20 être positionnés à l'intérieur de tous les espaces interpolaires 68 ou uniquement à l'intérieur de certains d'entre eux et répartis de façon régulière suivant la circonférence du rotor 12. A cet effet, les aimants 65 sont maintenus par des lèvres 70 appartenant à deux griffes 29 adjacentes. De préférence, une épaisseur 25 minimum de chaque lèvre de maintien 70 est de 1.35mm. Les aimants permanent inter-polaires 65 pourront être réalisés par exemple en terres rare NeFeB (Neodyme-Fer-Bore) ou SmCo (Samarium-Cobalt). Les choix du matériau et du nombre d'aimants interpolaires 65 permettent d'ajuster aisément les propriétés magnétiques du rotor 12 à la 30 puissance recherchée de l'alternateur 10. Dans ce cas, l'augmentation de l'entrefer E dans la zone d'intersection 3064 836 8 61 pourra être obtenue en combinant la réalisation d'un rayon R à celle d'un chanfrein 63. La figure 7b montre que l'augmentation locale de l'entrefer E permet de minimiser les fuites de flux magnétique F_Mag dans la zone Z par rapport 5 à une configuration de rotor classique représentée sur la figure 7a. En outre, la figure 8 met en évidence le gain en courant A entre un alternateur 10 selon la présente invention (cf. courbe C2) par rapport à un alternateur selon l'état de la technique (cf. courbe Cl). Ce gain A pourra être de l'ordre de 5A. Il est en outre associé à un gain de rendement et à un gain 10 aéraulique. Dans l'exemple de réalisation, les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont symétriques, c'est-à-dire que la droite D passant par le centre de la base 56 passe également par la pointe 57 de la griffe 29 29. La droite D est ainsi la droite médiane de la griffe 29. 15 En variante, les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont dissymétriques, c'est-à-dire que la médiane passant par le centre de la base 56 d'une griffe 29 est décalée par rapport à une droite parallèle passant par la pointe 57 de la griffe 29 correspondante. Une griffe 29 dissymétrique peut être penchée dans le sens de rotation S ou dans le sens opposé au sens de 20 rotation S. Les griffes 29 des deux roues polaires 24, 25 pourront être penchées dans le même sens ou dans des sens opposés. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres 25 équivalents. En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10) de véhicule automobile comportant: - un stator (16), - un rotor (12) comportant deux roues polaires (24, 25) comprenant chacune un plateau (28) et une pluralité de griffes (29), - un entrefer (E) étant défini entre une périphérie interne du stator (16) et une périphérie externe des griffes (29), - chaque griffe (29) comportant un bord d'attaque (54) et un bord de io fuite (55) s'étendant entre une base (56) et une pointe (57) de la griffe (29) correspondante, caractérisée en ce que l'entrefer (E) est augmenté d'au moins 25% dans au moins une zone d'intersection (61) entre le plateau (28) et une griffe (29) d'une roue polaire (24, 25) correspondante par rapport à l'entrefer (E) 15 mesuré au niveau une droite (D) passant par la pointe (57) de la griffe (29) et perpendiculaire à la base (56) de la griffe (29). 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entrefer (E) est augmenté uniquement du côté des bords de fuite (55) des griffes (29) des roues polaires (24, 25). 20 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entrefer (E) est augmenté uniquement du côté des bords d'attaque (54) des griffes (29) des roues polaires (24, 25). 4. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entrefer (E) est augmenté alternativement du côté d'un bord 25 d'attaque (54) d'une griffe (29) et du côté d'un bord de fuite (55) d'une griffe (29) adjacente des roues polaires (24, 25). 5. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entrefer (E) est augmenté du côté du bord d'attaque (54) et du côté de bord de fuite (55) de chaque griffe (29) des roues polaires (24, 25). 30 6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'entrefer (E) est augmenté par 3064836 un rayon (R) réalisé au niveau de la zone d'intersection (61). 7. Machine électrique tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce que le rayon (R) est compris entre 3 et lOmm. 8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'entrefer (E) est augmenté par un chanfrein (63) réalisé au niveau de la zone d'intersection (61). 9. Machine électrique tournante selon la revendication 8, caractérisée en ce que le chanfrein (63) présente une largeur comprise entre 3 et lOmm. 10. Machine électrique tournante selon la revendication 8 ou 9, io caractérisée en ce que le chanfrein (63) présente un angle compris entre 15 degrés et 85 degrés par rapport à un axe de la griffe (29) correspondante. 11. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les griffes (29) des roues polaires (24, 25) sont symétriques. 12. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les griffes (29) des roues polaires (24, 25) sont dissymétriques. 13. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'il comporte des aimants interpolaires (65) positionnés chacun à l'intérieur d'un espace (68) séparant deux griffes (29) successives. 14. Machine électrique tournante selon la revendication 13, caractérisée en ce que les aimants interpolaires (65) sont maintenus par des lèvres (70) appartenant à deux griffes (29) adjacentes. 15. Machine électrique tournante selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'une épaisseur minimum de chaque lèvre de maintien (70) est de 1.35mm .