Brevet FR3064423A1 — publié le 20180928

« Rotor pour moteur ou génératrice électromagnétique à structure alvéolaire comportant des alvéoles pour le logement d'aimants respectifs» La présente invention concerne un rotor pour moteur ou génératrice électromagnétique à flux axial ou à flux radial à structure alvéolaire comportant des alvéoles pour le logement d'un aimant respectif. L'invention concerne aussi un moteur ou une génératrice électromagnétique équipé d'un tel rotor. La présente invention trouve une application avantageuse mais non limitative pour un moteur électromagnétique délivrant une forte puissance avec une vitesse de rotation du rotor élevée, ce qui est obtenu par les caractéristiques spécifiques du rotor selon la présente invention. Un tel moteur peut être utilisé par exemple comme moteur électromagnétique dans un véhicule automobile totalement électrique ou hybride. Avantageusement mais non limitativement, le moteur ou la génératrice électromagnétique peut comprendre au moins un rotor encadré par deux stators, ces éléments pouvant se superposer les uns par rapport aux autres en étant séparés par au moins un entrefer sur un même arbre. Dans des applications à haute vitesse, il est nécessaire d'avoir non seulement un système compact rendu possible par la réduction de la masse et de l'encombrement du moteur axial pour un rendement optimal, mais également une très bonne tenue mécanique de la partie tournante, c'est-à-dire le rotor, afin d'améliorer la fiabilité du système. Dans des applications à haute vitesse, il est nécessaire de réduire les pertes pour un rendement optimal. Dans des applications automobiles, la miniaturisation est de plus en plus recherchée. Pour cela il est important d'avoir un système compact rendu possible par la réduction de la masse et de l'encombrement du moteur axial, mais également une très bonne tenue mécanique de la partie tournante, afin d'améliorer la fiabilité du système. Pour une machine électromagnétique à flux axial, le rotor comporte un corps sous forme d'un disque présentant deux faces circulaires reliées par une épaisseur, le disque étant délimité entre une couronne externe et une périphérie interne délimitant un évidement pour un arbre de rotation. Au moins deux aimants permanents sont appliqués contre au moins une des deux faces circulaires du corps dite face de support. Pour un rotor 3064423 2 mono-entrefer destiné à être associé à un stator, une seule face circulaire du corps porte des aimants tandis que pour un rotor à deux entrefers avec un stator respectif, ce sont les deux faces qui portent des aimants. Les aimants sont chacun maintenus sur la face ou leur face respective 5 par des moyens de maintien, un intervalle étant laissé entre lesdits au moins deux aimants sur une même face. Pour une machine électromagnétique à flux radial, le rotor comporte un corps cylindrique dont tout le pourtour porte des aimants. Pour le stator ou chaque stator, ceux-ci portent des éléments de 10 bobinage comprenant une dent portant une bobine, la dent étant encadrée sur chacun de ses côtés par une encoche, un fil métallique bon conducteur étant enroulé sur la dent pour former la bobine. Quand la série ou les séries de bobinages sont alimentées électriquement, le rotor qui est solidarisé à l'arbre de sortie du moteur est 15 soumis à un couple résultant du champ magnétique, le flux magnétique créé étant un flux axial pour une machine électromagnétique à flux axial et un flux radial pour une machine à flux radial. Pour un moteur à forte puissance, le rotor tourne à des vitesses de rotation élevées. Le principal désavantage d'un moteur à forte vitesse de 20 rotation réside dans la probabilité élevée de détachement de l'aimant ou des aimants du rotor ainsi que de casse au moins partielle du rotor. Le rotor d'un tel moteur doit donc être apte à supporter des vitesses de rotation élevées. Le document US-A-2011/0285237 divulgue un moteur à entrefer axial. Le but de ce document est une simplification des étapes de fabrication du 25 rotor tout en empêchant les aimants permanents portés par ce rotor d'être déplacés ou desserrés lors du montage et du fonctionnement du rotor. Les aimants sont logés dans une structure monopièce faite d'une pièce moulée enserrant les aimants. La pièce moulée présente des rainures séparant les aimants dans 30 lesquelles sont introduites des nervures portées par un corps du rotor, permettant de bloquer la pièce moulée contre un mouvement de déplacement axial. Un maintien radial de la pièce moulée est effectué par des éléments concentriques interne et externe à la pièce moulée. Ce document se destine donc à des aimants logés dans une pièce 35 moulée et n'est d'aucun enseignement pour les aimants se trouvant séparés 3064423 3 les uns des autres. De plus, les nervures ne maintiennent les aimants que par leur action sur la pièce moulée et n'agissent donc pas directement pour le maintien des aimants dans le rotor. Le problème à la base de la présente invention est de concevoir un 5 rotor pour une machine électromagnétique à flux axial qui puisse maintenir le ou les aimants permanents qu'ils supportent de manière efficace en évitant aux aimants de se détacher du rotor. A cet effet, la présente invention concerne un rotor d'un moteur ou d'un générateur électromagnétique présentant au moins un support logeant une 10 pluralité d'aimants, caractérisé en ce que ledit au moins un support comporte des branches délimitant entre elles des logements recevant chacun une unité respective composée d'une structure alvéolaire et des aimants, la structure alvéolaire comprenant des alvéoles, chaque aimant étant inséré dans une alvéole respective en formant un pôle aimant. 15 Le but de la présente invention est de décomposer un ou des aimants dans un rotor selon l'état de la technique en une pluralité de petits ou micro-aimants. Un gros aimant est sujet à des pertes par courants de Foucault plus importants que son équivalent en petits ou micro-aimants. L'utilisation de petits aimants ou de micro-aimants permet donc de réduire ces pertes qui 20 sont préjudiciables au fonctionnement du rotor. Le rotor à aimants placés dans des alvéoles de la présente invention est conçu de façon à réduire les pertes dans le rotor avec des moyens de solidarisation permettant de maintenir les aimants et de pallier à l'effet de la force axiale ou radiale et de la force centrifuge à très haute vitesse. 25 Comparé à l'état de la technique le plus proche illustré par le document US-A-2011/0285237, le rotor selon l'invention peut convenir à des aimants qui ne sont pas directement solidarisés entre eux alors que dans le document de l'état de la technique les aimants sont logés dans une pièce moulée formant structure de support. Ainsi, la présente invention donne une solution qui 30 convient à toute forme de disposition des aimants sur le rotor. La pièce moulée de l'état de la technique peut présenter des ruptures de zones, étant donné qu'elle est sollicitée par plusieurs nervures. Ce n'est pas le cas d'une structure alvéolaire qui est connue pour sa résistance mécanique. La structure alvéolaire peut être en forme de nid d'abeille mais 35 l'important est que les alvéoles reçoivent des aimants de petite taille. 3064423 4 Avantageusement, le rotor comprend plus de vingt aimants logés dans une alvéole respective. Ces vingt ou plus aimants remplacent le ou les gros aimants d'un rotor de l'état de la technique en garantissant le même flux magnétique. 5 Avantageusement, le rotor est à flux axial et ledit au moins un support est de forme discoïdal partiellement creux en comportant des branches s'étendant sensiblement radialement ou inclinées en direction radiale du rotor. Avantageusement, ledit au moins un support discoïdal est recouvert sur au moins une face par un disque de recouvrement en tant que moyens de 10 maintien axial de consolidation du rotor. Avantageusement, le rotor présente une couronne externe périphérique formant sa tranche, une frette étant réalisée sur la couronne externe périphérique en permettant de retenir les aimants et les unités composées de la structure alvéolaire et des aimants. 15 Avantageusement, chaque structure alvéolaire est traversante ou non sur chaque face du support de forme discoïdal. Avantageusement, au moins deux unités composées d'une structure alvéolaire et d'aimants formant sensiblement une couronne sont séparées par une paroi au milieu du support de forme discoïdal, les unités étant des 20 disques monopièces ou étant séparés par les branches. Avantageusement, le rotor est à flux radial et ledit au moins un support est de forme cylindrique avec des branches de séparation s'étendant axialement sur le support cylindrique en délimitant axialement des unités composées de la structure alvéolaire et des aimants. 25 Avantageusement, les branches font saillie axialement à la périphérie dudit au moins un support cylindrique. Avantageusement, les unités composées de la structure alvéolaire et des aimants sont solidarisées audit au moins un support par des moyens de solidarisation à base de matériaux ferreux, de matériaux synthétiques ou 30 composites, les moyens de solidarisation faisant partie intégrante du rotor et/ou étant des pièces rapportées solidaires du rotor, les pièces rapportées étant soudées, vissées, rivetées ou encliquetées avec le rotor. Avantageusement, dans chaque unité composée de la structure alvéolaire et des aimants, les alvéoles sont délimitées par des parois de 3064423 5 séparation, chaque aimant étant solidarisé dans son alvéole respective par de la résine, de la colle ou par soudage. Avantageusement, les aimants et leurs alvéoles respectives sont de forme variable et différente avec leurs pôles orientés dans des directions 5 parallèles ou divergentes. La disposition des aimants peut être choisie pour établir un champ magnétique augmenté du côté destiné à être tourné vers le stator associé en vis-à-vis, tandis que le champ magnétique est diminué ou annulé sur son côté opposé. On réduit ainsi la déperdition du champ magnétique. Les alvéoles peuvent être de forme hexagonale mais ce n'est 10 pas obligatoire. La taille des alvéoles peut aussi être différente d'une alvéole à l'autre. Il en va de même pour les aimants. La combinaison des formes des aimants et des moyens de maintien des aimants permet de réduire les pertes dans le rotor et donc l'échauffement et de minimiser le risque de démagnétisation des aimants. 15 L'invention concerne aussi un moteur ou génératrice électromagnétique à flux axial ou à flux radial, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tel rotor, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant au moins un stator portant au moins un bobinage, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant un ou 20 plusieurs entrefers entre ledit au moins un rotor et ledit au moins un stator. Avantageusement, le moteur ou la génératrice comprend au moins deux stators connectés en série ou en parallèle ou au moins deux rotors. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention 25 apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure I a est une représentation schématique d'une vue d'une face d'un rotor destiné à une machine électromagnétique à flux axial selon une première forme de réalisation de la présente invention, 30 - la figure 1 b est une représentation schématique d'une vue agrandie de la partie cerclée référencée A à la figure I a, - la figure lc est une représentation schématique d'une vue agrandie de l'unité composée de la structure alvéolaire et des aimants, 3064423 6 - la figure 2a est une représentation schématique d'une vue en éclaté d'un premier mode de réalisation selon la présente invention d'un rotor destiné à une machine électromagnétique à flux axial, - la figure 2b est une représentation schématique d'une vue en éclaté 5 d'un deuxième mode de réalisation selon la présente invention d'un rotor destiné à une machine électromagnétique à flux axial. - la figure 3 est une représentation schématique d'une vue en éclaté d'un mode de réalisation selon la présente invention d'un moteur électromagnétique à flux radial. 10 Les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les 15 dimensions des différentes pièces ne sont pas représentatives de la réalité. En se référant à toutes les figures, la présente invention concerne un rotor d'un moteur ou d'un générateur électromagnétique présentant au moins un support 2, 2a logeant une pluralité d'aimants 4. Il peut par exemple y avoir un support 2, 2a de chaque côté du rotor ou à l'intérieur du rotor, selon que le 20 rotor est à flux axial ou à flux radial. Ledit au moins un support 2, 2a comporte des branches délimitant entre elles des logements recevant chacun une unité 6 respective composée de la structure alvéolaire 5a et des aimants 4 comprenant des alvéoles 5, chaque aimant 4 étant inséré dans une alvéole 5 respective en formant un 25 pôle aimant. La figure 1c montre une vue agrandie par rapport à la figure la d'une telle unité 6. Le but de la présente invention est de remplacer un ou plusieurs aimants de taille importante par une pluralité de petits aimants 4. Il y a donc une création de flux magnétique par une multitude de petits aimants 4 dont le 30 nombre est d'au moins 20 et peut même dépasser 100 par pôle aimant. Un rotor de l'état de la technique pouvait comprendre de 1 à 5 aimants alors que la présente invention prévoit beaucoup plus d'aimants de petite taille. Les petits aimants 4 selon la présente invention peuvent être insérés dans des alvéoles 5 respectives par un robot. Pour un rotor de taille moyenne, les 3064423 7 petits aimants 4 dans le cadre de la présente invention peuvent avoir une dimension de 4 mm. Dans une première forme de réalisation préférentielle de l'invention, le rotor est à flux radial, donc destiné à un moteur ou génératrice à flux radial. 5 Dans cette forme de réalisation, ledit au moins un support 2a est de forme cylindrique en comportant des branches 3a. Dans le mode de réalisation montré à la figure 3, qui montre un moteur électromagnétique à flux radial avec deux stators et un rotor la, le rotor la à flux radial de forme cylindrique présente un support cylindrique 2a présentant 10 des branches de séparation 3a qui peuvent s'étendre axialement sur le support cylindrique 2a. Les branches de séparation 3a délimitent axialement des unités 6 composées de la structure alvéolaire 5a et des aimants 4. Il se peut que le support cylindrique 2a soit creusé entre les branches de séparation 3a pour recevoir les unités 6 composées de la structure alvéolaire 15 5a et des aimants 4. Une frette 9a recouvre une extrémité du rotor la à proximité du support cylindrique 2a. A l'intérieur du support cylindrique 2a est inséré un cylindre de recouvrement intérieur 10 et à l'extérieur du support cylindrique 2a sur la périphérie externe du support cylindrique 2a s'étend un cylindre de 20 recouvrement extérieur 15. Un premier stator est disposé à l'intérieur du rotor la en présentant un circuit magnétique interne 12 portant des bobines 11. Le recouvrement intérieur 10 recouvre le circuit magnétique interne 12. Un deuxième stator est disposé à l'extérieur du rotor la en l'entourant 25 en présentant un circuit magnétique externe 14 intégrant en son intérieur des bobines 13. Le recouvrement extérieur 15 est disposé entre les bobines 13 et le circuit magnétique externe 14. Un carter 16 recouvre l'ensemble du rotor la et des deux stators. Dans un autre mode de réalisation non montré à la figure 3, les 30 branches peuvent être sous forme de couronnes se suivant espacées en direction axiale du support cylindrique. Les branches successives peuvent faire saillie radialement à la périphérie dudit au moins un support. Ledit au moins un support cylindrique peut être creusé pour présenter entre deux branches successives un logement pour la réception d'une unité composée 35 de la structure alvéolaire et des aimants. 3064423 8 Les unités 6 composées de la structure alvéolaire 5a et des aimants 4 utilisées pour un support cylindrique peuvent être chacune sous forme d'un anneau fermé ou non. Quand l'anneau n'est pas fermé, il peut être fermé lors de la solidarisation de l'unité composée de la structure alvéolaire et des 5 aimants sur ledit au moins un support cylindrique. Sinon l'aménagement de stators et de possibles cylindres de recouvrement ou frette d'extrémité dans la machine à flux radial selon cet autre mode peut être similaire à celui montré à la figure 3. Cet autre mode de réalisation n'est pas préféré. Dans une deuxième forme de réalisation préférentielle de l'invention, le 10 rotor est à flux axial, donc destiné à un moteur ou génératrice à flux axial. Dans cette forme de réalisation, ledit au moins un support 2, 2a est de forme discoïdal et partiellement creux en comportant des branches 3, 3a s'étendant sensiblement radialement ou inclinées en direction radiale entre un pourtour interne 18, délimitant intérieurement un passage pour un arbre de rotation du 15 rotor 1, et une couronne externe 17 du support 2 formant la couronne externe du support 2. Ceci est montré aux figures la, lb, 2a et 2b. Les branches 3, 3a peuvent être inclinées par rapport à l'arbre de rotation du rotor comme le sont des pales d'hélice et avoir une largeur grandissante plus on s'éloigne du centre du support. 20 Le pourtour externe peut présenter des bords radialement recourbés vers l'intérieur du support 2 afin de former des butées axiales pour des portions d'extrémité d'unités 6 composées de la structure alvéolaire et des aimants introduites dans le pourtour externe 17. Dans cette deuxième forme de réalisation, ledit au moins un support 25 discoïdal 2a peut être recouvert sur au moins une face par un disque de recouvrement 8 en tant que moyens de maintien axial de consolidation du rotor. Ceci peut se faire sur les deux faces opposées par un disque de recouvrement 8 respectif. Dans cette deuxième forme de réalisation, le rotor 1, la peut présenter 30 une couronne externe périphérique formant sa tranche, une frette 9 étant réalisée sur la couronne externe 17 périphérique en permettant de retenir les aimants 4 contre une force centrifuge. Dans cette deuxième forme de réalisation, chaque unité 6 composée de la structure alvéolaire 5a et des aimants 4 peut comprendre des alvéoles 5 35 traversantes ou non sur chaque face du support discoïdal 2a. Chacun des 3064423 9 aimants 4 logés dans une alvéole 5 respective peut donc déboucher sur chaque face du support discoïdal 2a. A la figure 2a, il est montré des branches 3 de séparation de deux unités adjacentes. 5 Comme il est visible à la figure 2b, au moins deux unités 6 composées d'une structure alvéolaire 5a et d'aimants 4 formant sensiblement une couronne peuvent être séparées par une paroi 19 au milieu du support de forme discoïdal 2. Les unités 6 peuvent être des disques monopièces ou séparés par les branches 3a. 10 Ce qui va suivre peut être valable pour les deux modes de réalisation préférentielle de la présente invention. Les unités 6 composées chacune de la structure alvéolaire 5a et des aimants 4 peuvent être solidarisés audit au moins un support 2, 2a par des moyens de solidarisation à base de matériaux ferreux, de matériaux 15 synthétiques ou composites. Les moyens de solidarisation peuvent faire partie intégrante du rotor et/ou peuvent être des pièces rapportées solidaires du rotor. Les pièces rapportées peuvent être soudées, vissées, rivetées ou encliquetées avec le rotor 1, la. Il est possible de prévoir des moyens de solidarisation entre 20 chaque aimant 4 et l'alvéole 5 le recevant, ceci sur la face interne à l'alvéole 5 des parois de séparation 19 qui la délimite par rapport à des alvéoles 5 adjacentes. Dans chaque unité 6 composée de la structure alvéolaire 5a et des aimants 4, les alvéoles 5 peuvent être délimitées par des parois de séparation 25 19, chaque aimant 4 étant solidarisé dans son alvéole 5 respective par de la résine, de la colle ou par soudage. Les aimants 4 et leurs alvéoles 5 respectives peuvent être de forme variable avec leurs pôles orientés dans des directions parallèles ou divergentes. Par exemple, les dimensions des alvéoles 5 peuvent différer 30 d'une alvéole 5 à une autre. Les alvéoles 5 peuvent ne pas être obligatoirement de forme hexagonale bien que cela soit préféré. L'invention concerne aussi un moteur ou génératrice électromagnétique à flux axial ou à flux radial comprenant au moins un tel rotor. Le moteur ou la génératrice électromagnétique peut comprendre au moins un stator portant au 35 moins un bobinage, le moteur ou la génératrice électromagnétique 3064423 10 comprenant un ou plusieurs entrefers entre ledit au moins un rotor et ledit au moins un stator, d'un ou plusieurs stators portant le bobinage. Chaque stator peut comporter un circuit magnétique associé à un bobinage. Le stator peut présenter des dents ou des encoches ouvertes ou 5 fermées. Une carcasse permet de protéger le moteur ou la génératrice électromagnétique. Les stators pouvant être connectés en série ou en parallèle. Le décalage d'un stator d'un angle l'un par rapport à l'autre, combiné à la forme des encoches et à la forme des aimants 4, permet de réduire la variation de couple et le couple de détente. 10 Le moteur ou la génératrice électromagnétique peut fonctionner à des vitesses très élevées avec ou sans multiplicateur de vitesses. Le moteur ou la génératrice peut comprendre au moins deux stators connectés en série ou en parallèle ou au moins deux rotors. Le rotor peut comprendre un arbre de rotation s'étendant 15 perpendiculairement aux faces circulaires du rotor 1, 1a en traversant les deux stators. Le rotor 1, la peut être porté par au moins deux roulements, avec un roulement associé à un stator respectif pour permettre sa rotation par rapport aux stators. REVENDICATIONS1. Rotor (1, la) d'un moteur ou d'un générateur électromagnétique présentant au moins un support (2, 2a) logeant une pluralité d'aimants (4), caractérisé en ce que ledit au moins un support (2, 2a) comporte des branches (3, 3a) délimitant entre elles des logements recevant chacun une unité (6) respective composée d'une structure alvéolaire (5a) et d'aimants (4), chaque aimant (4) étant inséré dans une alvéole (5) respective, chaque unité (6) formant un pôle aimant. Rotor (1) selon la revendication 1, lequel comprend plus de vingt aimants (4) par pôle aimant, chaque aimant (4) étant logé dans une alvéole (5) . respective. Rotor (1) selon la revendication 1 ou 2, lequel est à flux axial et ledit au moins un support (2) est de forme discoïdal partiellement creux en comportant des branches (3) s'étendant sensiblement radialement ou inclinées en direction radiale du rotor (1). Rotor (1) selon la revendication précédente, dans lequel ledit au moins un support discoïdal (2) est recouvert sur au moins une face par un disque de recouvrement (8) en tant que moyens de maintien axial de consolidation du rotor (1). Rotor (1) selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel le rotor (1) présente une couronne externe (17) périphérique formant sa tranche, une frette (9) étant réalisée sur la couronne externe (17) périphérique en permettant de retenir les unités (6). 25 6. Rotor (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel chaque structure alvéolaire (5a) est traversante ou non sur chaque face du support de forme discoïdal (2). 7. Rotor (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel au moins deux unités (6) composées d'une structure alvéolaire (5a) et 30 d'aimants (4) formant sensiblement une couronne sont séparées par une2. 3. 4. 5. 3064423 12 paroi (19) au milieu du support de forme discoïdal (2), les unités (6) étant des disques monopièces ou étant séparés par les branches (3a). 8. Rotor (1a) selon la revendication 1 ou 2, lequel est à flux radial et ledit au moins un support (2a) est de forme cylindrique avec des branches de 5 séparation (3a) s'étendant axialement sur le support cylindrique (2a) en délimitant axialement des unités (6) composées d'une structure alvéolaire et d'aimants (4). 9. Rotor (1a) selon la revendication 8, dans lequel les branches (3a) font saillie axialement à la périphérie dudit au moins un support cylindrique 10 (2a). 10.Rotor (1, 1 a) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les unités (6) composées de la structure alvéolaire (5a) et des aimants (4) sont solidarisées audit au moins un support (2, 2a) par des moyens de solidarisation à base de matériaux ferreux, de matériaux 15 synthétiques ou composites, les moyens de solidarisation faisant partie intégrante du rotor (1, 1 a) et/ou étant des pièces rapportées solidaires du rotor (1, la), les pièces rapportées étant soudées, vissées, rivetées ou encliquetées avec le rotor (1, la). 11.Rotor (1, la) selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 dans lequel, dans chaque unité (6) composée de la structure alvéolaire (5a) et des aimants (4), les alvéoles (5) sont délimitées par des parois de séparation (19), chaque aimant (4) pouvant être solidarisé dans son alvéole (5) respective par de la résine, de la colle ou par soudage. 12.Rotor (1, 1 a) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les aimants (4) et leurs alvéoles (5) respectives sont de forme variable et différente avec leurs pôles orientés dans des directions parallèles ou divergentes. 13. Moteur ou génératrice électromagnétique à flux axial ou à flux radial, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un rotor (1, 1a) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant au moins un stator portant au moins un 3064423 13 bobinage, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant un ou plusieurs entrefers entre ledit au moins un rotor (1, 1 a) et ledit au moins un stator. 14. Moteur ou machine électromagnétique selon la revendication précédente, 5 lequel comprend au moins deux stators connectés en série ou en parallèle ou au moins deux rotors (1, 1 a). 10