Brevet FR3071371A1 — publié le 20190322

La présente invention se rapporte à une machine électrique tournante synchrone à réluctance variable 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 des barrières de flux permettant de diriger radialement le flux magnétique des aimants vers le stator et pour favoriser la création d'un couple reluctant. Ce rotor est généralement logé à l'intérieur d'un stator qui porte des bobinages électriques permettant de générer un champ magnétique permettant d'entraîner en rotation le rotor. Comme cela est mieux décrit dans le document W02016188764, le rotor comprend 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 des aimants 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 constituées d'un matériau ferromagnétique. Cependant il a été constaté que les harmoniques de force contre-électromotrice et l'ondulation du couple sont importantes dans ce type de machine synchrone à réluctance assistée d'aimants permanents. Ceci peut générer des à-coups et des vibrations au niveau du rotor en entraînant un inconfort d'utilisation de cette machine. La présente invention vise à remédier aux inconvénients énumérés ci-dessus et notamment à réduire l'ondulation du couple, les harmoniques de force contre-électromotrice et le bruit acoustique. 2 Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d'autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un rotor pour machine électrique, le rotor comprend : 5 un corps de rotor, formé par un empilage de tôles, placé sur un arbre de rotor et - huit pôles magnétiques, chaque pôle magnétique est composé d'au moins trois aimants positionnés dans des évidements axiaux et - trois barrières de flux asymétriques qui composent chaque pôle magnétique 10 dont 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 de chaque évidements axiaux, qui forment entre eux un angle d'ouverture (01, 02, 03) qui correspond à l'angle entre deux droites passant chacune par le centre du rotor et par un point milieu positionné au niveau d'une face externe des évidements respectifs de chaque 15 barrière de flux caractérisé en ce que ledit rotor comprend - quatre pôles magnétiques primaires composés chacun d'une barrière de flux externe comprenant un angle d'ouverture 01 sensiblement égal à 43,1°, d'une barrière de flux centrale comprenant un angle d'ouverture 02 sensiblement égal à 33,1 ° et une barrière 20 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 flux centrale comprenant un angle d'ouverture 02 sensiblement égal à 24,4 ° et une barrière de flux interne comprenant un angle d'ouverture 03 sensiblement égal à 14,4° et 25 chaque pôle secondaire est alterné avec un pôle primaire et - une différence des angles d'ouvertures entre les barrières de flux alternées respectives qui soit identique pour chaque paire de pôles alternés et qui soit égale à 8,7°. L'invention concerne également une machine électrique qui comprend un stator et 30 un rotor tel que décrit précédemment et dans laquelle le rotor est logé à l'intérieur dudit stator. Selon un mode de réalisation de l'invention, le stator comprend une multiplicité d'encoches radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator. Selon un mode de réalisation de l'invention, les encoches s'étendent axialement le long du stator. Selon un mode de réalisation de l'invention, le stator a un diamètre extérieur compris entre 100 et 300 mm et est de préférence de 200 mm et a un diamètre intérieur compris entre 100 et 200 mm et est de préférence de 135 mm. 5 Selon un mode de réalisation de l'invention, la machine électrique comprend un entrefer dont la longueur est comprise entre 0.4 mm et 0.8 mm et est de préférence égale à 0.6 mm. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux figures 10 annexées et décrites ci-après. Présentation succincte des figures La figure 1 illustre un rotor conforme à l'invention ; La figure 2 illustre une machine électrique conforme à l'invention ; 15 La figure 3 est un graphique des performances de la machine électrique conforme à l'invention ; La figure 4 est un graphique des amplitudes des harmoniques d'une machine électrique conforme à l'invention et d'une machine électrique de l'état de l'art. Description détaillée de l'invention 20 Comme illustré sur la figure 1, un rotor 1 comporte de manière connue en soi, un arbre 2, de préférence magnétique, sur lequel est placé un empilage de tôles 3. Dans le cadre de l'invention ces tôles 3 sont ferromagnétiques planes, identiques, laminées et de forme circulaire et sont assemblées les unes aux autres par tous moyens connus. Les tôles 3 comprennent un alésage central 4 traversé par l'arbre 2 de rotor et une pluralité 25 d'évidements axiaux 5 qui traversent les tôles 3 de part en part. Une première série d'évidements axiaux 6, 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 7 sous forme de barreau. Les évidements axiaux 6 forment des trapèzes. Cependant les évidements axiaux 6 peuvent prendre d'autres 30 formes notamment des formes rectangulaires, carrées. 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, c'est-à-dire au niveau d'un entrefer de la machine électrique. Dans le cadre de l'invention, le rotor 1 comprend huit pôles magnétiques comme 35 visibles à la figure 2. Chaque pôle magnétique est composé de trois aimants permanents 7 4 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 milieu 10 et une barrière de flux interne 11. Tel que cela est visible sur les figures 1 et 2, chaque barrière de flux (9, 10, 11) 5 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 logement 7 et avec les bras inclinés de ce V formés par les perforations inclinées. Pour chaque barrière de flux (9, 10, 11) de chaque pôle magnétique va correspondre un angle 10 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 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. Cette face externe 12 se situe au niveau d'un entrefer mécanique de la machine comme cela sera vu par la suite. 15 Dans le cadre de l'invention, 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. Selon l'invention, 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 43,1°, 20 d'une barrière de flux centrale 10 comprenant un angle d'ouverture 02 sensiblement égal à 33,1° et une barrière de flux interne 11 comprenant un angle d'ouverture 03 sensiblement égal à 23,10. Les quatre pôles magnétiques secondai-es 14 sont composés quant à eux chacun d'une barrière de flux externe 9 comprenant un angle d'ouverture 01 sensiblement égal à 34,4°, d'une barrière de flux centrale 10 ccmprenant un angle d'ouverture 02 25 sensiblement égal à 24,4° et une barrière de flux hterne 11 comprenant un angle d'ouverture 03 sensiblement égal à 14,4°. On entend par « sensitlement égal » pour les angles, le fait que ceux-ci peuvent varier de un ou deux degrés mais sont préférentiellement donnés par les valeurs mentionnées ci-dessus. Un aspect majeur de l'invention est que le rotor 1 comprend une alternance entre les 30 pôles magnétiques primaires 13 et les pôles magnétiques secondaires 14. De cette manière l'ondulation du couple, les 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 35 alternée. Cette différence angulaire est sensiblement égale à 8,7°. Cette différence angulaire 5 de 8,7° se retrouve pour les barrières de flux externe, centrale et interne pour chaque pôle primaire 13 et secondaire 14 qui se suivent. Par exemple, la différence angulaire entre les angles d'ouverture 01 des barrières de flux externe 9 d'un pôle magnétique primaire 13 et d'un pôle magnétique secondaire 14 est égale à 43,1° moins 34,4° soit 8,7°. Il va en de 5 même pour les angles d'ouverture des autres barrières de flux. Il se crée ainsi des barrières de flux asymétriques entre deux pôles consécutifs. Le flux magnétique provenant des aimants ne peut alors que transiter par les parties pleines entre les perforations et permet de réduire l'ondulation du couple, les harmoniques de force contre-électromotrice et le bruit acoustique. 10 Dans le mode de réalisation décrit, le rotor 1 a une longueur de 150 mm, et les tôles 3 constitutives du rotor 1 sont laminées à 0.35 mm. Toutefois ces valeurs ne sont nullement limitatives et on peut avoir tous les spectres de distances qui satisfassent aux valeurs d'angles énoncées ci-dessus. Comme visible sur la figure 2, qui illustre une machine électrique tournante conforme à 15 un mode de réalisation de l'invention (ici une machine synchrone à réluctance variable assistée d'aimant permanent), la machine électrique comprend également 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 20 un entrefer 18. Cette bague comprend une multiplicité de perçages, ici de section oblongue, 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 de l'invention il y a 48 perçages. 25 Dans le cadre de l'invention, 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 3 représente les performances électromagnétiques de la machine électrique dans une application où la tension du bus DC (courant discontinu) est de 350 V, le point continu 30 se situe à un pic de 400 A, le point « peak » se situe à une valeur de 600 A et la vitesse maximale est de 16 800 rpm (14 000 rpm + 20% de survitesse). En abscisse on a représenté la vitesse de la machine électrique en tours par minutes et en ordonnée le couple en N.m pour les courbes continues et la puissance en kW (échelle à droite) pour les courbes en pointillés. 6 La figure 4, qui est un diagramme comparatif entre une machine électrique de l'art antérieur (AA) décrit dans le document W02016188764 et une machine électrique conforme à l'invention (I), illustre les différences d'amplitudes des harmoniques par rapport au fondamental et confirme le résultat attendu qui est la réduction des ondulations du couple et 5 des harmoniques de force contre-électromotrice dûe à l'alternance des pôles magnétiques primaires 13 et secondaires 14. Le diagramme représente en abscisse le rang électrique des harmonique et en ordonnée la force contre électromotrice dans le cas des deux machines électrique (AA et I). Le tableau suivant présente dans la colonne de droite les ondulations de couple et 10 résume ainsi les gains obtenus grâce à l'architecture nouvelle de l'invention pour des valeurs de 210, 260 et 302 N.m : 400 A- -210 N.m (0.53 N.m/A) machine électrique art antérieur 9.8% machine électrique conforme à l'invention 8.8% 500 A- - 260 N.m (0.52 N.m/A) machine électrique art antérieur 15.0% machine électrique conforme à l'invention 8.9% 600 A- - 302 N.m (0.50 N.m/A) machine électrique art antérieur 18.7% machine électrique conforme à l'invention 8.6% On remarque aisément une diminution des ondulations de couple par rapport à l'état de 15 l'art. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme de réalisation des ouvertures, décrites ci-dessus à titre d'exemple, REVENDICATIONS1) Rotor (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) et huit pôles magnétiques, chaque pôle magnétique est composé d'au moins trois aimants (7) positionnés dans des évidements axiaux (6) et - trois barrières de flux asymétriques qui composent chaque pôle magnétique dont une barrière de flux externe (9), une barrière de flux centrale (10) et une barrière de flux interne (11), chaque barrière de flux (9, 10, 11) comprend deux évidements inclinés (8) positionnés de part et d'autre de chaque évidements axiaux (6), les deux évidements inclinés (8) 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 (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); caractérisé en ce que ledit rotor (1) comprend - quatre pôles magnétiques primaires (13) composés chacun d'une barrière de flux externe (9) comprenant 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 33,1° et une barrière de flux interne (11) comprenant un angle d'ouverture (03) 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 (01) sensiblement égal à 34,4°, d'une barrière de flux centrale (10) comprenant un angle d'ouverture (02) sensiblement égal à 24,4 ° et une barrière de flux interne (11) compenant un angle d'ouverture (03) sensiblement égal à 14,4° et chaque pôle secondaire (14) est alterné avec un pôle primaire (13) et une différence entre les angles d'ouvertures (01, 02, 03) de chaque barrière de flux (9, 10, 11) respective d'un pôle magnétique à l'autre qui est égale à 8,7°. 2) Machine électrique caractérisé en ce qu'elle comprend un stator (15) et un rotor (1) tel que revendiqué précédemment, ledit rotor (1) étant logé à l'intérieur dudit stator (15). 3) Machine électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit stator (15) comprend une multiplicité d'encoches (19) radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator (15). 8 4) Machine électrique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les encoches (19) s'étendent axialement le long du stator (15). 5) Machine électrique selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le stator 5 (15) a un diamètre extérieur compris entre 100 et 300 mm et est de préférence égal à 200 mm et un diamètre intérieur compris entre 100 et 200 mm et est de préférence égal à 135 mm. 6) Machine électrique selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle 10 comprend un entrefer (18) dont la longueur est comprise entre 0.4 mm et 0.8 mm et est de préférence égale à 0.6 mm.