Brevet FR3076671A1 — publié le 20190712

Description Titre de l'invention : « Machine électrique synchrone » Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte à une machine électrique synchrone comportant un stator équipé de bobines de stator sur des dents de stator et un rotor avec des aimants permanents formant des pôles de rotor répartis à la périphérie du rotor, l'intervalle annulaire entre le stator et les pôles de rotor ayant une épaisseur radiale variable selon la périphérie. Technique antérieure [0002] Le document DE 10 2007 029 157 Al décrit une machine synchrone dont le stator a douze dents de stator et dont le rotor a dix pôles de rotor. Les pôles de rotor sont séparés les uns des autres par des entrefers et sont réalisés sous la forme de pôles sinusoïdaux dont l'entrefer entre le rotor et le stator et entre les pôles de rotor voisins s'élargit radialement et se traduit par une induction sinusoïdale dans l'entrefer. La combinaison de douze dents de stator et de dix pôles de rotor avec une forme sinusoïdale des pôles de rotor, a l'avantage de réduire le couple d'accrochage qui se développe lorsque l'enroulement de stator est coupé de l'alimentation électrique. On peut ainsi réduire les couples d'harmoniques qui peuvent se traduire par des variations considérables des couples induits. [0003] EXPOSE ET AVANTAGES DE L'INVENTION [0004] L'invention a pour objet une machine électrique synchrone comportant un stator équipé de bobines de stator sur des dents de stator et un rotor avec des aimants permanents formant des pôles de rotor répartis à la périphérie du rotor, l'intervalle annulaire entre le stator et les pôles de rotor ayant une épaisseur radiale variable selon la périphérie, cette machine étant caractérisée en ce que la face frontale de chaque pôle de rotor tourné vers le stator comporte des variations radiales superposées au contour de base de la face frontale. [0005] La machine électrique synchrone selon l'invention comporte, comme déjà indiqué, un stator avec plusieurs bobines de stator enroulées sur les dents du stator ainsi qu'un rotor avec des aimants permanents répartis sur la périphérie. La machine synchrone est une machine électrique à commutation électronique. La machine électrique peut également être réalisée comme rotor intérieur avec un stator extérieur ou comme rotor intérieur ou encore comme rotor extérieur avec un stator intérieur et un rotor extérieur. [0006] Entre le stator et les faces frontales des pôles de rotor, l'entrefer a une épaisseur radiale variant selon la périphérie. Le corps de base de la face frontale de chaque pôle de rotor est combiné à des variations radiales de sorte que la face frontale des pôles de 2 rotor présentent un contour extérieur irrégulier avec des écarts radiaux par rapport aux contours de base. Cela aide à réduire les couples résiduels sans charge ainsi que les couples d'harmoniques en charge et permet en outre d'avoir une tension induite avec un tracé sinusoïdal. [0007] Différents contours de base sont envisagés pour la face frontale des pôles de rotor. [0008] Selon un développement avantageux, les pôles de rotor sont chacun en forme de segment de cercle (arc de cercle) et entre les pôles de rotor voisins on a un entrefer radialement élargi. Il est en outre possible que les pôles de rotor forment globalement un contour de base périphérique, circulaire fermé. [0009] Selon une variante de réalisation, les pôles de rotor sont des pôles sinusoïdaux et chaque pôle de rotor a un contour de base bombé dont l'extension radiale est la plus grande au milieu du pôle de rotor et cette extension radiale va en diminuant vers les côtés du pôle de rotor. [0010] Dans tous les cas, à la fois pour un contour de base circulaire ou composé d'arcs de cercle et aussi pour un contour de base formé de segments qui ne sont pas des arcs de cercle ou un contour de base qui n'est pas circulaire, le contour de base est soumis à des variations radiales si bien que ces variations ont au moins une ondulation ou une oscillation dans la direction périphérique par pôle de rotor. [0011] La variation radiale au niveau de la face frontale des pôles de rotor tournée vers le stator peut par exemple être fixée comme tracé polynominal qui se compose au niveau de chaque pôle de rotor, par segments de polynôme de degré n. Ainsi, l'extension radiale des pôles de rotor varie autour d'une valeur moyenne qui est le contour de base de la face frontale du pôle de rotor. [0012] Grâce à la réalisation des faces frontales des pôles de rotor sous la forme d'un tracé polynominal (spline) on réduit significativement à la fois les couples résiduels et aussi les couples d'harmonique. Cela est notamment vrai dans le cas d'une machine synchrone ayant douze bobines de stator ou dents de stator et huit pôles de rotor. [0013] Selon un développement avantageux, le tracé polynominal de chaque pôle de rotor se compose par segments de polynômes au maximum du troisième degré. Il s'agit ainsi de polynômes cubiques et le cas échéant également de polynômes quadratiques ou linéaires. Il est possible de prévoir au niveau de chaque pôle de rotor exclusivement des polynômes du même degré ou en variante, plusieurs polynômes avec des degrés différents. [0014] Les polynômes donnent plusieurs points de rayon supérieur ou inférieur au contour de base à la face frontale d'un pôle de rotor et ces points sont reliés par des polynômes qui sont au maximum du troisième degré. [0015] La largeur de variation de l'extension radiale des pôles de rotor autour de la valeur moyenne ou valeur nominale est relativement faible ; elle est, par exemple, au 3 maximum de 5% du rayon nominal d'un pôle de rotor. Cette extension relativement faible de la variation se répercute de manière positive sur la réduction des couples résiduels. [0016] Selon un autre développement avantageux, chaque pôle de rotor a plusieurs minima et maxima radiaux pour les variations par rapport au contour de base et par exemple, pour chaque pôle de rotor la face frontale tournée vers le stator comporte au moins quatre minima et au moins quatre maxima. Ce nombre relativement important de minima et de maxima garantit la réduction du couple d'accrochage. [0017] Selon un autre développement avantageux, plusieurs minima et plusieurs maxima ont chaque fois des extensions radiales différentes. Sur la face frontale des pôles de rotor (et le cas échéant également entre des pôles voisins) on aura un tracé radial irrégulier qui s'oppose au développement de couples résiduels. [0018] Selon un autre développement avantageux, les variations au niveau des pôles de rotor sur la face frontale tournée vers le stator dans la direction périphérique ont une forme ondulée avec des minima et des maxima qui se suivent et les ondulations du tracé polynomal dans la direction périphérique ont une longueur d'onde variable. Ainsi, on aura un tracé d'onde irrégulier dans la direction périphérique au niveau de chaque pôle de rotor. [0019] Selon un autre développement avantageux, les variations par rapport au contour de base sur la face frontale d'un pôle de rotor sont symétriques planes par rapport à la médiatrice du pôle de rotor. Pour huit pôles de rotor, chaque pôle occupe un segment d'onde de 45° et la médiatrice (bissectrice) de chaque pôle de rotor divise en deux moitiés de chaque fois 22,5°. La médiatrice peut également former en même temps l'axe de la symétrie plane du tracé polynomial sur la face frontale du pôle de rotor. [0020] Selon une variante de réalisation, les variations autour du contour de base au niveau des pôles de rotor sont non symétrique par rapport à un plan selon la médiatrice du pôle de rotor, par exemple, en ce que les variations du corps de base varient sur toute la face frontale d'un pôle de rotor considéré dans la direction périphérique. [0021] De façon avantageuse, selon un autre développement, les variations autour du contour de base sont identiques pour tous les pôles de rotor. D'un pôle de rotor à l'autre, les variations autour d'un contour de base se répètent. Selon une variante de réalisation, il est également possible de prévoir différentes variations autour de la structure de base sur les différents pôles de rotor. [0022] Selon un autre développement avantageux, les aimants permanents du rotor ont une orientation nord-sud dans la direction radiale. Les aimants permanents voisins ont ainsi une polarité opposée. Les aimants permanents de ce mode de réalisation sont avantageusement prévus chaque fois dans un pôle de rotor. [0023] Selon un autre développement, les aimants permanents du rotor ont une orientation 4 nord-sud dans la direction périphérique. Des aimants permanents voisins sont légèrement préorientés. Les aimants permanents forment ainsi avantageusement une transition entre deux pôles voisins. [0024] Selon un autre mode de réalisation, les aimants permanents sont intégrés com- plètement dans la matière du rotor et forment ainsi des aimants enfouis dans le rotor. Brève description des dessins [0025] La présente invention sera décrite ci-après à l'aide de modes de réalisation re- présentés dans les dessins annexés dans lesquels : [0026] [la figure 11 est une vue en section d'une machine synchrone équipée de douze dents de stator et de huit pôles de rotor ; le rotor a un contour de corps de base circulaire avec une combinaison de variation radiale pour respectivement un aimant permanent par rotor polaire avec une orientation radiale nord-sud, [0027] [la figure 21 montre le rotor de la figure 1 selon un équipement particulier, [0028] [la figure 31 est une vue à échelle agrandie de la face frontale d'un pôle de rotor de la figure 1 ou de la figure 2, [0029] [la figure 41 montre une variante de réalisation d'une machine synchrone, analogue à celle de la figure 1 avec toutefois des aimants permanents dans le rotor ayant une orientation dans la direction périphérique qui n'est pas la direction nord-sud, [0030] [la figure 51 montre le rotor de la machine synchrone de la figure 4, [0031] [la figure 61 montre une autre variante de réalisation d'une machine synchrone dont le contour de base situé radialement à l'extérieur du rotor a une forme bombée au niveau de chaque pôle de rotor et se combine à des variations superposées, [0032] [la figure 71 montre le tracé du couple résiduel dans la machine synchrone sans charge avec une représentation du tracé selon l'état de la technique et du tracé selon l'invention, [0033] [la figure 81 montre le tracé du couple d'harmoniques en charge avec une repré- sentation du tracé selon l'état de la technique et du tracé selon l'invention. [0034] Dans les différentes figures on utilisera les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. [0035] DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION [0036] Les figures 1 à 3 montrent un premier mode de réalisation d'un moteur synchrone 1. Le moteur est à rotor intérieur et stator 2 extérieur ; le rotor 3 intérieur tourne dans le stator 2. Le côté intérieur du stator 3 comporte globalement douze dents de stator 4 réparties régulièrement en périphérie et qui s'étendent radialement vers l'intérieur. Les têtes des dents de stator 4 orientées radialement vers l'intérieur définissent l'intervalle annulaire (ou entrefer) séparant le rotor 3 du stator 2. Les bobinages de stator 5 entourent les dents de stator 4. Le moteur synchrone est un moteur à commutation électronique. [0037] Le rotor 3 a en tout huit pôles de rotor 6 répartis à sa périphérie. Ces pôles de rotor forment chacun un segment de cercle ou arc de cercle et occupent le même segment angulaire. Les pôles de rotor 6 sont directement adjacents. Chaque pôle de rotor 6 comporte un aimant permanent 7. Les aimants permanents 7 se situent symétriquement dans chaque pôle de rotor 6. Les aimants permanents 7 ont une orientation radiale nord-sud. Les aimants permanents 7 directement voisins ont une polarité opposée. Les aimants permanents 7 sont voisins de l'entrefer d'air ou intervalle annulaire entre les rotors et stators ; ces éléments sont complètement intégrés dans les rotors 3 et forment ainsi des aimants enfouis. [0038] Le rotor 3 a un contour extérieur circulaire avec de petites variations de forme, radiales, combinées comme structures d'ondulations à haute fréquence élevée. En particulier, la représentation à échelle agrandie de la figure 3 montre que le côté extérieur du rotor 3 et ainsi également la face frontale de chaque pôle de rotor 6 tournée vers le stator, a un tracé irrégulier avec des variations 8 qui forment des oscillations dans la direction périphérique ; ces oscillations sont combinées au contour de base 9. Le contour extérieur sur le côté frontal de chaque pôle de rotor 6 se compose ainsi du contour de base 9 et des variations 8 combinées qui s'étendent radialement vers l'extérieur et vers l'intérieur, par rapport au contour de base 9, de forme circulaire. [0039] Les variations ou oscillations 8 sont fixées par des points de polynômes représentés sous les références CP1-CP9 à la figure 3. Les différents points de polynômes CP1-CP9 sont définis par rapport au contour de base 9 et ils sont reliés par un tracé polynominal qui se compose de segments de polynômes du troisième degré (polynôme cubique). Les points de polynômes CP1-CP9 sont fixés dans la direction périphérique de l'exemple de réalisation comme cela apparaît à la figure 3, dans des positions non équidistantes. Mais il est également possible de fixer un écart équidistant dans la direction périphérique entre les points du polynôme. Le positionnement des points du polynôme CP1-CP9 se fait selon les critères d'optimisation. Grâce à ceux-ci, le couple résiduel sous charge figure 7 et les couples d'ondes harmoniques en charge figure 8 sont ainsi réduits au minimum. De plus, on veut arriver à un tracé sinusoïdal de la tension induite. [0040] La largeur des variations des oscillations 8 autour du corps de base 9 correspond de préférence à un maximum de 5% du rayon nominal du contour de base. Le cas échéant, il est avantageux d'avoir une largeur d'oscillation encore plus réduite. [0041] Par rapport à la médiatrice 10 passant par le pôle de rotor 6, le tracé combiné des os- cillations 8 au contour extérieur dans le pôle de rotor 6 est symétrique. Il peut également être intéressant que le tracé des oscillations 8 soit le même d'un pôle de rotor à l'autre. De façon avantageuse, on a au moins quatre minima et au moins quatre 6 maxima et au plus huit minima et au plus huit maxima pour les oscillations 8 par pôle de rotor 6. Il est en outre avantageux que les différentes demi-ondes des oscillations 8 présentent, le long de la face frontale d'un pôle de rotor 6, des extensions radiales variables et par rapport au contour de base 9, des extensions allant radialement vers l'extérieur et vers l'intérieur. [0042] Les figures 4 à 5 montrent un autre exemple de réalisation d'un moteur synchrone 1 avec un stator 2 et un rotor 3 qui ont une structure très largement identique à celle du premier exemple de réalisation selon les figures 1 à 3 ; ainsi, pour la description, on se reportera à celle faite précédemment. Les différences sont toutefois la forme des aimants permanents 7, l'orientation nord-sud est la subdivision des pôles de rotor 6. Dans le cas des figures 4 et 5, les aimants permanents 7 sont des aimants dits d'accumulation avec une orientation nord-sud dans la direction périphérique. Les pôles de rotor 6 s'étendent ainsi chaque fois entre les aimants permanents 7. Le contour extérieur du rotor 3 a un contour de base circulaire 9 comme dans le premier exemple de réalisation et qui combine un grand nombre d'oscillations 8. [0043] Dans l'exemple de réalisation de la figure 6, les aimants permanents 7 des pôles de rotor 6 ont une orientation nord-sud, radiale comme dans le premier exemple de réalisation. Le corps de base 9 n'est toutefois pas de forme circulaire mais dans la région de chaque pôle de rotor 6 il a une forme bombée, orientée radialement vers l'extérieur et dont l'extension radiale est la plus grande au milieu de chaque pôle de rotor 6 (selon la médiatrice 10) ; et elle diminue vers les côtés du pôle de rotor 6. Ce contour de base de forme bombée est combiné à des variations 8. Le contour de base 9 a en outre directement sur chaque bord latéral, également un autre bossage 9a qui représente un maximum local ; entre le bossage 9a et le bossage bombé maximum au milieu du pôle de rotor 6 on rencontre un minimum local. Le bossage local 9a au bord du pôle de rotor 6 diminue directement à la jonction entre les pôles de rotor. [0044] La figure 7 montre les couples d'accrochage sans charge ("Cogging Torque") pour un moteur synchrone selon l'état de la technique (a) et pour un moteur synchrone selon l'invention (b). Les couples d'accrochage selon la courbe (b) pour le moteur synchrone selon l'invention sont considérablement plus petits que les couples d'accrochage (a) pour un moteur synchrone selon l'état de la technique. [0045] Du point de vue des couples d'harmoniques en charge (couple en charge) selon la figure 8, on a une différence significative entre les couples (a) de l'état de la technique et les couples (b) selon l'invention. Les couples d'harmoniques (b) selon l'invention sont significativement plus petits que les couples de charge d'harmonique (a) selon un moteur synchrone de l'état de la technique. NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX [0046] 1 Moteur synchrone 7 [0047] 2 Stator [0048] 3 Rotor [0049] 4 Dent de stator [0050] 5 Enroulement de stator [0051] 6 Pôle de rotor [0052] 7 Aimant permanent [0053] 8 Variation [0054] 9 Contour de base [0055] 10 Médiatrice du pôle de rotor 8 [Revendication 11 [Revendication 21 [Revendication 31 [Revendication 41 [Revendication 51 [Revendication 61 [Revendication 71 [Revendication 81