Brevet FR3080231A1 — publié le 20191018

MACHINE ÉLECTRIQUE SYNCHRONE 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine des machines électriques, en particulier des machines électriques synchrones pouvant à la fois servir de moteur électrique ou de générateur électrique. En particulier, l'invention concerne une machine électrique synchrone sans balais et sans aimants. 2. Arrière-plan technologique Les machines électriques synchrones à flux d'excitation rotorique sont actuellement divisées en deux catégories principales : les machines à aimants permanents et les machines à balais. Les machines à aimants permanents ont l'avantage de pouvoir atteindre des densités de couple élevées et d'avoir des pertes rotoriques faibles mais elles ont l'inconvénient de devoir incorporer des aimants chers à l'achat et qui compliquent le processus de fabrication. De plus, l'évolution de la technologie et ses conséquences sur le marché du grand public génère une consommation exponentielle de certaines terres rares qui peuvent engendrer une hausse du coût des aimants utilisant ces terres rares (aimants Samarium Cobalt ou Néodyme Fer Bore par exemple), voire une pénurie. Les machines à balais n'ont pas les inconvénients liés aux aimants mais n'ont pas non plus leurs avantages. En outre, le système de balais nécessite des opérations de maintenance liées à l'usure mécanique des balais (changement des balais) qui s'avère contraignantes pour l'utilisateur. Pour éviter ces inconvénients, des solutions ont été proposées. On peut citer par exemple les générateurs multi-étages qui utilisent un « transformateur tournant » qui génère au rotor, sur un premier étage, un signal électrique alternatif, qui est ensuite redressé par un pont de diode tournant (second étage) qui alimente des bobines fixées sur des saillance magnétiques rotoriques (électro-aimants formant l'excitation principale) qui représentent le troisième étage. Ces machines sont souvent des générateurs, appelés générateurs tri-étagé qui ont une 2 grande complexité du fait du transformateur et du redresseur tournant. Les inventeurs ont donc cherché d'autres solutions pour bénéficier des avantages des machines à aimants permanents sans les inconvénients des balais ou équivalent nécessitant un contact tournant mécanique pour la transmission d'électricité. 5 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des machines synchrones connues. En particulier, l'invention vise à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, une machine électrique synchrone à la fois sans aimants et sans balais. 10 L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, une machine électrique avec une maintenance et un coût réduits. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, une machine électrique avec de faibles pertes énergétiques. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, une 15 machine électrique peu complexe et fiable. 4. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne une machine électrique synchrone sans balais et sans aimants, configurée pour entrainer en rotation un élément rotatif autour d'un axe de rotation de la machine électrique ou pour générer de l'énergie électrique à partir 20 de l'énergie mécanique transmise par ledit élément rotatif, caractérisée en ce qu'elle comprend : - un stator disposé autour de l'axe de rotation de la machine électrique, comprenant un anneau s'étendant selon un plan préférentiel perpendiculaire audit axe de rotation et comprenant un bobinage et une 25 denture comprenant des dents s'étendant parallèlement à l'axe de rotation à partir de l'anneau, ledit bobinage étant enroulé autour de la denture selon le plan préférentiel et la denture délimitant une zone intérieure du stator autour de l'axe de rotation, - un rotor, comprenant une première partie s'étendant selon p premières 30 directions privilégiées parallèles au plan préférentiel, une deuxième partie s'étendant selon p deuxièmes directions privilégiées décalées 3 angulairement de i-c/p par rapport aux premières directions privilégiées de la première partie et parallèles au plan préférentiel, et une partie intermédiaire reliant la première partie à la deuxième partie, le rotor étant disposé de sorte à ce qu'au moins la deuxième partie et la partie 5 intermédiaire soient dans la zone intérieure du stator et de sorte à ce que la deuxième partie se trouve du côté de l'anneau, - une bobine d'excitation du rotor, fixe par rapport au stator, alimentée par un courant électrique continu, disposée autour de la partie intermédiaire du rotor et configurée pour générer un flux magnétique 10 dans le rotor par induction magnétique, de sorte que la première partie du rotor constitue p pôles magnétiques nord du rotor et la deuxième partie du rotor constitue p pôles magnétiques sud du rotor. Une machine électrique selon l'invention permet donc de polariser le rotor sans nécessiter d'aimants permanents ou de balais, grâce à la bobine d'excitation (aussi 15 appelée bobine d'induction) située au niveau de la partie intermédiaire du rotor. La bobine d'excitation du rotor est fixe par rapport au stator, ce qui limite la complexité par rapport aux solutions de l'art antérieur avec pièces tournantes (générateur tri-étagé notamment). L'alimentation de la bobine d'excitation est facilitée car la bobine d'excitation n'entre pas dans la zone de mouvement des pôles nord et sud 20 du rotor (respectivement la première partie du rotor et la deuxième partie du rotor). La bobine d'excitation crée ainsi les pôles magnétiques par induction magnétique au niveau de la partie intermédiaire sans provoquer d'interaction mécanique avec les pôles magnétiques mobiles. La bobine peut être simple, par exemple uniquement une bobine concentrique, alimenté en courant continu et présente ainsi un coût réduit. 25 Le rotor est dit « froid » car aucun bobinage ne lui est attaché et il n'y a donc pas d'échauffement par conduction mais seulement du fait du rayonnement provenant de la bobine d'excitation. Ce rayonnement est d'autant plus faible que l'entrefer avec la bobine d'excitation est grand. Le flux traversant le rotor est continu car créé par la bobine d'excitation alimenté en continu, ce qui entraine l'absence de pertes par 30 hystérésis et courants de Foucault, sauf aux extrémités en regard du stator du fait des variations potentielles de réluctance. Le rotor est en outre décentré par rapport au 4 bobinage du stator situé au niveau des dents à proximité de l'anneau et le rotor ne reçoit pas de calories rayonnées par le bobinage du stator. Pour toutes ces raisons, la durée de vie des composants est améliorée, en particulier la durée de vie de roulements de la machine électrique. 5 L'absence de balais permet d'augmenter la fiabilité et réduire les coûts de maintenance. L'absence d'aimants permet de réduire les coûts et la dépendance aux terres rares. Enfin, la disposition des dentures du rotor, parallèles à l'axe de rotation, permet de simplifier la mise en place du bobinage du stator lors de la fabrication, en insérant 10 simplement le bobinage par la face du stator comprenant les extrémités des dentures opposée à l'anneau du stator. La machine électrique peut aussi bien fonctionner en tant que moteur que générateur. En fonctionnement générateur, le rotor peut être directement fixé à l'élément rotatif d'entrainement mécanique, et le stator fixé à la partie fixe de l'élément 15 d'entrainement rotatif. Dans ce cas, la machine électrique peut fonctionner sans roulement entre le rotor et le stator : le rotor tourne dans le stator sans nécessiter de roulement. C'est par exemple le cas si le rotor est fixé sur l'axe de sortie d'un réducteur et le stator fixé sur le carter du réducteur. 20 Avantageusement et selon l'invention, la longueur maximale de la première partie du rotor est supérieure au diamètre de la zone intérieure du stator, et la première partie du rotor est extérieure à la zone intérieure du rotor, en regard des extrémités des dents de la denture du stator, opposées à l'anneau. Selon cet aspect de l'invention, la première partie du rotor fonctionnant comme 25 succession de pôles magnétiques de même polarité est positionnée axialement par rapport au circuit magnétique formé par le stator tandis que la deuxième partie du rotor fonctionnant comme succession de pôles magnétiques de polarité opposée à la première partie est positionnée radialement par rapport au circuit magnétique formé par le stator. 30 Avantageusement et selon l'invention, la longueur maximale de la première 5 partie du rotor est inférieure au diamètre de la zone intérieure du stator, et la première partie du rotor est disposée dans la zone intérieure du rotor. Selon cet aspect de l'invention, l'intégralité du rotor est disposée dans la zone intérieure du stator et les deux successions de pôles magnétiques du rotor sont 5 positionnés radialement par rapport au circuit magnétique formé par le stator. Avantageusement et selon l'invention, la première partie du rotor et la deuxième partie du rotor ont la forme d'un cylindre droit ayant pour base un disque tronqué de p segments décalés angulairement de 2n/p, formés par des cordes distinctes 10 parallèles et symétriques par rapport au centre du disque, ledit cylindre comprenant un alésage autour du centre du disque destiné à recevoir l'élément rotatif. Selon cet aspect de l'invention, les parties de rotor ont une longueur maximale égale au diamètre maximal du disque tronqué formant la base du cylindre et chaque segment les composant a une largeur égale à la distance entre les deux cordes de ce 15 segment. La direction privilégiée de chaque segment de chaque partie de rotor est parallèle aux deux cordes de ce segment. Les parties de rotor peuvent être directement fabriquée à partir d'un cylindre de révolution droit ayant pour base le disque complet par usinage des 2p segments. La forme des rotors est particulièrement adaptée pour des pièces en rotation et 20 s'adapte parfaitement au stator en forme d'anneau pour la circulation du flux magnétique, en minimisant l'entrefer sur les parties formant les pôles magnétiques. Avantageusement et selon l'invention, la partie intermédiaire a la forme d'un cylindre de révolution. 25 Selon cet aspect de l'invention, la partie intermédiaire est optimisée pour recevoir l'excitation transmise par la bobine d'excitation en forme d'anneau autour de la partie intermédiaire. En outre, la partie intermédiaire ne présente pas de balourd lors de la rotation. Le cylindre est creux pour permettre l'introduction de l'élément rotatif. 30 Avantageusement et selon l'invention, la machine électrique comprend un générateur de courant continu d'alimentation de la bobine d'excitation, ledit générateur 6 de courant continu étant configuré pour délivrer un courant continu de valeur de courant réglable. Selon cet aspect de l'invention, une modification de la valeur du courant continu d'alimentation de la bobine d'excitation permet le réglage du flux magnétique circulant 5 dans la machine. En particulier, cela permet le réglage du couple délivré par la machine électrique lorsqu'elle fonctionne en mode moteur. Cela permet également un « défluxage » simple lorsqu'elle fonctionne en mode moteur et qu'il est nécessaire de la faire monter en vitesse en réduisant sa force électro-motrice. Cela permet aussi le réglage simple de la tension de sortie aux bornes du 10 bobinage du stator lorsqu'elle fonctionne en mode générateur. Avantageusement et selon l'invention, le bobinage du stator comprend un nombre multiple de phases réparties sur la denture du stator, en particulier trois phases. 15 Selon cet aspect de l'invention, le stator est équipé d'un bobinage triphasé standard pour le fonctionnement de la machine électrique. Selon d'autres variantes de l'invention, le bobinage peut comprend un autre nombre de phases selon l'application souhaitée. 20 L'invention concerne également une machine électrique caractérisée en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. 5. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se 25 réfère aux figures annexées dans lesquelles : les figures la, lb et lc sont des vues schématiques respectivement de droite, de face et de gauche d'un rotor d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention pour p=2, les figures 2a et 2b sont des vues schématiques respectivement de droite et de 30 face d'un stator d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention, 7 - les figures 3a et 3b sont des vues schématiques respectivement de droite et de face d'une bobine d'excitation d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention, - les figures 4a et 4b sont des vues schématiques respectivement de droite et de 5 face d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention. 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques 10 s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. 15 Les figures suivantes décrivent les composants d'une machine électrique synchrone sans balais et sans aimants selon un mode de réalisation de l'invention, configurée pour entrainer en rotation un élément rotatif autour d'un axe de rotation de la machine électrique ou pour générer de l'énergie électrique à partir de l'énergie mécanique transmise par ledit élément rotatif. 20 Les figures la, lb et lc représentent schématiquement un rotor 10 d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention, respectivement vu de droite, de face et de gauche. Le rotor comprend une première partie 12a et une deuxième partie 12b reliés par une partie 14 intermédiaire. 25 La première partie 12a et la deuxième partie 12b ont la forme d'un cylindre droit ayant pour base un disque tronqué de deux segments formés par des cordes distinctes parallèles et symétriques par rapport au centre du disque, ledit cylindre comprenant un alésage (respectivement référencés 16a et 16b) autour du centre du disque destiné à recevoir l'élément rotatif. 30 La partie 14 intermédiaire est un cylindre de révolution comprenant de la même façon un alésage destiné à recevoir l'élément rotatif. Les trois alésages 16a, 16b et 16c 8 sont ainsi de la même taille et alignés de sorte à former un alésage 16 traversant configuré pour accueillir l'élément rotatif dans le rotor 10. Comme visible sur la figure lb, la première partie 12a présente une première direction 18a privilégiée, et la deuxième partie 12b présente une deuxième direction 5 18b privilégiée, la première direction 18b privilégiée étant perpendiculaire à la deuxième direction 18b privilégiée. Les figures 2a et 2b représentent schématiquement un stator 20 d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention, respectivement vu de droite et 10 de face. Le stator 20 comprend un anneau 22 s'étendant selon un plan 23 préférentiel, une denture 24 et un bobinage 28. La denture 24 comprend une pluralité de dents (dont seule une partie est référencée sous la référence 26 sur les figures pour des raisons de clarté) s'étendant 15 depuis l'anneau parallèlement à l'axe de l'anneau qui sera l'axe de rotation de l'élément rotatif. Le bobinage 28 est représenté en partie sur la figure 2b, et est enroulé autour des dents de la denture. Une seule phase du bobinage est ici représentée, le bobinage pouvant comprendre plusieurs phases de façon connues. De même, l'enroulement autour des dents est représenté à titre d'exemple et d'autres schémas d'enroulement 20 peuvent être utilisés selon les caractéristiques du stator souhaitées. Les dents de la denture délimitent une zone 30 intérieure du stator, qui forme un cylindre de révolution autour de l'axe de rotation de l'élément rotatif. Les figures 3a et 3b représentent schématiquement une bobine 40 d'excitation 25 d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention, respectivement vue de droite et de face. La bobine 40 d'excitation prend la forme d'un anneau dans lequel est enroulé le fil 42 conducteur formant la bobine 40 d'excitation. La bobine d'excitation est alimentée par un générateur 44 de courant continu dont la valeur peut être réglable. 30 Le diamètre 46 intérieur de la bobine d'excitation doit être légèrement supérieur au diamètre extérieur de la partie intermédiaire du rotor afin de permettre l'induction magnétique de celui-ci. Les figures 4a et 4b représentent schématiquement une machine 50 électrique selon un mode de réalisation de l'invention, respectivement vue de droite et de face. La 5 machine électrique est l'assemblage du rotor 10, du stator 20 et de la bobine 40 d'excitation tels que décrits précédemment. L'élément 100 rotatif associé à la machine 50 électrique est représenté inséré dans le rotor 10. Il tourne autour de l'axe 200 de rotation. Dans la machine électrique assemblée, l'axe 200 de rotation est aussi l'axe de 10 rotation du rotor, et l'axe autour duquel sont disposés la bobine 40 d'excitation et le stator 20. Le bobinage 28 du stator est représenté par un seul élément pour schématiser et est disposé du côté de l'anneau 22 du stator 20. Le rotor 10 est disposé au moins en partie dans la zone 30 intérieure formée par 15 la denture du stator. Ici, la partie 14 intermédiaire et la deuxième partie 12b sont disposées dans la zone 30 intérieure. Lorsque la machine 50 électrique est en fonctionnement, le stator 20 est fixe et le rotor 10 est en rotation par rapport au stator 20. Un ou plusieurs roulements (non-représentés) disposés entre le rotor 10 et le stator 20 peuvent être utilisés pour maintenir les éléments en place. Alternativement, en 20 fonctionnement générateur, l'élément rotatif maintient le rotor 10 en place dans le stator 20 et aucun roulement n'est nécessaire. La bobine 40 d'excitation est disposée dans le stator 20 autour de la partie 14 intermédiaire du rotor 10 en laissant un entrefer 52. Lorsqu'elle est alimentée, elle provoque par induction l'apparition d'un flux magnétique continu dans le rotor 10, 25 représenté par des flèches. Le flux électrique continu permet la polarisation du rotor, de sorte à ce que la première partie 12a se comporte comme un pôle magnétique nord et la deuxième partie 12b se comporte comme un pôle magnétique sud. Ainsi, le flux électrique se déplace du pôle sud vers le pôle nord, donc de la deuxième partie 12b du rotor à la première partie 12a du rotor, est transmis axialement par les dentures du 30 stator via l'entrefer 54 entre la première partie 12a et le stator 20. Le flux magnétique circule ensuite vers le stator. 9 10 Du fait de son positionnement au niveau de la partie 14 intermédiaire, la bobine 40 d'excitation n'est pas influencée par les pôles qu'elle crée lors de la rotation desdits pôles. Comme visible sur la figure 4b, le passage du flux magnétique du stator 20 au 5 pôle sud du rotor, c'est-à-dire la deuxième partie 12b, se fait de façon radiale via l'entrefer 56. Le fait que les directions privilégiées de la première partie 12a et de la deuxième partie 12b soit perpendiculaires permet à ce que les dents de la denture 24 soient alternativement proches d'un pôle puis de l'autre, permettant une circulation des flux du rotor vers le stator ou du stator vers le rotor dans des directions perpendiculaires 10 l'une à l'autre. REVENDICATIONS1. Machine électrique synchrone, configurée pour entrainer en rotation un élément (100) rotatif autour d'un axe (200) de rotation de la machine électrique ou pour générer de l'énergie électrique à partir de l'énergie mécanique transmise par ledit élément (100) rotatif, caractérisée en ce qu'elle comprend : un stator (20) disposé autour de l'axe (200) de rotation de la machine électrique, comprenant un anneau (22) s'étendant selon un plan (23) préférentiel perpendiculaire audit axe de rotation et comprenant un bobinage (28) et une denture (24) comprenant des dents (26) s'étendant parallèlement à l'axe de rotation à partir de l'anneau (22), ledit bobinage étant enroulé autour de la denture (24) selon le plan préférentiel et la denture (24) délimitant une zone (30) intérieure du stator autour de l'axe de rotation, un rotor (10), comprenant une première partie (12a) s'étendant selon p premières directions (18a) privilégiées parallèles au plan préférentiel, une deuxième partie (12b) s'étendant selon p deuxièmes directions (18b) privilégiées décalées angulairement de n/p par rapport aux premières directions privilégiées de la première partie (18a) et parallèles au plan préférentiel, et une partie (14) intermédiaire reliant la première partie (12a) à la deuxième partie (12b), le rotor étant disposé de sorte à ce qu'au moins la deuxième partie (12b) et la partie (14) intermédiaire soient dans la zone (30) intérieure du stator et de sorte à ce que la deuxième partie (12b) se trouve du côté de l'anneau (22), une bobine (40) d'excitation du rotor, fixe par rapport au stator, alimentée par un courant électrique continu, disposée autour de la partie (14) intermédiaire du rotor et configurée pour générer un flux magnétique dans le rotor (10) par induction magnétique, de sorte que la première partie (12a) du rotor constitue p pôles magnétiques nord du rotor et la deuxième partie (12b) du rotor constitue p pôles magnétiques sud du rotor. 12 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur maximale de la première partie (12a) du rotor est supérieure au diamètre de la zone (30) intérieure du stator, et la première partie (12a) du rotor est extérieure à la zone 5 (30) intérieure du rotor, en regard des extrémités des dents (26) de la denture (24) du stator, opposées à l'anneau. 3. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur maximale de la première partie (12a) du rotor est inférieure au diamètre de la zone (30) 10 intérieure du stator, et la première partie (12a) du rotor est disposée dans la zone (30) intérieure du rotor. 4. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la première partie (12a) du rotor et la deuxième partie (12b) du rotor ont la forme d'un 15 cylindre droit ayant pour base un disque tronqué de p segments décalés angulairement de 2rE/p, formés par des cordes distinctes parallèles et symétriques par rapport au centre du disque, ledit cylindre comprenant un alésage (16a, 16b) autour du centre du disque destiné à recevoir l'élément rotatif. 20 5. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la partie (14) intermédiaire a la forme d'un cylindre de révolution. 6. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un générateur (44) de courant continu d'alimentation de la bobine 25 (40) d'excitation, ledit générateur (44) de courant continu étant configuré pour délivrer un courant continu de valeur de courant réglable. 7. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le bobinage (28) du stator comprend un nombre multiple de phases réparties sur la 30 denture (24) du stator.