Brevet FR3084534A1 — publié le 20200131

La présente invention se rapporte à une machine électrique tournante synchro-réluctante (assistée par des aimants permanents), et concerne plus particulièrement un rotor d'une telle machine électrique qui fonctionne à une vitesse de rotation élevée sous un bus continu de faible tension. Généralement, une telle machine électrique comporte un stator et un rotor disposés coaxialement l'un dans l'autre. Le rotor est formé d'un empilage de tôles montées 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 la demande de brevet 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. Pour cette configuration du rotor, on appelle alors pont magnétique l'épaisseur de matière entre les logements des aimants permanents et les barrières flux. Ces ponts magnétiques sont généralement fins, et doivent résister à des contraintes mécaniques (rupture, fatigue) élevées, ces contraintes augmentant notamment avec la vitesse de rotation du rotor. 2 La demande de brevet EP 2896114 propose de résoudre cette problématique par une orientation spécifique des ponts magnétiques. Toutefois, la géométrie proposée génère notamment des ondulations de couple et des harmoniques de force-contre-électromotrice. En effet, 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 par des aimants permanents. Ceci peut générer des à-coups et des vibrations au niveau du rotor en entraînant un inconfort d'utilisation de cette machine. 10 La présente invention vise à remédier aux inconvénients énumérés ci-dessus, et notamment à réduire les contraintes mécaniques de rupture et de fatigue du rotor, tout en limitant l'ondulation du couple, les harmoniques de force contre-électromotrice et le bruit acoustique. 15 Le dispositif selon l'invention La présente invention concerne un rotor pour machine électrique, ledit rotor comprend : - un corps de rotor, formé par un empilage de tôles, de préférence placé sur un arbre de rotor et - N paires de pôles magnétiques, chaque pôle magnétique est composé d'au moins 20 trois aimants positionnés dans des évidements axiaux, et - trois barrières de flux qui composent chaque pôle magnétique 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 évidement axial, chaque barrière de flux étant espacé dudit évidement axial 25 par un pont magnétique ; Ledit rotor comprend en outre : - N pôles magnétiques primaires, et pour chaque pôle magnétique primaire, de part et d'autre dudit évidement axial, les ponts magnétiques internes, centraux et externes sont alignés selon un axe Al formant un angle al par rapport à la direction radiale R1 30 dudit pôle magnétique primaire ; - N pôles magnétiques secondaires, et pour chaque pôle magnétique secondaire, de part et d'autre dudit évidement axial, les ponts magnétiques internes, centraux et 3 externes sont alignés selon un axe A2 formant un angle a2 par rapport à la direction radiale R2 dudit pôle magnétique primaire ; de telle sorte que les angles al et a2 vérifient l'équation suivante exprimée en degrés : a2 = al + 1 + 0.5. 5 Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit nombre N de paires de pôles est compris entre 2 et 9, de préférence entre 3 et 6, et vaut de manière préférée 4. Avantageusement, ledit nombre N de paires de pôles vaut 4, et dans l'angle a2 est compris entre 16.1 et 16.2 °, et l'anglea1 est compris entre 14.6 et 14.7 °. 10 Conformément à une mise en oeuvre, lesdites barrières de flux ont sensiblement une forme de V à fond aplati. Selon un aspect, l'épaisseur dudit pont magnétique interne est supérieure ou égale à l'épaisseur dudit pont magnétique central, qui est supérieure ou égale à l'épaisseur dudit pont magnétique externe. 15 Selon une caractéristique, les angles d'ouverture 91, 92, 93 desdites barrières de flux desdits pôles magnétiques primaires sont supérieures aux angles d'ouverture 01, 92, 93 desdites barrières de flux desdits pôles magnétiques secondaire. En outre, l'invention concerne une machine électrique comprenant un stator et un rotor 20 selon l'une des caractéristiques précédentes, le rotor étant logé à l'intérieur dudit stator. Selon un mode de réalisation, ledit stator comprend une pluralité d'encoches radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator. Conformément à une mise en oeuvre, lesdites encoches s'étendent axialement le long dudit stator. 25 Avantageusement, ladite machine électrique est du type synchro-réluctante. Présentation succincte des figures D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux 30 figures annexées et décrites ci-après. La figure 1 illustre un rotor selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 illustre une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 3 illustre un rotor selon un autre mode de réalisation de l'invention. 4 La figure 4 illustre un logement d'un aimant d'un rotor selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 5 est un histogramme représentant le critère de Von Mises pour quatre zones définies en figure 4, pour un rotor selon l'art antérieur et pour un rotor selon l'invention. 5 La figure 6 représente des courbes de contraintes mécaniques (rupture et fatigue) en fonction d'un décalage angulaire des angles des ponts magnétiques. Description détaillée de l'invention La présente invention concerne un rotor pour une machine électrique, notamment une 10 machine électrique du type synchro-réluctante. En outre, la présente invention concerne une machine électrique comprenant un rotor selon l'invention et un stator, le rotor étant disposé au sein du stator coaxialement à celui-ci. Comme illustré sur la figure 1 (de manière non limitative), un rotor 1 comporte de manière connue en soi, un arbre 2, de préférence magnétique, sur lequel est monté un 15 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 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 20 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 sensiblement des trapèzes. Cependant, les évidements axiaux 6 peuvent prendre d'autres formes, notamment des formes rectangulaires, carrées, etc. Une deuxième série d'évidements consiste en des perforations de direction inclinée 8 25 par rapport à la direction radiale, 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. Les perforations inclinées 8 sont disposées symétriquement par rapport aux évidements 6 des aimants 7 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 6 des 30 aimants 7 et avec les bras inclinés de ce V formés par les perforations inclinées 8. Les perforations inclinées 8 forment des barrières de flux. Le flux magnétique provenant des aimants 7 ne peut alors que transiter par les parties pleines des tôles 3 entre les évidements. Ces parties pleines sont constituées d'un matériau ferromagnétique (celui des tôles 3). 5 Selon l'invention, le rotor comprend N paires de pôles magnétiques (ou 2xN pôles magnétiques), un pôle magnétique étant formé des trois évidements 6 pour les aimants sur une même direction radiale, et les barrières de flux (9, 10, 11) associées. Avantageusement, N peut être compris entre 2 et 9, et de préférence N est compris entre 3 et 6, et vaut de 5 manière préférée 4. Pour l'exemple illustré des figures 1 et 2, le rotor 1 comprend huit pôles magnétiques (N = 4). Chaque pôle magnétique est composé de trois aimants permanents 7 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 10 (associée à l'évidement 6 externe, c'est-à-dire le plus proche de la périphérie du rotor 1), une barrière de flux centrale 10 (associée à l'évidement 6 central) et une barrière de flux interne 11 (associée à l'évidement 6 interne, c'est-à-dire le plus proche du centre du rotor 1). Chaque barrière de flux (9, 10, 11) est espacée d'un évidement axial 6 par un pont magnétique (20, 21, 22). Un pont magnétique (20, 21, 22) est un pont de matière (c'est-à- 15 dire une portion de matière de la tôle 3) entre deux évidements, qui permet d'une part la tenue mécanique du rotor 1, et d'autre part le passage du flux magnétique. De part et d'autre de chaque évidement axial 6, est donc prévu un pont magnétique (20, 21, 22). Chaque pôle magnétique comporte alors deux ponts magnétiques internes 20 (associés à l'évidement axial interne 6, c'est-à-dire l'évidement axial 6 le plus proche du centre du rotor, et à la 20 barrière de flux magnétique interne 11), deux ponts magnétiques centraux 21 (associés à l'évidement axial central 6 et à la barrière de flux magnétique centrale 10), et deux ponts magnétiques externes 22 (associés à l'évidement axial externe 6, c'est-à-dire l'évidement axial 6 le plus proche de la périphérie du rotor et à la barrière de flux magnétique externe 9). Dans le cadre de l'invention, le rotor 1 comprend deux architectures distinctes de pôles 25 magnétiques. A cet effet, il comprend N pôles magnétiques primaires 13 et N pôles magnétiques secondaires 14. Le rotor comporte une alternance de pôles magnétiques primaires 13 et de pôles magnétiques secondaires 14. Pour les exemples des figures 1 et 2, le rotor 1 comporte quatre pôles magnétiques primaires 13 et quatre pôles magnétiques secondaires 14. 30 Selon l'invention, pour chaque pôle magnétique primaire 13, de part et d'autre des évidements axiaux 6, les ponts magnétiques interne 20, central 21 et externe 22 sont alignées selon un axe Al formant un angle cil non nul par rapport à la direction radiale R1 du pôle magnétique primaire 13. 6 De plus, pour chaque pôle magnétique secondaire 14, de part et d'autre des évidements axiaux 6, les ponts magnétiques interne 20, central 21 et externe 22 sont alignées selon un axe A2 formant un angle a2 non nul par rapport à la direction radiale R2 du pôle magnétique secondaire 14. En outre, les angles al et a2 sont choisis de manière à vérifier l'égalité suivante : a2 = al + 1 ± O.S. Dans la présente demande X +7- Y (avec X et Y des nombres positifs), signifie un intervalle centré sur la valeur X, l'intervalle étant compris entre les valeurs X-Y et X+Y, bornes comprises. De manière avantageuse, les angles al et a2 peuvent compris entre 10 et 20 °. 10 En d'autres termes, les ponts magnétiques (20, 21, 22) de chaque côté des évidements axiaux 6 sont positionnés sur des droites Al ou A2. Ces droites Al ou A2 étant sécantes avec des rayons du rotor R1 ou R2 de manière à former les angles al ou a2, ces deux angles étant distincts. De préférence, les droites Al ou A2 passent par les extrémités latérales des évidements axiaux 6. Avantageusement, chaque pôle magnétique possède une 15 architecture symétrique par rapport à la direction radiale R1 ou R2 du pôle. En d'autres termes, les barrières de flux (9, 10, 11) et les ponts magnétiques (20, 21, 22) sont symétriques par rapport à la direction radiale R1 ou R2. Ainsi, l'angle ai ou a2 d'un côté du pôle magnétique est identique à l'angle al ou a2 de l'autre côté du même pôle magnétique. Cette configuration assure d'une part une dissymétrie des pôles magnétiques primaires 20 et des pôles magnétiques secondaires, et permet d'autre part de garantir une bonne résistance mécanique à la rupture et à la fatigue du rotor, même pour des vitesses de rotation élevées, grâce à une homogénéisation des efforts dans le matériau. Pour le mode de réalisation non limitatif des figures 1 et 2 pour lequel N=4, l'angle a2 25 peut être compris entre 16.1 et 16.2 °, et l'angleal peut être compris entre 14.6 et 14.7 °. De préférence, l'angle a2 peut valoir 16.15°, et l'angleal peut valoir 14.65°. Conformément à une mise en oeuvre de l'invention, l'épaisseur du pont magnétique interne 20 est supérieure ou égale à l'épaisseur du pont magnétique central 21, qui est supérieure ou égale à l'épaisseur du pont magnétique externe 22. Cette configuration permet 30 une bonne tenue mécanique du rotor. En effet, les efforts sont plus importants au niveau du pont magnétique interne 20 que sur le pont magnétique externe 22. 7 De manière avantageuse, les épaisseurs des ponts magnétiques peuvent être comprises entre 0.65 mm et 1 mm, de manière à satisfaire les contraintes mécaniques. La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une portion d'un 5 rotor 1 avec trois paires de pôles (N=3) selon un mode de réalisation de l'invention. A chaque barrière de flux (9, 10, 11) de chaque pôle magnétique correspond un angle d'ouverture (91, 92, 93) qui qualifie l'ouverture de la forme en V. Ces angles d'ouverture correspondent à l'angle entre deux droites (A1, A2) passant chacune par le centre C du rotor 1 et par un point milieu M positionné au niveau d'une face externe 12 des perforations de 10 direction radiale inclinée 8 de chaque barrière de flux. Cette face externe 12 se situe à la périphérie du rotor 1, au niveau d'un entrefer mécanique de la machine électrique comme cela sera vu par dans suite de la description. Selon un mode de réalisation de l'invention, les angles d'ouverture (91, 92, 93) des barrières de flux (9, 10, 11) des pôles magnétiques primaires 13 peuvent être supérieures au 15 angles d'ouverture (91, 92, 93) des barrières de flux (9, 10, 11) des pôles magnétiques secondaires 14. Ainsi, l'architecture des pôles magnétiques secondaires 14 est différente de l'architecture des pôles magnétiques primaires 13. Les angles d'ouverture (91, 92, 93) peuvent alors être choisis de manière à minimiser les ondulations de couple et les harmoniques de force contre-électromotrice et le bruit acoustique. En effet, il se crée ainsi 20 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. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté à l'invention. En effet, ainsi, les 25 angles des ponts magnétiques et les angles d'ouverture des barrières de flux sont différents entre un pôle magnétique primaire et un pôle magnétique secondaire. De cette manière, il est possible de limiter les contraintes mécaniques dans le rotor tout en limitant les ondulations de couple. 30 Comme visible sur la figure 2, qui illustre, schématiquement et de manière non limitative, une machine électrique tournante conforme à un mode de réalisation de l'invention 8 (ici une machine synchrone à réluctance variable assistée d'aimant permanent), la machine électrique comprend également un stator 15 imbriqué autour du 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 un entrefer 18. Cette bague comprend une multiplicité d'encoches (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 15 en étant disposés radialement sur la bague tout en étant placés circonférentiellement à distance les uns des autres d'une distance D. Le nombre d'encoches est prédéterminé en fonction 10 des caractéristiques de la machine électrique, et en fonction du nombre N de paires de pôles. Pour l'exemple illustré de la figure 2, pour lequel le nombre de paires de pôles N vaut 4, il y a 48 encoches. Selon un exemple de réalisation, le stator peut avoir un diamètre extérieur compris entre 100 et 300 mm, et de préférence environ 140 mm et un diamètre intérieur compris 15 entre 50 et 200 mm, de préférence environ 95 mm. La longueur de l'entrefer 18 de la machine électrique peut être comprise entre 0.4 et 0.8 mm, de préférence entre 0.5 et 0.6 mm. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme de réalisation des évidements, décrits ci-dessus à titre d'exemple, elle embrasse au contraire toutes les 20 variantes de réalisation. La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un logement d'un aimant d'un rotor selon un mode de réalisation de l'invention. Il peut s'agir d'un évidement axial interne 6. Cet évidement axial 6, destiné à recevoir un aimant, a une forme générale sensiblement trapézoïdale, avec différents congés à ses quatre coins. Les congés peuvent 25 être choisis de manière à optimiser les contraintes mécaniques dans la tôle. Toutefois, l'évidement axial peut avoir d'autres formes, et/ou d'autres congés. De part et d'autre de l'évidement axial 6, se trouvent deux perforations inclinées 5, qui forment les barrières de flux. Entre l'évidement axial 6 et les perforations inclinées 5 sont prévus deux ponts magnétiques 20. 30 Sur cette figure 4, ont été également représentées quatre zones Al, A2, A3 et A4, qui sont des zones de la tôle de rotor 1 entre l'évidement axial 6 et les perforations inclinées 5. Pour ces quatre zones Al à A4, un critère de contrainte mécanique de Von Mises a été calculé pour une machine électrique selon l'art antérieur avec des ponts magnétiques 9 symétriques entre les pôles (al =a2) et pour une machine électrique selon l'invention avec des ponts magnétiques asymétriques entre les pôles, en particulier selon la configuration de la figure 1 avec a1=14.65° et a2=16.15°. Les deux machines électriques comparées sDnt identiques à l'exception des angles al et a2. 5 La figure 5 est un histogramme illustrant la comparaison de ce critère de contrainte de Von Mises Cm en MPa entre la machine électrique selon l'art antérieur AA, et la machine électrique selon l'invention INV, pour les quatre zones Al à A4 définies sur la figure 4. Ainsi, on observe que les ponts magnétiques tels que définis selon l'invention permettent d'homogénéiser les efforts dans le matériau. De plus, on remarque que la contrainte 10 maximale selon ce critère est supérieur pour l'art antérieur (445 MPa) par rapport à l'invention (406 MPa). La figure 6 représente une courbe représentative de la contrainte mécanique de rupture RUP en MPa (obtenu selon le critère de Von Mises) et une courbe représentative de 15 la contrainte mécanique de fatigue FAT (sans unité et obtenu selon le critère de Haigh et de Goodman) en fonction du décalage angulaire D en degré (°) entre les angles al et a2 (D=a2-al), pour un rotor d'une machine électrique selon le mode de réalisation de la figure 1. On observe qu'un décalage angulaire compris en 0.5 ° et 1.5° permet de réduire à la fois les contraintes mécaniques de rupture et les contraintes mécanique de fatigue sur le rotor. 20 Par conséquent, l'invention qui définit une relation entre les angles a2 = al + 1 ± 0.5 permet bien de réduire les contraintes mécaniques de rupture et de fatigue sur le rotor, en particulier par rapport à un rotor pour lequel les ponts magnétiques seraient identiques pour les pôles magnétiques primaires et les pôles magnétiques secondaires (D= 0 car al =a2). 25 Ainsi, le rotor selon l'invention est adapté à machine électrique synchro-réluctante qui fonctionne avec un bus continu faible tension qui permet une vitesse de rotation élevée (supérieure à 15 000 tr/min). REVENDICATIONS1) Rotor (1) pour machine électrique, ledit rotor (1) comprend : - un corps de rotor, formé par un empilage de tôles (3), de préférence placé sur un arbre de rotor (2) et - N paires de pôles magnétiques, chaque pôle magnétique est composé d'au moins trois aimants (7) positionnés dans des évidements axiaux (6), et - trois barrières de flux 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 évidement axial (6), chaque barrière de flux (9, 10, 11) étant espacé dudit évidement axial (6) par un pont magnétique (20, 21, 22) caractérisé en ce que ledit rotor (1) comprend en outre : - N pôles magnétiques primaires (13), et pour chaque pôle magnétique primaire (13), de part et d'autre dudit évidement axial (6), les ponts magnétiques internes (20), centraux (21) et externes (22) sont alignés selon un axe Al formant un angle al par rapport à la direction radiale R1 dudit pôle magnétique primaire ; - N pôles magnétiques secondaires (14), et pour chaque pôle magnétique secondaire (14), de part et d'autre dudit évidement axial (6), les ponts magnétiques internes (20), centraux (21) et externes (22) sont alignés selon un axe A2 formant un angle a2 par rapport à la direction radiale R2 dudit pôle magnétique primaire ; - de telle sorte que les angles al et a2 vérifient l'équation suivante exprimée en degrés : a2 al + 1 + 0.5. 2) Rotor (1) selon la revendication 1, dans lequel ledit nombre N de paires de pôles est compris entre 2 et 9, de préférence entre 3 et 6, et vaut de manière préférée 4. 3) Rotor (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit nombre N de paires de pôles vaut 4, et dans lequel l'angle a2 est compris entre 16.1 et 16.2 °, et l'angle al est compris entre 14.6 et 14.7 °. 4) Rotor (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites barrières de flux (9, 10, 11) ont sensiblement une forme de V à fond aplati. 11 5) Rotor (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur dudit pont magnétique interne (20) est supérieure ou égale à l'épaisseur dudit pont magnétique central (21), qui est supérieure ou égale à l'épaisseur dudit pont magnétique externe 5 (22). 6) Rotor (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les angles d'ouverture 91, 62, 63 desdites barrières de flux (9, 10, 11) desdits pôles magnétiques primaires (13) sont supérieures aux angles d'ouverture 91, 92, 93 desdites barrières de flux (9, 10, 11) 10 desdits pôles magnétiques secondaire (14). 7) Machine électrique caractérisée en ce qu'elle comprend un stator (15) et un rotor (1) selon l'une des revendications précédentes, le rotor (1) étant logé à l'intérieur dudit stator (15). 15 8) Machine électrique selon la revendication 7, dans laquelle ledit stator (15) comprend une pluralité d'encoches (19) radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator (15). 20 9) Machine électrique selon la revendication 8, dans laquelle lesdites encoches (19) s'étendent axialement le long dudit stator (15). 10) Machine électrique selon l'une des revendications 7 à 9, dans laquelle ladite machine électrique est du type synchro-réluctante.