Brevet FR3076113A1 — publié le 20190628

Machine synchrone à inducteur bobiné On connaît de l'art antérieur des machines synchrones à inducteur bobiné, à commutation de flux, notamment utilisées pour fournir une puissance électrique ou mécanique dans un véhicule, par exemple dans la publication Zhongze WU ICEMS 2016, « Design and Analysis of A Partitioned Stator Wound Field Switched Flux Machine for Electric Vehicle ». Une machine électrique tournante synchrone à commutation de flux connectée à un arbre via un roulement permet de fournir une puissance électrique pour alimenter les composants électriques du véhicule ou une 10 puissance mécanique pour entrainer le véhicule, c'est-à-dire de fournir un couple proportionnel nécessaire aux consommables du véhicule. De telles machines permettent d'obtenir des couples plus élevés du fait de la surface totale de bobinage plus élevée. De telles machines électrique tournante synchrone, à commutation de flux, 15 comportent un stator d'excitation et un stator d'induit, les deux stators étant positionnés dans une configuration concentrique radiale, autour d'un axe de rotation Z, le stator d'excitation étant à l'intérieur du stator d'induit, un entrefer étant défini entre les deux stators dans lequel est logé un rotor, le stator d'excitation étant formé par un corps de stator comportant une pluralité de dents s'étendant depuis le corps 20 de stator d'excitation vers le rotor, un bobinage d'excitation étant bobiné autour de la pluralité de dents dudit stator d'excitation, le stator d'induit étant formé par un corps de stator comportant une pluralité de dents s'étendant depuis le corps de stator d'induit vers le rotor, un bobinage d'induit étant bobiné autour de la pluralité de dents dudit stator d'induit, et le rotor, dépourvu de bobinage ou d'aimants permanents, est 25 formé par un ensemble de paires de pièces polaires disposées circonférentiellement dans l'entrefer en regard de chacun des stators, séparées par un pas polaire. De telles machines présentent l'inconvénient que lors du mouvement du rotor par rapport aux stators d'excitation et d'induit, les modifications des lignes de champ génèrent une tension induite perturbatrice au niveau du stator d'excitation ce qui 30 engendre des pertes, et dégrade les performances de la machine. Il s'agit donc de pouvoir optimiser le couple généré en réduisant ladite tension induite. 2 Ainsi dans une machine telle que celle faisant l'objet de l'invention, une paire de pièces polaires comprend une première pièce polaire et une deuxième pièce polaire adjacente à la première pièce polaire, chaque pièce polaire ayant sensiblement la forme d'une pyramide tronquée, chaque pièce polaire positionnée dans l'entrefer présentant deux surfaces d'extrémité axiale en regard le long de l'axe de la machine, deux flans en regard le long de la direction circonférentielle de la machine, deux faces en regard l'une de l'autre dont une face supérieure en regard du stator d'induit et une face inférieure en regard du stator d'excitation, la face supérieure de la première pièce polaire ayant une extension le long de la lo circonférence du rotor définie par un angle d'ouverture de ladite face en regard du stator d'induit entre un premier flan gauche et un premier flan droit yr01, la face inférieure de la première pièce polaire ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d'ouverture de ladite face en regard du stator d'excitation entre le premier flan gauche et le premier flan droit yril , la face 15 supérieure de la deuxième pièce polaire de la même paire ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d'ouverture de ladite face en regard du stator d'induit entre un deuxième flan gauche et un deuxième flan droit 11..02, la face inférieure de la deuxième pièce polaire ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d'ouverture de ladite face en regard du 20 stator d'excitation entre un deuxième flan gauche et un deuxième flan droit yri2, les deux pièces polaires étant agencées de sorte qu'une surface d'extrémité axiale de la première pièce polaire est en regard d'une surface d'extrémité axiale de la deuxième pièce polaire, les flans de la première pièce polaire étant inclinés de sorte que: yri1 yr01, les flans de la deuxième pièce polaire étant inclinés de sorte que: yr02 yri2, 25 avec yr01 et yr02 du même ordre de grandeur. Une telle machine est de conception simple en ce qu'elle ne nécessite pas de bagues collectrices, de brosses ou analogue, la seule partie mobile étant la partie mobile avec les pièces polaires qui ne nécessite aucune alimentation en courant, et avec un montage des pièces polaires facile. De plus la géométrie et l'agencement 30 particulier des paires de pièces polaires formant rotor permet, en limitant les variations abruptes de flux magnétique au niveau du stator d'excitation, de réduire les harmoniques de tension induite perturbatrices. L'inclinaison des flans participe également à la réduction des modifications abruptes de flux. Selon une réalisation, la machine est telle que yr° = 02= 0 et vérifiant les inégalités 0.5 yrO2, ce qui défini l'inclinaison des flans droite et gauche de la deuxième pièce polaire. Les deux flans d'une même pièce polaire sont avantageusement inclinés sensiblement du même angle dans deux directions opposées. En variante les deux flans sont inclinés de deux angles différents 1 et E;2. Dans un mode préféré de réalisation, les angles yr01, yrO2 seront sensiblement identiques égaux à yrO, la face supérieure de la première pièce polaire étant sensiblement de même dimension que la face supérieure de la deuxième pièce 10 polaire. Les angles d'ouvertures des deux pièces polaires d'une même paire vérifieront donc la relation suivante yri1 Comme illustré à la figure 7, on pourra définir un angle de vrillage Osk, qui définira le décalage global de la pluralité de paires de pièces polaires juxtaposés, par rapport à la direction Z, c'est-à-dire le décalage entre la première et la dernière paire de la pluralité selon la direction circonférentielle. Le vrillage va également permettre d'adoucir le flux en réduisant l'influence de l'harmonique 6 dans la tension induite. En notant P la profondeur de la pluralité de N paires de pièces polaires le long de l'axe de rotation Z, chaque paire ayant les propriétés décrites précédemment, P=N*2*p. 12 Le paramètre de vrillage V le long de la direction circonférentielle est donc donné par V= P*tan Osk. Le décalage le long de la direction circonférentielle entre deux paires de pièces polaires consécutifs sera alors donné par y = 2p*tan Osk. En variante on pourra considérer un décalage irrégulier entre paires de pièces polaires adjacentes. Le vrillage permet d'adoucir le flux en le rendant plus sinusoïdal en limitant l'influence des harmoniques prépondérantes. L'angle de vrillage mécanique Osk est relié à l'angle de vrillage électrique T par la relation T Osk*X où X est le nombre de paires de pôles vues par chaque stator. Dans le cas de la machine précédente comprenant 12 dents à chacun des stators, le nombre de paires pièces polaires étant compris entre 10 et 14, l'angle de vrillage électrique sera avantageusement compris dans l'intervalle [80°, 901 et en particulier de l'ordre de 84°, comme illustré à la figure 8. Ceci donne un angle optimum pour ne 15 pas trop diminuer le couple tout en limitant l'influence de l'harmonique 6. Dans le cas d'une machine comprenant un stator d'excitation et un stator d'induit ayant chacun 12 dents et un rotor comprenant 11 paires de pièces polaires, l'harmonique d'ordre 6 sera fortement atténuée dans le cas où les pièces polaires auront les dimensions suivantes yr0 = 23°, yri1 = 15°, yri2 = 310 . 20 Dans une telle configuration il y a une réduction importante de la tension pic à pic tout en maintenant un couple moyen de la machine élevé. Dans le cas d'une machine comprenant un stator d'excitation et un stator d'induit ayant chacun 12 dents et un rotor comprenant 13 paires de pièces polaires, l'harmonique d'ordre 6 sera fortement atténuée dans le cas où les pièces polaires 25 auront les dimensions suivantes yr0 = 19.4°, yril = 21.5°, yri2 = 27°. Dans le cas d'une machine comprenant un stator d'excitation et un stator d'induit ayant chacun 12 dents et un rotor comprenant 14 paires de pièces polaires, l'harmonique d'ordre 6 sera fortement atténuée dans le cas où les pièces polaires auront les dimensions suivantes yr0 = 180, yril = 14.5°, yri2 = 24°. 30 La réduction de la tension pic à pic de cette harmonique dans des systèmes à 12 dents aux stators et un nombre de dents au rotor de 11, 13 ou 14 est illustrée aux figures fia et 6b. 13 Dans tout ce qui précède les pièces polaires du rotor seront typiquement en matériau magnétique doux tels que des tôles d'acier ferromagnétique FeSi, FeCo ou FeNi. Les dimensions seront telle que p sera typiquement de l'ordre de 35mm et e sera typiquement de l'ordre REVENDICATIONS1- Machine électrique tournante synchrone, à commutation de flux, comportant un stator d'excitation (12) et un stator d'induit (11), les deux stators (11, 12) étant positionnés dans une configuration concentrique radiale, autour d'un axe de rotation (Z), le stator d'excitation (12) étant à l'intérieur du stator d'induit (11), un entrefer étant défini entre les deux stators dans lequel est logé un rotor (20), le stator d'excitation (12) étant formé par un corps de stator comportant une pluralité de dents s'étendant depuis le corps de stator d'excitation vers le 10 rotor (20), un bobinage d'excitation (102) étant bobiné autour de la pluralité de dents dudit stator d'excitation, le- stator d'induit (11) étant formé par un corps de stator comportant une pluralité de dents s'étendant depuis le corps de stator d'induit (11) vers le rotor (20), un bobinage d'induit (101) étant bobiné autour de la pluralité de 15 dents dudit stator d'induit, le rotor (20), dépourvu de bobinage ou d'aimants permanents étant formé par un ensemble de paires de pièces polaires (21) disposées circonférentiellement dans l'entrefer en regard de chacun des stators, séparés par un pas polaire, 20 caractérisé en ce que : une paire de pièces polaires (21) comprend une première pièce polaire (22) et une deuxième pièce polaire (23) adjacente à la première pièce polaire, chaque pièce polaire ayant la forme d'une pyramide tronquée, chaque pièce polaire positionnée dans l'entrefer présentant deux surfaces 25 d'extrémité axiale en regard le long de l'axe de la machine, deux flans en regard le long de la direction circonférentielle de la machine, deux faces en regard l'une de l'autre dont une face supérieure en regard du stator d'induit et une face inférieure en regard du stator d'excitation, la face supérieure de la première pièce polaire (220) ayant une extension le 30 long de la circonférence du rotor définie par un angle d'ouverture yr01 de ladite face en regard du stator d'induit entre un premier flan gauche (222) et un premier flan droit (223), 15 la face inférieure de la première pièce polaire (221) ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d'ouverture y11 de ladite face en regard du stator d'excitation entre le premier flan gauche (222) et le premier flan droit (223), la face supérieure de la deuxième pièce polaire (230) de la même paire ayant une extension le long de la circonférence du rotor définie par un angle d'ouverture yr02 de ladite face en regard du stator d'induit entre un deuxième flan gauche (232) et un deuxième flan droit (233) la face inférieure de la deuxième pièce polaire (231) ayant une extension le 10 long de la circonférence du rotor définie par un angle d'ouverture yri2 de ladite face en regard du stator d'excitation entre un deuxième flan gauche (232) et un deuxième flan droit (233), les deux pièces polaires (22, 23) étant agencées de sorte qu'une surface d'extrémité axiale de la première pièce polaire est en regard d'une surface 15 d'extrémité axiale de la deuxième pièce polaire, les flans de la première pièce polaire étant inclinés de sorte que: yri1 2- Machine selon la revendication 1 dans laquelle yr01--yr02=yr0, 0 étant un angle d'ouverture et vérifiant les inégalités: 0.5 3- Machine selon la revendication 2 dans laquelle lorsque Rri2 est égal à 0.95, Rril est égal à 0.54. 4- Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle pour chaque pièce polaire (22, 23) les deux faces d'extrémité axiale sont sensiblement parallèles entre elles et transverses aux faces supérieure et inférieure, la distance entre les faces supérieure et inférieure dite épaisseur (e) pour chaque pièce polaire est la même pour les deux pièces polaires, la distance entre les faces d'extrémité axiale dite profondeur (p) pour chaque pièce polaire est la même pour les deux pièces polaires, le flan gauche de la première pièce polaire (222) est de même inclinaison dans une direction opposée au flan droit de la première pièce polaire (223) et le flan droit de la première pièce polaire (232) est de même inclinaison dans 15 une direction opposée au flan gauche de la deuxième pièce polaire (233), les deux pièces polaires étant positionnées de sorte que la face supérieure de la première pièce polaire (220) est dans la continuité de la face supérieure de la deuxième pièce polaire (230) le long de l'axe de la machine. 20 5- Machine selon la revendication 4 dans laquelle : chaque pièce polaire est sensiblement symétrique, les deux flans de la première pièce polaire (222, 223) étant inclinés d'une même inclinaison par rapport au plan transverse à la face supérieure, dans deux directions opposées, 25 les deux flans de la deuxième pièce polaire (232, 233) étant également inclinés de la même inclinaison E, dans deux directions opposées. 6- Machine selon l'une des revendications 1 à 5 dans laquelle N paires de pièces polaires sont disposées deux à deux adjacentes le long de la 30 direction axiale de la machine, deux paires adjacentes des N paires étant décalées le long de la circonférence du rotor d'une distance inférieure au pas polaire, les paires adjacentes étant deux à deux décalées le long de la circonférence du rotor, 17 le décalage V le long de la direction circonférentielle du rotor entre la première et la dernière des N paires de pièces polaires étant donné par la relation : V= N*2*p* tan Osk où Osk désigne l'angle de vrillage, et p désigne la profondeur d'une pièce polaire selon l'axe (Z). 7- Machine selon la revendication 6 dans laquelle un angle de vrillage électrique T est compris dans l'intervalle [80°, 901 et avantageusement de l'ordre de 84° pour une machine comprenant douze 10 dents à chacun des stators (11, 12), quel que soit le nombre de paires de pièce polaire compris entre dix et quatorze, l'angle de vrillage électrique T étant donné par la relation : T=Osk *X Où X est le nombre de paires de pôles vues par chaque stator. 15 8- Machine selon l'une des revendications 1 à 7 dans laquelle le nombre de dents de chacun des stators (11, 12) est de douze et le nombre de paires pièces polaires est de dix, pour yr0 compris dans l'intervalle (25°, 27°), l'angle d'ouverture de la face en regard du stator d'excitation yril de la première pièce polaire est dans compris dans l'intervalle (18°, 32.4°) et 20 avantageusement de l'ordre de 19.4° et l'angle d'ouverture de la face en regard du stator d'excitation yri2 de la deuxième pièce polaire est dans l'intervalle (32.4°, 34.2°) et avantageusement de l'ordre de 34.2°.