Brevet FR3080718A1 — publié le 20191101

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE AYANT UNE CONFIGURATION RÉDUISANT LES HARMONIQUES DU TROISIÈME ORDRE L'invention porte sur une machine électrique tournante ayant une configuration réduisant les harmoniques de courant du troisième ordre. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques réversibles pouvant fonctionner en mode alternateur et en mode moteur. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation 15 adapté. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans le corps de rotor. Par ailleurs, le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre de rotor par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le stator comporte un corps muni d'une pluralité de dents définissant des 20 encoches, et un bobinage inséré dans les encoches du stator. Le bobinage est obtenu par exemple à partir de fils continus recouverts d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, les phases de la machine sont formées à partir de bobines individuelles enroulées chacune autour d'une dent statorique. 25 Dans le cas d'un stator comportant au moins un groupe d'enroulements triphasés couplés en triangle utilisé en combinaison avec un rotor muni de pôles formés chacun par deux aimants ayant en section une forme de V, on observe une présence importante d'harmoniques d'ordre 3, notamment à fort courant lorsque la machine électrique fonctionne dans une phase de 30 démarrage. Or ces harmoniques augmentent les pertes joules de la machine électrique. 2 L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une machine électrique tournante pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un rotor et un stator séparés entre eux par un entrefer ayant une épaisseur, 5 - ledit stator comportant un corps et un bobinage comprenant au moins un groupe d'enroulements triphasé, lesdits enroulements étant couplés entre eux en triangle, - ledit rotor ayant un corps réalisé dans un matériau magnétique et comportant un nombre pair de pôles, chaque pôle étant formé par au moins 10 deux aimants permanents, qui en section, définissent une forme comportant au moins un V, - ledit rotor comportant au moins deux zones de retrait de matériau magnétique, les deux zones étant disposées entre les deux aimants permanents d'un pôle et une périphérie externe du rotor. L'invention permet ainsi, grâce à la configuration du rotor, de réduire la présence des harmoniques d'ordre 3 dans les courants de phases du stator. On diminue ainsi les pertes joules notamment à fort courant en phase de démarrage, ce qui se traduit par l'amélioration du rendement du moteur électrique et par conséquence une meilleure utilisation de l'énergie électrique stockée dans les batteries. Le retrait de la matière dans le corps de rotor permet en outre de réduire l'inertie de ce dernier et ainsi améliorer les performances dynamiques de la machine électrique tournante. Selon une réalisation, les deux zones sont disposées de part et d'autre d'un axe de symétrie du pôle. Selon une réalisation, une première distance la plus courte entre une périphérie externe d'une zone et l'entrefer est comprise entre la moitié de l'épaisseur de l'entrefer et trois fois l'épaisseur de l'entrefer. Selon une réalisation, une deuxième distance la plus courte entre une périphérie externe d'une zone et l'aimant permanent le plus proche est 30 comprise entre une fois l'épaisseur de l'entrefer et dix fois l'épaisseur de l'entrefer. Selon une réalisation, un angle formé par 3 - un premier segment passant par un axe du rotor et le point d'une zone d'un pôle le plus proche de l'entrefer, et - un deuxième segment passant par l'axe du rotor et le point de l'autre zone du pôle le plus proche de l'entrefer, 5 - est égal à K fois un pas dentaire du stator, K étant un nombre entier supérieur ou égal à 1. Selon une réalisation, une épaisseur de l'entrefer est variable. Selon une réalisation, les zones sont remplies d'un matériau non ferromagnétique, par exemple amagnétique, notamment de l'air. 10 Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une tension de fonctionnement comprise entre 30 et 60 Volts. Selon une réalisation, un diamètre externe du corps de rotor est compris entre 80 et 350mm. Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une 15 puissance maximale comprise entre 10kW et 50kW. Selon une réalisation, le rotor comporte un nombre impair de paires de pôles. On optimise la réduction des harmoniques d'ordre 3 sur une telle configuration de rotor. Selon une réalisation, ledit rotor comporte cinq paires de pôles. 20 Selon une réalisation, les zones de retrait de matière s'étendent axialement sur au moins deux tiers d'une hauteur axiale du corps de rotor. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à 25 titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1 montre une vue en coupe transversale partielle de la machine électrique tournante selon la présente invention; 4 La figure 2 est une représentation schématique du couplage triphasé de deux groupes d'enroulements de phase du stator de la machine électrique tournante selon l'invention; Les figures 3a et 3b montrent des représentations graphiques de signaux de 5 courants de phases obtenus respectivement avec un rotor classique et un rotor selon l'invention comportant deux zones de retrait de matière par pôle rotorique; La figure 4 est une représentation graphique des harmoniques contenues dans les signaux de courants des figures 3a et 3b. 10 Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 comportant un rotor 11 ayant un axe de rotation et destiné à être monté sur un arbre (non représenté). Un stator bobiné 15, qui pourra être polyphasé, entoure 15 coaxialement le rotor 11. Le stator 15 et le rotor 11 sont séparés entre eux par un entrefer 13 d'épaisseur E s'étendant entre la périphérie externe du rotor 11 et la périphérie interne du stator 15. L'épaisseur E de l'entrefer 13 pourra être constante ou de préférence variable suivant la circonférence du rotor 11. 20 La machine électrique 10 pourra présenter une tension de fonctionnement comprise entre 30 et 60 Volts et une puissance maximale comprise entre 10kW et 50kW. Plus précisément, le stator 15 comporte un corps 16 et un bobinage 17. Le corps de stator 16 consiste en un empilement axial de tôles planes. Le corps 25 16 comporte des dents 20 réparties angulairement de manière régulière. Ces dents 20 délimitent des encoches 24, de telle façon que chaque encoche 24 est délimitée par deux dents 20 successives. Les encoches 24 débouchent axialement dans les faces d'extrémité axiales du corps 16. Les encoches 24 sont également ouvertes radialement vers l'intérieur du corps 16. 5 Le stator 15 est muni de pieds de dent 25 du côté des extrémités libres des dents 20. Chaque pied de dent 25 s'étend circonférentiellement de part et d'autre d'une dent 20 correspondante. Le bobinage 17 est obtenu par exemple à partir de fils continus recouverts 5 d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles 26 reliées entre elles par soudage. Alternativement, les phases de la machine sont formées à partir de bobines individuelles enroulées chacune autour d'une dent statorique. En l'occurrence, comme cela est représenté sur la figure 2, le bobinage 17 10 comprend deux groupes d'enroulements triphasés U1, V1, W1 et U2, V2, W2. Les enroulements d'un groupe Ul, V1, W1 ou U2, V2, W2 sont couplés entre eux en triangle. Chaque groupe d'enroulements U1, V1, W1 et U2, V2, W2 est associé à un onduleur 28.1, 28.2. Chaque onduleur 28.1, 28.2 comporte trois bras de pont 29 (un par phase) comprenant de façon connue 15 en soi un interrupteur haut 30.1 et un interrupteur bas 30.2 pour connecter sélectivement la phase correspondante au potentiel d'alimentation de la machine électrique ou à la masse. Les interrupteurs 30.1, 30.2 prennent par exemple la forme d'un transistor de type MOSFET. En variante, le bobinage 17 pourra comporter un seul groupe d'enroulements couplés en triangle ou 20 plus de deux groupes d'enroulements couplés en triangle. Par ailleurs, le rotor 11 comporte un corps 31 formé par un empilement axial de tôles planes afin de diminuer les courants de Foucault. Le corps 31 est réalisé dans un matériau magnétique. Un diamètre externe du corps de rotor 31 est par exemple compris entre 80 et 350mm. 25 Le rotor 11 comporte en outre des cavités 36 destinées à recevoir des aimants permanents 37 formant des pôles magnétiques P. En l'occurrence, le rotor 11 comporte un nombre pair de pôles P. Avantageusement, le rotor 11 comporte un nombre impair de paires de pôles P, notamment cinq paires de pôles. On optimise la réduction des harmoniques sur une telle configuration de rotor 11. Chaque pôle P est formé par au moins deux aimants permanents 37, qui en section, définissent une forme comportant au moins un V. Par "forme 6 comportant au moins un V", on entend le fait qu'en coupe transversale, les axes longitudinaux X1, X2 d'au moins un ensemble de deux aimants 37 du pôle P forment un angle Al non nul entre eux. Les cavités 36 correspondantes sont en l'occurrence distinctes l'une de l'autre. En variante, 5 les cavités 36 pourraient se rejoindre au niveau de la pointe du V. En variante, les pôles P sont formés chacun par plusieurs ensembles, notamment deux ensembles, d'aimants définissant au moins deux V imbriqués l'un dans l'autre. Les aimants permanents 37 pourront être réalisés en ferrite ou en terre rare 10 selon les applications et la puissance recherchée de la machine 10. En variante, les aimants permanents 37 peuvent être de nuance différente pour réduire les coûts. Avantageusement, le rotor 11 comporte au moins deux zones Z1, Z2 de retrait de matériau magnétique. Les deux zones Z1, Z2 sont disposées entre 15 les deux aimants 37 d'un pôle P et une périphérie externe du rotor 11. Les deux zones Z1, Z2 sont disposées de part et d'autre d'un axe de symétrie X3 du pôle P. Cet axe de symétrie X3 pourra être un axe radial par rapport à l'axe du rotor. Avantageusement, les zones de retrait de matière Z1, Z2 s'étendent axialement sur au moins deux tiers d'une hauteur axiale du corps 20 de rotor 31. Selon une réalisation préférentielle, les zones Z1, Z2 traversent axialement de part en part le corps de rotor 31. Les zones Z1 et Z2 pourront être réalisées suivant une ou plusieurs formes régulières, de type cercle, polygone, ellipse, ou suivant un motif quelconque. Dans l'exemple représenté, les zones Z1 et Z2 sont remplies d'un matériau 25 non ferromagnétique, par exemple amagnétique, notamment de l'air. Une première distance L1 la plus courte entre une périphérie externe d'une zone Z1 ou Z2 et l'entrefer 13 est comprise entre la moitié de l'épaisseur E de l'entrefer 13 et trois fois l'épaisseur E de l'entrefer 13. Une deuxième distance L2 la plus courte entre une périphérie externe d'une 30 zone Z1 ou Z2 et l'aimant 37 le plus proche est comprise entre une fois l'épaisseur E de l'entrefer 13 et dix fois l'épaisseur E de l'entrefer 13. 7 Par ailleurs, un angle A2 formé par: - un segment S1 passant par un axe du rotor 11 et le point d'une zone Z1 d'un pôle P le plus proche de l'entrefer 13, et - un segment S2 passant par l'axe du rotor 11 et le point de l'autre zone Z2 5 du pôle P le plus proche de l'entrefer 13, - est égal à K fois un pas dentaire du stator 15, K étant un nombre entier supérieur ou égal à 1. On rappelle qu'un pas dentaire est égal à 360 degrés divisé par le nombre de dents statoriques 20. Les figures 3a et 3b montrent des représentations graphiques des signaux 10 de courants de phases obtenus respectivement avec un rotor 11 classique dépourvu de zones de retrait de matériau magnétique (cf. courbe Iph_edt) et un rotor selon l'invention comportant deux zones Z1, Z2 de retrait de matière par pôle rotorique P (cf. courbe Iph_inv). La figure 4 montre le niveau des harmoniques présents dans ces signaux 15 Iph_edt et Iph_inv. On s'aperçoit que le niveau de l'harmonique d'ordre 3 est inférieur pour un rotor 11 selon l'invention que pour un rotor classique dépourvu de zones de retrait de matériau magnétique. Les pertes joules de la machine Pj sont exprimées par la relation suivante: Pj=mx Rx 12 où m est le nombre de phases de la machine, R est la résistance 20 des enroulements d'une phase et I représente la valeur efficace du courant. La valeur efficace du courant dépend fortement du contenu harmonique de celui-ci. En conséquence, le fait de réduire l'amplitude des harmoniques d'ordre supérieur à 1 réduit non seulement la valeur efficace du courant circulant dans les enroulements du stator 15 mais aussi les 25 pertes à hautes vitesses. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de 30 réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les 8 autres selon diverses combinaisons, REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10) pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un rotor (11) et un stator (15) séparés entre eux par un entrefer (13) ayant une épaisseur (E), - ledit stator (15) comportant un corps (16) et un bobinage (17) comprenant au moins un groupe d'enroulements triphasé (U1, V1, W1; U2, V2, W2), le groupe d'enroulements étant couplé en triangle, - ledit rotor (11) ayant un corps (31) réalisé dans un matériau magnétique et comportant un nombre pair de pôles (P), chaque pôle (P) étant formé par au moins deux aimants permanents (37), qui en section, définissent une forme comportant au moins un V, - ledit rotor (11) comportant au moins deux zones (Z1, Z2) de retrait de matériau magnétique, les deux zones (Z1, Z2) étant disposées entre les 15 deux aimants permanents (37) d'un pôle (P) et une périphérie externe du rotor (11). 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux zones (Z1, Z2) sont disposées de part et d'autre d'un axe de symétrie (X3) du pôle (P). 20 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une épaisseur (E) de l'entrefer (13) est variable. 4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les zones (Z1, Z2) sont remplies d'un matériau non ferromagnétique, par exemple amagnétique, notamment 25 de l'air. 5. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'elle présente une tension de fonctionnement comprise entre 30 et 60 Volts. 6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un diamètre externe du corps de rotor (31) est compris entre 80 et 350mm. 10 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'elle présente une puissance maximale comprise entre 10kW et 50kW. 8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le rotor (11) comporte un nombre impair de paires de pôles. 9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le rotor (11) comporte cinq paires de pôles. 10 10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les zones de retrait de matière (Z1, Z2) s'étendent axialement sur au moins deux tiers d'une hauteur axiale du corps de rotor (31).15