Brevet FR3086118A1 — publié le 20200320

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UN ROTOR À MASSE RÉDUITE La présente invention porte sur une machine électrique tournante munie d'un rotor à masse réduite. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques utilisées dans les véhicules automobiles. 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 io 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 adapté. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants 15 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 encoches, et un bobinage inséré dans les encoches du stator. Le bobinage 20 est obtenu par exemple à partir de fils ronds 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 pour un bobinage de type fractionné, ou de bobines enroulées autour de plusieurs 25 dents pour un bobinage de type distribué. Les machines électriques utilisées pour des applications de véhicule hybride ou électrique, notamment celles entrainées sans courroie de distribution, peuvent être introduites dans des systèmes dont le fonctionnement requiert des changements de vitesses brusques et rapides. Pour que le moteur 30 électrique puisse fonctionner de façon optimale, il est important qu'il puisse être capable de changer de vitesse de rotation au moins aussi rapidement 2 que les autres composants. Il existe donc le besoin de réduire l'inertie du rotor afin que la machine puisse répondre à ces changements de vitesse. L'invention vise à combler efficacement ce besoin en proposant une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant un 5 rotor et un stator, caractérisée en ce que ledit rotor comprend: - un corps de rotor en matière ferromagnétique comportant un paquet de tôles, et - des pôles magnétiques définis chacun par des aimants permanents disposés à l'intérieur de deux uniques logements par pôle magnétique présentant, dans un plan orthogonal à un axe de rotation du rotor, une forme en V, - et en ce que, dans le plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor, un secteur angulaire s'étendant entre deux axes de deux pôles magnétiques adjacents comporte: - deux premières zones de retrait de matière ferromagnétique s'étendant chacune entre un axe d'un pôle magnétique et un logement d'un aimant permanent adjacent, - une deuxième zone de retrait de matière ferromagnétique disposée entre les deux logements, et entre une droite de séparation de zone passant par le petit côté des aimants de chaque logement, le petit côté étant celui disposé le plus près de l'axe de rotation du rotor, et une périphérie externe du rotor, et - une troisième zone de retrait de matière ferromagnétique disposée entre une périphérie interne du rotor et la droite de séparation de zone. L'invention permet ainsi, grâce à la réalisation des zones de retrait de matière ferromagnétique dans le corps de rotor, de réduire l'inertie de celui-ci et ainsi améliorer les performances dynamiques de la machine électrique tournante. L'invention pourra également permettre de réduire les harmoniques de courant, notamment les harmoniques de rang 3, ainsi que les pertes Joules. Selon une réalisation, une distance minimale entre un bord d'une première zone de retrait de matière ferromagnétique et une périphérie externe du rotor est comprise entre 0.2mm et 3mm. 3 Selon une réalisation, un ratio entre: - la somme d'une distance minimale entre un bord d'une première zone de retrait de matière ferromagnétique et un bord d'un logement d'un aimant permanent et une distance minimale entre un bord d'une première zone de 5 retrait de matière ferromagnétique et un axe de pôle magnétique le plus proche, - divisée par une longueur d'un plus grand côté d'un aimant permanent dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, - est compris entre 0.1 et 0.4. 10 Selon une réalisation, dans la deuxième zone de retrait de matière ferromagnétique, un ratio entre - une somme de longueurs minimales de portions de matériau ferromagnétique depuis une périphérie externe du rotor jusqu'à la droite de séparation de zone, 15 - divisée par une longueur d'un plus grand côté d'un aimant permanent dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor est compris entre 0.3 et 0.9. Selon une réalisation, un ratio entre une distance minimale entre un bord de la deuxième zone de retrait de matière ferromagnétique et un bord d'un 20 logement d'un aimant permanent le plus proche divisé par une longueur d'un plus petit côté d'un aimant permanent dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor est compris entre 0.4 et 1. Selon une réalisation, une somme entre: - un rapport entre le diamètre externe du rotor divisé par deux fois la plus 25 petite distance entre un bord de la troisième zone de retrait de matière ferromagnétique et un axe de pôle magnétique le plus proche et - une valeur égale à 1.2 fois le diamètre externe du rotor, - est comprise entre 155 et 210. Selon une réalisation, une somme entre: 30 - un ratio entre un nombre de paires de pôles divisé par deux fois la plus petite distance entre un bord de la troisième zone de retrait de matière ferromagnétique et un axe de pôle magnétique le plus proche et - une valeur égale à 0.23 le nombre de paires de pôles, 4 - est comprise entre 1.5 et 4.5. Selon une réalisation, une plus petite distance entre un bord de la troisième zone de retrait de matière ferromagnétique et une périphérie interne du rotor est supérieure ou égale à deux fois une plus petite distance entre un bord de 5 la troisième zone de retrait de matière ferromagnétique et un axe d'un pôle magnétique le plus proche. Selon une réalisation, une plus petite distance entre un bord de la troisième zone de retrait de matière ferromagnétique et un bord de logement d'un aimant permanent le plus proche est supérieure ou égale à la moitié de la 10 plus petite distance entre un bord de la troisième zone de retrait de matière ferromagnétique et un axe d'un pôle magnétique le plus proche. Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une configuration à flux radial. Selon une réalisation, le stator comporte des enroulements couplés en 15 triangle ou en double triangle ou en étoile ou en double étoile. Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un nombre de pôles magnétiques sélectionné parmi 4, 6, 8, 10, 12, 14 ou 16. Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une tension de fonctionnement comprise entre 24 et 60 Volts continue. 20 Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance comprise entre 10kVV et 50kVV. Selon une réalisation, un diamètre externe du stator est compris entre 80mm et 180mm. Selon une réalisation, un diamètre externe du stator est sélectionné parmi 25 une des valeurs suivantes 90, 100, 110, 153, 161mm. 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 titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. 5 La figure la montre une vue en coupe transversale illustrant la répartition des pôles magnétiques du rotor de la machine électrique tournante selon la présente invention; 5 La figure lb est une vue en coupe transversale partielle illustrant la configuration des différentes zones de retrait de matière ferromagnétique ménagées dans le rotor de la machine électrique tournante selon l'invention; La figure 2 est une vue en couple transversale partielle du rotor montrant les dimensions définissant les limites de la deuxième zone de retrait de matière 10 ferromagnétique; Les figures 3a et 3b sont des représentations graphiques d'une réponse en couple en fonction des dimensions définissant les limites de la première zone de retrait de matière ferromagnétique; Les figures 4a et 4b sont des vues en coupe transversale partielle du rotor 15 illustrant des variantes de réalisation de la première zone de retrait de matière ferromagnétique; La figure 5 est une vue en couple transversale partielle du rotor montrant les dimensions définissant les limites de la deuxième zone de retrait de matière ferromagnétique; 20 Les figures 6a et 6b sont des représentations graphiques d'une réponse en couple en fonction des dimensions définissant les limites de la deuxième zone de retrait de matière ferromagnétique; Les figures 7a et 7b sont des vues en coupe transversale partielle du rotor illustrant des variantes de réalisation de la deuxième zone de retrait de 25 matière ferromagnétique; La figure 8 est une vue en couple transversale partielle du rotor montrant les dimensions définissant les limites de la troisième zone de retrait de matière ferromagnétique; 6 Les figures 9a et 9b sont des représentations graphiques d'une réponse en couple en fonction des dimensions définissant les limites de la deuxième zone de retrait de matière ferromagnétique. Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même 5 référence d'une figure à l'autre. La figure 2 montre une machine électrique tournante 10 comportant un rotor 11 ayant un axe de rotation X correspondant à l'axe de la machine. Le rotor 11 est destiné à être monté sur un arbre (non représenté). Un stator bobiné 12, qui est polyphasé, entoure coaxialement le rotor 11. Le stator 12 et le 10 rotor 11 sont séparés entre eux par un entrefer 13. L'épaisseur de l'entrefer 13 pourra être constante ou variable suivant la circonférence du rotor 11. La machine électrique 10 pourra présenter une tension de fonctionnement comprise entre 24 et 60 Volts continue et une puissance maximale comprise entre 10kW et 50kW. La machine électrique 10 comporte un nombre de 15 pôles PM sélectionné avantageusement parmi 4, 6, 8, 10, 12, 14 ou 16 pôles PM. Plus précisément, le stator 12 montré partiellement sur la figure 2 comporte un corps 16 et un bobinage 17. Le corps de stator 16 consiste en un empilement axial de tôles planes. Le corps 16 comporte des dents 20 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. 25 Le stator 12 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. En variante, le stator 12 est dépourvu de pieds de dent. Un diamètre externe du stator 12 est par exemple compris entre 80 et 30 180mm. Un diamètre externe du stator 12 est notamment sélectionné parmi une des valeurs suivantes: 90, 100, 110, 153, 161 mm. 7 Le bobinage 17 comporte des enroulements de phase couplés en triangle ou en double triangle ou en étoile ou en double étoile. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir de fils continus recouverts d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par 5 soudage. De préférence, le bobinage est de type distribué. Avantageusement, la machine électrique 10 présente une configuration à flux radial c'est à dire que les échanges de flux magnétique entre le rotor 11 et stator 12 s'effectuent suivant une direction radiale par rapport à l'axe X de la machine électrique 10. io Par ailleurs, le rotor 11 comporte un corps 27 formé par un paquet de tôles planes afin de diminuer les courants de Foucault. Le corps 27 est réalisé dans un matériau ferromagnétique. Le rotor 11 comporte en outre des logements 28 destinés à recevoir des aimants permanents 30 formant des pôles magnétiques PM. 15 Chaque pôle PM est formé par au moins deux aimants permanents 30 disposés dans deux logements 28 uniques qui définissent, dans un plan orthogonal à l'axe de rotation X du rotor 11, une forme en V, tel que montré sur la figure 1a. Le rotor 11 comporte ainsi deux uniques logements 28 par pôle magnétique PM. Par "forme en V", on entend le fait que dans un plan 20 orthogonal à l'axe de rotation X du rotor 11, les axes longitudinaux X1, X2 des logements 28 des aimants 30 d'un pôle PM forment un angle Al non nul entre eux. Les logements 28 correspondants sont en l'occurrence distincts l'un de l'autre. En variante, les logements 28 pourraient se rejoindre au niveau de la pointe du V. De préférence, chaque pôle PM comporte 25 uniquement deux logements d'aimants 28, c'est-à-dire qu'il est dépourvu d'autres logements contenant des aimants. En outre, les pôles PM sont disposés suivant une seule couche circonférentielle d'aimants 30. Les aimants permanents 30 pourront être réalisés en ferrite ou en terre rare selon les applications et la puissance recherchée de la machine 10. En 30 variante, les aimants permanents 30 peuvent être de nuance différente pour réduire les coûts. 8 Avantageusement, comme on peut le voir sur la figure 1b, le rotor 11 comporte dans le plan orthogonal à l'axe de rotation du rotor, un secteur angulaire S s'étendant entre deux axes X3 de deux pôles PM adjacents. Un axe X3 d'un pôle magnétique PM sépare ledit pôle PM en deux parties 5 identiques. Ce secteur S comporte: - deux zones A de retrait de matière ferromagnétique s'étendant chacune entre un axe X3 d'un pôle PM et un logement 28 d'aimant adjacent, - une zone B de retrait de matière ferromagnétique disposée entre les deux logements 28, et 10 entre une droite K de séparation de zone passant par le petit côté des aimants de chaque logement 28, le petit côté étant celui disposé le plus près de l'axe de rotation X, et une périphérie externe du corps de rotor, et - une zone C de retrait de matière ferromagnétique disposée entre une périphérie interne du rotor et la droite K de séparation de zone. 15 Une zone de retrait de matière ferromagnétique A, B, C consiste en au moins un évidement 32 pratiqué dans au moins une tôle du paquet de tôles du rotor 11, notamment chaque tôle. Un évidement 32 pourra être réalisé suivant une ou plusieurs formes régulières, de type cercle, polygone, ellipse, ou suivant un motif quelconque. Les formes, les positions, et les tailles des zones Z1 et 20 Z2 sont déterminées de façon à obtenir une réduction significative de l'inertie du rotor 11 sans dégrader les performances de la machine électrique 10. Les zones de retrait de matière ferromagnétique A, B, C sont définies à partir des dimensions indiquées ci-après. Les longueurs Dri et Dre correspondent respectivement au diamètre interne 25 et au diamètre externe du rotor 11 (cf. figure 8). La longueur Hap est la longueur d'un plus grand côté d'un aimant permanent 30 dans un plan perpendiculaire à l'axe X de rotation du rotor 11, tel que montré sur la figure 2. La longueur Wap est la longueur d'un plus petit côté d'un aimant permanent 30 dans un plan perpendiculaire à l'axe X 30 de rotation du rotor 11. Comme on peut le voir sur la figure 2, les zones A de retrait de matière ferromagnétique d'un même secteur S sont définies par les longueurs L1, L2, 9 et L3. Les deux zones A pourraient ne pas être identiques l'une par rapport à l'autre. La longueur L1 correspond à la distance minimale entre un bord d'une zone A de retrait de matière ferromagnétique et une périphérie externe du rotor 11. 5 La longueur L2 correspond à la distance minimale entre un bord d'une zone A de retrait de matière ferromagnétique et un bord d'un logement 28 d'un aimant permanent 30. La longueur L3 correspond à la distance minimale entre un bord d'une zone A de retrait de matière ferromagnétique et l'axe X3 de pôle PM ro le plus proche. La figure 3a est une représentation graphique du couple T en fonction de la distance U. Il en ressort que, la distance L1 est comprise entre 0.2mm correspondant à la largeur de coupe minimale et 3mm pour lequel il n'existe pas de variation sensible du couple, soit 0.2mmsL13mm. 15 Les longueurs L2 et L3 sont liées étroitement aux dimensions d'un aimant 30, dans la mesure où elles influencent la quantité de flux traversant le stator 12. Comme cela est illustré par la figure 3b, on considère qu'un ratio (L2+L3)/hap optimum doit être compris entre 0.1 afin de garantir un couple T supérieur à un couple minimal Tmin et 0.4 dans la mesure où une valeur 20 supérieure ne permet pas d'augmenter le couple, soit 0.1 (L2+L3)/hap =2*B1 et B3>=B1/2. 15 Dans l'exemple de réalisation représenté B1=B1' et B3=B3' mais cela n'est pas indispensable. 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. 20 En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant un rotor (11) et un stator (12), caractérisée en ce que ledit rotor (11) comprend: - un corps de rotor (27) en matière ferromagnétique comportant un paquet de tôles, et - des pôles magnétiques (PM) définis chacun par des aimants permanents (30) disposés à l'intérieur de deux uniques logements (28) par pôle magnétique (PM) présentant, dans un plan orthogonal à un axe (X) de ui rotation du rotor (11), une forme en V, - et en ce que, dans le plan orthogonal à l'axe (X) de rotation du rotor (11), un secteur angulaire (S) s'étendant entre deux axes (X3) de deux pôles magnétiques (PM) adjacents comporte: - deux premières zones (A) de retrait de matière ferromagnétique 15 s'étendant chacune entre un axe (X3) d'un pôle magnétique (PM) et un logement (28) d'un aimant permanent (30) adjacent, - une deuxième zone (B) de retrait de matière ferromagnétique disposée entre les deux logements (28) et 20 entre une droite (K) de séparation de zone passant par le petit côté des aimants de chaque logement (28), le petit côté étant celui disposé le plus près de l'axe (X) de rotation du rotor (11), et une périphérie externe du rotor (11), et - une troisième zone (C) de retrait de matière ferromagnétique 25 disposée entre une périphérie interne du rotor (11) et la droite (K) de séparation de zone. 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une distance minimale (1_1) entre un bord d'une première zone (A) de retrait de matière ferromagnétique et une périphérie externe du rotor (11) 30 est comprise entre 0.2mm et 3mm. 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un ratio entre: - la somme d'une distance minimale (L2) entre un bord d'une première 13 zone (A) de retrait de matière ferromagnétique et un bord d'un logement (28) d'un aimant permanent (30) et une distance minimale (L3) entre un bord d'une première zone (A) de retrait de matière ferromagnétique et un axe (X3) de pôle magnétique (PM) le plus proche, 5 - divisée par une longueur (Hap) d'un plus grand côté d'un aimant permanent (30) dans un plan perpendiculaire à l'axe (X) de rotation du rotor, - est compris entre 0.1 et 0.4. 4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que dans la deuxième zone (B) de retrait de matière ferromagnétique, un ratio entre - une somme de longueurs minimales (Dt) de portions de matériau ferromagnétique depuis une périphérie externe du rotor (11) jusqu'à la droite (K) de séparation de zone, - divisée par une longueur (Hap) d'un plus grand côté d'un aimant permanent (30) dans un plan perpendiculaire à l'axe (X) de rotation du rotor (11) est compris entre 0.3 et 0.9. 5. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'un ratio entre une distance minimale (VV1) entre un bord de la deuxième zone (B) de retrait de matière ferromagnétique et un bord d'un logement (28) d'un aimant permanent (30) le plus proche divisé par une longueur (Wap) d'un plus petit côté d'un aimant permanent (30) dans un plan perpendiculaire à l'axe (X) de rotation du rotor (11) est compris entre 0.4 et 1. 6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'une somme entre: - un rapport entre le diamètre externe (Dre) du rotor (11) divisé par deux fois la plus petite distance (B1) entre un bord de la troisième zone (C) de retrait de matière ferromagnétique et un axe (X3) de pôle magnétique (PM) le plus proche et - une valeur égale à 1.2 fois le diamètre externe (Dre) du rotor (11), - est comprise entre 155 et 210. 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'une somme entre: 14 - un ratio entre un nombre de paires de pôles (p) divisé par deux fois la plus petite distance (B1) entre un bord de la troisième zone (C) de retrait de matière ferromagnétique et un axe (X3) de pôle magnétique (PM) le plus proche et - une valeur égale à 0.23 le nombre de paires de pôles (p), - est comprise entre 1.5 et 4.5. 8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'une plus petite distance (B2) entre un bord de la troisième zone (C) de retrait de matière ferromagnétique lo et une périphérie interne du rotor (11) est supérieure ou égale à deux fois une plus petite distance (B1) entre un bord de la troisième zone (C) de retrait de matière ferromagnétique et un axe (X3) d'un pôle magnétique (PM) le plus proche. 9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'une plus petite distance (B3) entre un bord de la troisième zone (C) de retrait de matière ferromagnétique et un bord de logement (28) d'un aimant permanent (30) le plus proche est supérieure ou égale à la moitié de la plus petite distance (B1) entre un bord de la troisième zone (C) de retrait de matière ferromagnétique et un axe (X3) 20 d'un pôle magnétique (PM) le plus proche. 10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle présente une configuration à flux radial. 11. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le stator (12) comporte des enroulements couplés en triangle ou en double triangle ou en étoile ou en double étoile. 12. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte un nombre de 30 pôles magnétiques (PM) sélectionné parmi 4, 6, 8, 10, 12, 14 ou 16. 13. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle présente une tension de fonctionnement comprise entre 24 et 60 Volts continue. 14. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle présente une puissance 5 comprise entre 10kVV et 50kW. 15. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'un diamètre externe du stator (12) est compris entre 80mm et 180mm. UI