Brevet FR3123165A1 — publié le 20221125

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À AIMANTS SURFACIQUES La machine électrique tournante comprenant un stator (1c) et un rotor (2c), le rotor comprenant des pôles magnétiques formés d’aimants permanents surfaciques (21c) qui sont fixés sur un arbre (20c) du rotor. Conformément à l’invention, la machine comprend une couche de jonction frittée entre chacun des aimants permanents surfaciques et l’arbre, chaque couche de jonction frittée assurant une liaison mécanique permanente entre un aimant permanent surfacique et l’arbre et étant obtenue par une technique de frittage. Fig.4 MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À AIMANTS SURFACIQUES L’invention concerne de manière générale le domaine des machines électriques tournantes. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à une machine électrique tournante à aimants surfaciques perfectionnée, offrant une vitesse de rotation élevée. L’invention trouve une application particulièrement intéressante pour les machines électriques tournantes à aimants surfaciques de type synchrone. Les machines électriques tournantes synchrones à aimants surfaciques ont de nombreuses applications, aussi bien en mode moteur qu’en mode générateur. Ainsi, par exemple, ces machines électriques tournantes sont fréquemment intégrées dans les broches d’usinage, les compresseurs centrifuges, les turbogénérateurs et autres. Dans l’état de l’art, l’utilisation d’une machine électrique tournante synchrone à aimants surfaciques est souvent un choix technologique pertinent lorsqu’est requis à la fois une haute vitesse de rotation et une puissance massique élevée. La vitesse de rotation élevée de cette machine électrique tournante la rend apte pour un entrainement direct, sans avoir recours à un multiplicateur de vitesse mécanique. Les Figs.1 et 2 montrent deux typologies de rotor connues, désignées ici M1 et M2, dans des machines électriques tournantes à aimants surfaciques. Les rotors de topologie M1 et M2 comprennent respectivement des aimants permanents surfaciques de type tuile et de type calotte. En référence à la , la machine électrique tournante comprend un stator 1a et un rotor 2a. Le stator 1a est réalisé classiquement par un empilement de tôles magnétiques et comprend un bobinage polyphasé 10a. Le rotor 2a comprend un arbre en acier magnétique 20a, une pluralité d’aimants permanents 21a de type tuile et une frette 22a. Les aimants 21a forment les pôles magnétiques du rotor 2a. La frette 22a est montée à force sur les aimants 21a et plaque ceux-ci contre l’arbre 20a. Les aimants 21a sont ainsi maintenus fermement en place lors de la rotation du rotor 2a. La force de pression exercée par la frette 22a doit garantir le plaquage des aimants 21a sur l’arbre 20a dans toutes les conditions de vitesses de rotation et de dilatations des pièces formant le rotor 2a. En mode générateur, le flux des aimants 21a traverse la frette 22a et un entrefer 4a entre le rotor 2a et le stator 1a. Dans le stator 1a, les tôles magnétiques canalisent les lignes de champ magnétiques dans le bobinage polyphasé 10a. Une force électromotrice est induite dans le bobinage polyphasé 10a et permet la fourniture d’une puissance électrique par la machine électrique tournante. Dans le mode moteur, le bobinage polyphasé 10a est alimenté par un courant statorique alternatif Is qui est synchronisé avec la rotation du rotor 2a. Le rotor 2a subit alors un couple mécanique C régi par la formule générale C=q.p.Ff.Iq, dans laquelle q est le nombre de phases du bobinage statorique, p est le nombre de pole de la machine électrique tournante, Ff est le flux magnétique à vide fourni par les aimants du rotor et Iq est le courant sinusoïdal en quadrature ici avec l’axe D colinéaire avec le flux magnétique des aimants, avec ici Iq=Is. Grace à l’amélioration des aimants permanents et à l’utilisation de composites en fibre de carbone, la puissance massique qui peut être fournie la machine avec la typologie de rotor M1 à considérablement augmentée ces dernières années. Ainsi, par exemple, avec des aimants permanents aux terres rares de « grade 50 » et des fibres de carbone ayant une limite élastique de l’ordre de 2500 Mpa pour la frette, une puissance massique optimale a pu être obtenue pour une vitesse de rotation périphérique de 200m.s-1. Cependant, avec cette typologie de rotor M1, la puissance massique diminue avec l’augmentation de la vitesse de rotation nominale requise, car les contraintes liées à la tenue mécanique imposent une limitation des performances magnétiques. Ainsi, il est fréquent avec cette typologie de rotor M1 de devoir réduire la taille des aimants et d’augmenter l’épaisseur de la frette pour obtenir la vitesse de rotation nominale voulue. La topologie de rotor M2 montrée à la offre un léger gain de performance par rapport à la topologie M1. Le rotor 2b comprend des aimants de type calotte 21b qui sont maintenus en position par une frette 22b. Cette topologie M1 introduit une saillance magnétique 23b dans le rotor 2b. Le couple mécanique C dans la machine avec la topologie de rotor M2 est régi par la formule générale C=q.p.Ff.Iq+q.p.(Ld-Lq).Id.Iq, dans laquelle q.p.(Ld-Lq).Id.Iq est appelé le couple réluctant, q est le nombre de phases du bobinage statorique, p est le nombre de pôles de la machine électrique tournante, Ff est le flux magnétique à vide fourni par les aimants du rotor, Ld est l’inductance directe, Lq est l’inductance quadratique et Id est la valeur du courant sinusoïdal en phase avec l’axe D colinéaire avec le flux magnétique des aimants, avec le courant statorique Is=(Id2+Iq2)1/2. L’inductance d’entrefer est maximisée quand la perméabilité magnétique est maximisée. L’air situé dans l’entrefer, la frette en matériau composite et les aimants ont une faible perméabilité magnétique, avec une perméabilité relative proche de 1, alors que l’acier constituant l’arbre du rotor et les tôles magnétiques du stator ont une perméabilité relative bien supérieure comprise entre 1000 et 10000. Afin de maximiser le couple réluctant procuré par l’écart des inductances Ld et Lq, il convient de diminuer la distance magnétique interpolaire sur l’axe quadratique Q. Avec la topologie de rotor M2 incluant des aimants 21b de type calotte, il est obtenu un rapport de saillance magnétique Lq/Ld >1, ce qui permet d’obtenir un gain de performance par rapport à la topologie M1. Cependant, lorsqu’une grande vitesse de rotation est requise, l’épaisseur de la frette 22b peut devenir importante, ce qui limite le rapport de saillance magnétique Lq/Ld et, consécutivement, le gain de performance procuré par la topologie M2. A titre illustratif, la montre des courbes de performance C1 et C2, en mode générateur, donnant la puissance P en fonction du courant I, respectivement pour des machines de topologie M1 et M2 ayant des masses et des vitesses de rotation identiques. Dans l’état actuel de la technique, pour pouvoir répondre aux besoins de certaines applications avec des machines de typologie M2 offrant les meilleures performances, il est nécessaire de faire tourner ces machines au-delà de leur vitesse de rotation optimale. Cela est obtenu en réduisant la masse des aimants portés par le rotor afin de permettre un fonctionnement à vitesse plus élevée et il en résulte une dégradation des performances de ces machines. Ainsi, par exemple, dans les applications de compresseur centrifuge et de turbogénérateur, il existe un écart de l’ordre de 30% entre la vitesse de rotation optimale de la machine électrique tournante et la vitesse de rotation requise pour faire fonctionner les organes aérauliques de ces dispositifs à leur point de fonctionnement optimal. Il est donc souhaitable de proposer un machine électrique tournante à aimants surfaciques ne présentant pas les inconvénients susmentionnés de la technique antérieure. Selon un premier aspect, l’invention concerne une machine électrique tournante comprenant un stator et un rotor, le rotor comprenant des pôles magnétiques formés d’aimants permanents surfaciques qui sont fixés sur un arbre du rotor. Conformément à l’invention, la machine comprend une couche de jonction frittée entre chacun des aimants permanents surfaciques et l’arbre, chaque couche de jonction frittée assurant une liaison mécanique permanente entre un aimant permanent surfacique et l’arbre et étant obtenue par une technique de frittage. Selon une caractéristique particulière, le rotor comprend également des saillances magnétiques rapportées agencées entre les pôles magnétiques et une autre couche de jonction frittée entre chacune des saillances magnétiques rapportées et l’arbre, chaque autre couche de jonction frittée assurant une liaison mécanique permanente entre une saillance magnétique rapportée et l’arbre et étant obtenue par une technique de frittage. Selon une autre caractéristique particulière, le rotor comprend également des saillances magnétiques agencées entre les pôles magnétiques, ces saillances magnétiques étant venues de matière avec l’arbre. Selon encore une autre caractéristique particulière, les saillances magnétiques comprennent des stries. Selon encore une autre caractéristique particulière, les aimants permanents surfaciques comprennent des stries en surface du côté d’un entrefer entre le rotor et le stator. Selon encore une autre caractéristique particulière, les aimants permanents surfaciques comprennent des stries en surface du côté des couches de jonction frittées. Selon encore une autre caractéristique particulière, les aimants permanents surfaciques sont formés chacun d’un ensemble stratifié de segments d’aimants élémentaires fixés entre eux par une colle isolante. Selon encore une autre caractéristique particulière, les aimants permanents surfaciques sont de type calotte. Selon encore une autre caractéristique particulière, chaque pôle magnétique est formé d’au moins deux dits aimants permanents surfaciques juxtaposés. D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La est une vue en coupe transversale d’une machine électrique tournante à aimants surfaciques de type tuile selon la technique antérieure. La est une vue en coupe transversale du rotor d’une machine électrique tournante à aimants surfaciques de type calotte selon la technique antérieure. La montre trois courbes de performance illustratives pour trois machines électriques tournantes à aimants surfaciques ayant des masses identiques, à savoir, pour les deux machines de la technique antérieure des Figs.1 et 2, et pour une machine selon la présente l’invention. La est une vue en coupe transversale d’une première forme de réalisation particulière d’une machine électrique tournante à aimants surfaciques selon l’invention, ayant des saillances magnétiques assemblées par frittage. La montre une coupe transversale et deux coupes longitudinales partielles du rotor d’une autre forme de réalisation particulière, avec des variantes, d’une machine électrique tournante à aimants surfaciques selon l’invention, ayant des saillances magnétiques venues de matière avec l’arbre du rotor. La est une vue en coupe transversale du rotor d’encore une autre forme de réalisation particulière d’une machine électrique tournante à aimants surfaciques selon l’invention, ayant des pôles magnétiques formés chacun de deux aimants juxtaposés. En référence à la , il est décrit ci-dessus une première forme de réalisation particulière de la machine électrique tournante selon l’invention. Dans cette machine, le rotor 2c a une première topologie, désignée MI1, avec des aimants et des saillances magnétiques qui sont tous des pièces rapportées. La machine de la comprend le rotor 2c susmentionné et un stator 1c formé d’un empilement de tôles magnétiques. Un bobinage polyphasé 10c est logé dans des encoches 11c du stator 1c. Le rotor 2c comprend essentiellement un arbre magnétique 20c, quatre aimants permanents 21c aux terres rares et quatre saillances magnétiques 22c intercalées entre les aimants 21c. Les aimants 21c sont ici de type calotte et les saillances 22c sont formées chacune d’un bloc magnétique. Conformément à l’invention, il est fait appel à une technique de frittage à basse température pour la fixation mécanique permanente des pièces rapportées sur l’arbre du rotor. Des couches de jonction frittées sont formées et assurent cette fixation mécanique permanente. Dans cette première forme de réalisation particulière de la machine selon l’invention, les aimants 21c et les saillances 22c sont fixés solidairement sur l’arbre 20c par frittage à basse température. Des méplats 23c et 24c sont aménagés dans l’arbre 20c pour la fixation des aimants 21c et des saillances 22c, respectivement. Ainsi, comme indiqué plus haut, des couches de jonction frittées, repérées 3c, sont formées entre les aimants 21c et l’arbre 20c, plus précisément, les méplats 23c de l’arbre 20c, et assurent la liaison mécanique permanente susmentionnée. Des couches de jonction frittées, repérées 4c, sont formées entre les saillances 22c et l’arbre 20c, plus précisément, les méplats 24c de l’arbre 20c, et assurent la liaison mécanique permanente susmentionnée. La fixation par frittage à basse température des aimants 21c et des saillances 22c sur les méplats 23c et 24c comporte essentiellement quatre étapes, à savoir, une étape de traitement de surface, une étape de dépôt d’un matériau de frittage intercalaire et une étape d’assemblage par application d’une forte pression à basse température. Le traitement de surface est réalisé sur toutes les faces d’assemblage des aimants 21c, des saillances 22c et des méplats 23c, 24c. Ce traitement de surface est de type argenture, dorure ou cuivrage et est réalisé typiquement par une technique électrolytique. Le matériau de frittage intercalaire est à base de poudre d’argent, typiquement une poudre nanométrique, et est déposé entre les faces d’assemblage des aimants 21c / méplats 23c et des saillances 22c / méplats 24c. Pour l’opération d’assemblage par pression, la température appliquée est de l’ordre de 200°C. La diffusion moléculaire de l’argent de la poudre nanométrique dans les jonctions « aimants 21c / méplats 23c » et « saillances 22c / méplats 24c » permet d’obtenir les liaisons mécaniques par frittage entre les aimants 21c, les saillances 22c et l’arbre 20c. Typiquement, une jonction par frittage a une température de fusion et une tenue à l’arrachement qui sont supérieures respectivement à 900°C et à 80 Mpa. Il en résulte une liaison mécanique extrêmement robuste entre les aimants, les saillances et l’arbre qui procure à la machine une capacité de rotation à haute vitesse, supérieure à celle des machines de la technique antérieure et cela sans nécessité de frette. La température de l’ordre de 200°C appliquée pendant le frittage est acceptable pour les aimants aux terres rares, au regard de leur température de démagnétisation. Les aimants conservent ainsi toutes leurs caractéristiques magnétiques, contrairement par exemple à un assemblage par brasage fort à 900°C qui altèrerait les aimants. Dans la machine de l’invention, la suppression de la frette permet d’augmenter drastiquement le flux magnétique produit par les aimants et augmente de façon considérable le rapport de saillance magnétique Lq/Ld de la machine. Il en résulte un gain de performance appréciable, de l’ordre de 20%, comparativement aux machines de la technique antérieure. A titre illustratif, la montre une courbe de performance C3 obtenue, en mode générateur, avec la machine selon l’invention décrite ci-dessus, à comparer aux courbes C1 et C2 des machines de la technique antérieure décrites plus haut, les trois courbes étant obtenues avec des machines de même masse et à une même vitesse de rotation. Dans la présente invention, le matériau choisi pour la réalisation des saillances 22C est une nuance de poudre magnétique agglomérée par frittage. Ainsi, par exemple, il pourra être utilisé la poudre magnétique de marque Somalloy700® commercialisée par la société Hoganas®. Les propriétés magnétiques de ce matériau permettent de maximiser la perméance dans l’axe Q. Dans une machine selon l’invention, l’entrefer est faible, ce qui expose la machine à des courants de Foucault susceptibles de provoquer des pertes et des échauffements préjudiciables. La jonction entre les aimants et saillances et l’arbre du rotor par un matériau fritté est une solution avantageuse. En effet, le matériau fritté a une résistivité électrique élevée, ce qui permet de limiter l’effet des courants de Foucault. En référence plus particulièrement à la , il est maintenant décrit ci-dessous une deuxième forme de réalisation particulière, et des variantes, de la machine électrique tournante selon l’invention. Le rotor 2d de la machine a ici une deuxième topologie, désignée MI2, avec des aimants à calotte et des saillances magnétiques venues de matière avec l’arbre du rotor. Dans cette machine, le rotor 2d comprend quatre aimants 21d qui sont fixés solidairement sur son arbre 20d, plus précisément sur quatre méplats 23d de celui-ci. Comme dans la machine de la , les aimants 21d sont fixés sur les méplats 23d par frittage à basse température. Quatre saillances magnétiques 22d, agencées entre les aimants 21d, sont obtenues venues de matière avec l’arbre 20d. Dans cette machine, les pertes par courants de Foucault liées au faible entrefer de celle-ci peuvent être réduites drastiquement par différents agencements de stries réalisés dans les matériaux de façon à accroître artificiellement la résistivité électrique. Ainsi, des stries longitudinales 25d et/ou des stries orthoradiales 26d, visibles dans la coupe longitudinale A-A de la , peuvent être réalisées en surface dans les saillances magnétiques 22d, du côté de l’entrefer, typiquement par électroérosion ou par usinage. De plus, des stries orthoradiales 27d, visibles dans la coupe longitudinale B-B(a) de la , peuvent aussi être réalisées en surface dans les aimants 21d, du côté de l’entrefer, typiquement par électroérosion. L’ensemble de ces stries 25d, 26d et 27d ont pour fonction de réduire les pertes par courants de Foucault. Comme visible dans la coupe longitudinale B-B(a) de la , d’autres stries 28d peuvent être prévues dans les aimants 21d, notamment lorsque ceux-ci sont des aimants au néodyme (NdFeB). Les stries 28d sont réalisées en surface sur les faces d’assemblage des aimants 21d avec l’arbre 20d, du côté donc de la couche de jonction frittée, et ont pour fonction de minimiser l’effet de contraintes de cisaillement dans la couche de jonction frittée. Ces contraintes de cisaillement peuvent apparaître du fait d’une température non homogène du rotor, ou du fait de coefficients de dilatations différents, et sont susceptibles de provoquer des fissures dans la couche de jonction frittée. De même que les stries 27d, les stries 28d sont réalisées typiquement par électroérosion. En variante, comme montré à la , dans la coupe B-B(b), les aimants 21d pourront être formés chacun d’un ensemble stratifié de segments d’aimants élémentaires 210d qui sont fixés entre eux par une colle isolante. Une telle structure procure aux aimants 21d une résistivité électrique accrue qui s’opposent aux effets des courants de Foucault. De plus, comme visible dans l’agrandissement de la coupe B-B(b), par un amincissement en bout des segments 210d du côté de la face d’assemblage avec l’arbre 20d, il est possible d’obtenir des stries 28d’ procurant les mêmes bénéfices que les stries 28d susmentionnées. En référence à la , une autre forme de réalisation particulière de la machine électrique tournante selon l’invention comprend un rotor 2e ayant une troisième topologie, désignée MI3, dans laquelle les saillances magnétiques sont venues de matière avec l’arbre du rotor, comme dans la topologie MI2, et les pôles magnétiques sont formés chacun d’au moins deux aimants juxtaposés. Dans le rotor 2e de cette forme de réalisation, au lieu de former les pôles magnétiques chacun avec un seul aimant monobloc, comme les aimants à calottes 21c, 21d, dans les typologies MI1, MI2, le pôle magnétique est formé ici avec au moins deux aimants juxtaposés 21Ae et 21Be se prolongeant selon l’axe longitudinal de la machine. Les aimants juxtaposés 21Ae, 21Be, sont fixés solidairement par frittage sur des méplats 23Ae, 23Be, correspondants de l’arbre 20e du rotor 2e. Les aimants 21Ae et 21Be ont ici une épaisseur moyenne inférieure à celle des aimants à calottes 21c, 21d, tout en conservant pour chaque pôle magnétique une surface totale de couche de jonction frittée sensiblement identique. Dans cette typologie MI3, l’agencement des aimants décrit procure une réduction des contraintes mécaniques dans les couches de jonction frittée et, consécutivement, autorise une augmentation de la vitesse de rotation de la machine. L’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention. Machine électrique tournante comprenant un stator (1c) et un rotor (2c ; 2d ;2e), ledit rotor (2c ; 2d ;2e) comprenant des pôles magnétiques formés d’aimants permanents surfaciques (21c ; 21d ; 21Ae, 21Be) qui sont fixés sur un arbre (20c ; 20d ;20e) dudit rotor (2c ; 2d ;2e), caractérisée en ce qu’elle comprend une couche de jonction frittée (3c) entre chacun desdits aimants permanents surfaciques (21c ; 21d ; 21Ae, 21Be) et ledit arbre (20c ; 20d ;20e), chaque dite couche de jonction frittée (3c) assurant une liaison mécanique permanente entre un dit aimant permanent surfacique (21c ; 21d ; 21Ae, 21Be) et ledit arbre (20c ; 20d ;20e) et étant obtenue par une technique de frittage. Machine selon revendication 1, caractérisée en ce que ledit rotor (2c) comprend également des saillances magnétiques rapportées (22c) agencées entre lesdits pôles magnétiques (21c) et une autre couche de jonction frittée (4c) entre chacune desdites saillances magnétiques rapportées (22c) et ledit arbre (20c), chaque dite autre couche de jonction frittée (4c) assurant une liaison mécanique permanente entre une dite saillance magnétique rapportée (22c) et ledit arbre (20c) et étant obtenue par une technique de frittage. Machine selon revendication 1, caractérisée en ce que ledit rotor (2d) comprend également des saillances magnétiques (22d) agencées entre lesdits pôles magnétiques (21d), lesdites saillances magnétiques (22d) étant venues de matière avec ledit arbre (20d). Machine selon revendication 3, caractérisée en ce que lesdites saillances magnétiques (22d) comprennent des stries (25d, 26d) en surface. Machine selon l’une quelconque des revendications 1, à 4, caractérisée en ce que lesdits aimants permanents surfaciques (21d) comprennent des stries (27d) en surface du côté d’un entrefer entre lesdits rotor et stator. Machine selon l’une quelconque des revendications 1, à 5, caractérisée en ce que lesdits aimants permanents surfaciques (21d) comprennent des stries (28d ; 28d’) en surface du côté desdites couches de jonction frittées. Machine selon l’une quelconque des revendications 1, à 6, caractérisée en ce que lesdits aimants permanents surfaciques (21d) sont formés chacun d’un ensemble stratifié de segments d’aimants élémentaires (210d) fixés entre eux par une colle isolante. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdits aimants permanents surfaciques (21c ; 21d) sont de type calotte. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque dit pôle magnétique est formé d’au moins deux dits aimants permanents surfaciques juxtaposés (21Ae ; 21Be). Machine électrique tournante de type synchrone selon l’une quelconque des revendication 1 à 9.