Brevet FR3120999A1 — publié le 20220923

L’invention concerne un rotor (1) de machine électrique tournante monté rotatif autour un axe de rotation (X-X’) et comprenant : deux roues polaires (8a, 8b) comportant chacune un flasque (18) et des griffes (9a, 9b) dirigées axialement en direction du flasque (18) de l’autre roue polaire (8a, 8b), un bobinage d’excitation (10) comprenant une pluralité de spires (11) monté sur un noyau cylindrique (34) et muni d’un isolant (20), ledit rotor (1) présentant des premiers et seconds évidements (13, 14) de manière à laisser apparaitre axialement au moins une spire (11) du bobinage d’excitation (10). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Rotor de machine électrique tournante La présente invention porte sur un rotor de machine électrique tournante, notamment pour un alternateur ou un alterno-démarreur. L'invention trouve des applications particulièrement avantageuses mais non exclusives dans le domaine des machines électriques tournantes pour véhicule hybride, notamment automobiles et, en particulier, dans le domaine des machines électriques réversibles de forte puissance pouvant fonctionner en mode alternateur et en mode moteur accouplées avec une boîte de vitesses. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et 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. Dans certains types de chaînes de traction de véhicule automobile, une machine électrique tournante réversible de forte puissance est accouplée à la boîte de vitesses du véhicule ou à un train du véhicule automobile. La machine électrique est alors apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l’énergie à la batterie et/ou au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. Le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d’encoches ouvertes vers l’intérieur pour recevoir les enroulements de phase. Ces enroulements traversent les encoches du corps du stator et forment des chignons faisant saillie de part et d’autre du corps du stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d’un fil continu recouvert d’émail ou à partir d’éléments conducteurs en forme d’épingles reliées entre elles par soudage. Par ailleurs, le rotor comporte deux roues polaires comportant chacune un flasque et à sa périphérie externe des griffes dirigées axialement en direction du flasque de l’autre roue polaire. Les griffes des roues polaires sont imbriquées les unes par rapport aux autres. Un noyau est intercalé axialement entre les flasques des roues polaires. Ce noyau porte à sa périphérie externe un bobinage d’excitation comprenant une pluralité de spires formé autour d’un isolant intercalé radialement entre le noyau et le bobinage. Des ensembles de ce type sont connus de l’art antérieur et sont très largement utilisés dans les alternateurs de véhicules automobiles. Un objectif constant dans ce domaine est de diminuer la température du rotor lors de son fonctionnement. L'invention vise ainsi à proposer un rotor de machine électrique tournante avec un refroidissement amélioré. La présente invention vise à perfectionner le dispositif existant en proposant un rotor de machine électrique tournante, notamment pour un alternateur ou un alterno-démarreur de véhicule automobile, monté rotatif autour un axe de rotation et comprenant : deux roues polaires comportant chacune un flasque et des griffes dirigées axialement en direction du flasque de l’autre roue polaire, un bobinage d’excitation comprenant une pluralité de spires monté sur un noyau cylindrique et muni d’un isolant, dans lequel ledit rotor présente des premiers et seconds évidements de manière à laisser apparaitre axialement au moins une spire, de préférence au moins deux, du bobinage d’excitation. Grace à cette architecture, un flux axial d’air en direction du bobinage d’excitation permet de diminuer la température du rotor sans modifier l’entrefer rotor/stator en comparaison avec un rotor de l’art antérieur dans lequel les évidements ne permettent pas de laisser apparaitre axialement au moins une spire du bobinage. En d’autres termes, le rotor présente au moins un espace vide de toute pièce entre au moins une spire du bobinage et une face d'extrémité axiale de la roue polaire faisant face à cette spire. Dans la description et les revendications, on utilisera les termes "externe" et "interne" ainsi que les orientations "axiale" et "radiale" pour désigner, selon les définitions données dans la description, des éléments du rotor, du stator et/ou de la machine électrique. Par convention, l'orientation "radiale" est dirigée orthogonalement à l’orientation axiale. L’orientation axiale se rapporte, suivant le contexte, à l’axe de rotation du rotor, du stator et/ou de la machine électrique. L'orientation "circonférentielle" est dirigée orthogonalement à la direction axiale et orthogonalement à la direction radiale. Les termes "externe, extérieur" et "interne, intérieur" sont utilisés pour définir la position relative d'un élément par rapport à un autre, par rapport à l’axe de référence, un élément proche de l'axe est ainsi qualifié d'interne par opposition à un élément externe situé radialement en périphérie. De préférence, les évidements laissent apparaitre axialement entre deux et six spires du bobinage d’excitation. De manière encore plus préférée, les évidements laissent apparaitre axialement entre deux et quatre spires du bobinage d’excitation. Selon un aspect de l’invention, les premiers évidements sont formés sur au moins une roue polaire. Ainsi, les premiers évidements peuvent être formés sur la roue polaire avant, la roue polaire arrière ou les deux roues polaires. Selon un aspect de l’invention, les seconds évidements sont formés sur l’isolant du bobinage d’excitation. Selon un aspect de l’invention, les griffes d’une même roue polaire sont solidaires du flasque par des bases respectives faisant saillie radialement du flasque et mutuellement séparées par des espaces inter-griffes de diamètre intérieur (Øig). Les espaces inter-griffes forment les premiers évidements. Les griffes présentent des faces radialement extérieures qui s’inscrivent dans un cylindre coaxial à l’axe de rotation du rotor et définissent le diamètre extérieur du rotor (Øod) et des faces radialement intérieures dont les pentes forment avec les bases respectives des points d’intersection s’inscrivant dans un cylindre coaxial à l’axe de rotation et définissant le diamètre intérieur des griffes (ØDibg). Selon un aspect de l’invention, le rotor présente un ratio R défini par la relation suivante : R = 1 – [(ØDibg - Øig) / (ØDibg)], inférieur à 90%, de préférence 88%. De préférence, le ratio R est inférieur à 90%, de préférence 88% et supérieur ou égale à 85%. Selon un aspect de l’invention, l’espace inter-griffes présente une première et une deuxième surface de forme globalement triangulaire dont : la base est tangente au cylindre coaxial à l’axe de rotation définissant le diamètre extérieur du rotor pour la première surface et tangente au cylindre coaxial à l’axe de rotation définissant le diamètre intérieur des griffes pour la deuxième surface, les côtés sont définis par deux griffes successives d’une même roue polaire, en particulier par deux faces latérales en vis-à-vis l’une de l’autre de deux griffes, et le sommet est défini par la tangente au cylindre coaxial à l’axe de rotation définissant le diamètre intérieur Øig, dans lequel le rapport entre la deuxième et la première surface est supérieur à 15%, de préférence supérieur à 17%. Selon un aspect de l’invention, le rotor comprend 8 paires de pôles. En variante, le rotor peut comprendre 6 ou 7 paires de pôles. L’invention a également pour objet une machine électrique tournante équipée d’un rotor tel que décrit précédemment. Selon un aspect de l’invention, la machine électrique tournante consiste en un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou un moteur électrique. 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. représente une vue en perspective d’un rotor selon la présente invention. représente une vue de face du rotor selon la présente invention illustrant les premiers et seconds évidements laissant apparaitre axialement au moins une spire du bobinage d’excitation. représente une vue en coupe longitudinale du rotor de la . représente une vue de face d’une roue polaire du rotor selon la présente invention illustrant le diamètre intérieur de l’espace inter-griffes (Øig), le diamètre extérieur du rotor (Øod) et le diamètre intérieur des griffes (ØDibg). représente une vue en coupe longitudinale partielle de la roue polaire de la . représente les aires S1 et S2 sur une vue de face partielle de la roue polaire de la . Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. La représente un rotor 1 de machine électrique tournante pour un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou un moteur électrique monté rotatif autour un axe de rotation X-X’. Le rotor 1 est emmanché à force sur un arbre 2 s’étendant selon l’axe X-X’, et rendu solidaire de celui -ci en rotation autour de l’axe X-X’ par des cannelures portées par cet arbre 2, ces cannelures coopérant avec des rainures ménagées dans le rotor 1. Le rotor 1 est un rotor à griffes comportant deux roues polaires 8a, 8b. Chaque roue polaire 8a, 8b comprend comme on le voit sur la un demi-noyau cylindrique 34 qui porte à sa périphérie externe un bobinage d’excitation 10 comprenant une pluralité de spires 11. Ce bobinage 10 est isolé du noyau 34 par un isolant 20 interposé radialement entre ces éléments. L’isolant est en matière électriquement isolante, avantageusement en matière plastique. Chaque roue polaire 8a, 8b comprend également un flasque 18 en disque centré sur l’axe X-X’, et sensiblement perpendiculaire à cet axe et des griffes 9a, 9b dirigées axialement en direction du flasque 18 de l’autre roue polaire 8a, 8b. Le flasque est percé par un alésage central recevant l’arbre 2. Dans l’ensemble de la description et des revendications, on entend par « sensiblement radial » une direction formant un angle compris entre 80 et 100° par rapport à l’axe X-X’. Dans les exemples considérés, un noyau est constitué de demi-noyaux 34, chaque demi-noyau étant venu de matière avec une des deux roues polaires 8a, 8b. Le demi-noyau 34 présente un diamètre extérieur plus faible que le flasque 18 et s’étend à partir d’une grande face axiale de celui-ci tournée vers la roue polaire opposée. Quand les deux roues polaires 8a, 8b sont assemblées comme cela est visible sur la , les deux demi-noyaux 34 se placent axialement dans le prolongement l’un de l’autre. Le noyau est percé d’un alésage qui reçoit l’arbre 2. Dans une variante de réalisation, les deux demi-noyaux 34 peuvent être une seule pièce, et être indépendant des roues polaires 8a, 8b. Comme on le voit sur la , l’isolant 20 comprend un fond 31 enveloppant radialement le noyau 34 et interposé entre le bobinage 10 et le noyau 34, et deux couronnes 32 sensiblement perpendiculaires à l’axe X-X.’ Le fond 31 est lui-même cylindrique et coaxial à l’axe de rotation X-X’. Les couronnes 32 sont solidaires de deux extrémités axiales opposées du fond et font saillie radialement vers l’extérieur à partir de ces extrémités. Ces couronnes 32 sont interposées axialement de part et d’autre du bobinage d’excitation 10, entre celui-ci et les flasques 18 des deux roues polaires 8a, 8b. Chaque couronne 32 comprend des pétales (non visibles sur les figures) régulièrement espacés le long d’un bord radialement extérieur de cette couronne et rabattus axialement entre le bobinage 10 et les griffes 9a, 9b. Le rotor 1 présente des premiers et seconds évidements 13, 14 de manière à laisser apparaitre axialement au moins une spire 11 du bobinage d’excitation 10 comme on peut le voir en particulier sur la . Ainsi, lorsqu’on regarde axialement le rotor 1 de la présente invention selon l’axe X-X’, on aperçoit grâce à la présence des évidements 13, 14 au moins une spire 11 du bobinage 10. En d’autres termes, les roues polaires 8a, 8b ne s’étendent radialement pas à l’extérieur ou au-delà de toute la périphérie du bobinage 10. Le bobinage 10 possède donc au moins une partie d’une extrémité axiale n’étant pas en vis-à-vis ni d’une roule polaire 8a, 8b ou de l’isolant 20. Cette partie est donc composé des spires 11 du bobinage 10 que l’on peut voir axialement. Comme on peut le voir sur les figures 1 à 3, le rotor 1 présente au moins un espace vide de toute pièce entre au moins une spire 11 du bobinage 10 et une face d'extrémité axiale de la roue polaire 8a, 8b faisant face à cette spire. Par « évidements », on peut également entendre « ouvertures ». Ainsi, on pourrait par exemple avoir le cas où l’isolant 20, en particulier les couronnes 32, sont de type grillagés et s’étendent radialement au moins à la même hauteur que la spire 11 situé radialement à l’extérieur tout en laissant apparaitre axialement au moins une spire 11. Avantageusement, au moins une roue polaire 8a, 8b et l'isolant 20 sont conformés pour laisser apparaitre axialement au moins une spire 11. Avantageusement, la structure et/ou la forme d’au moins une roue polaire 8a, 8b et/ou de l'isolant 20 sont définies de façon à laisser apparaitre axialement au moins une spire 11. Dans les exemples considérés, les premiers évidements 13 sont formés sur au moins une roue polaire 8a, 8b. Les seconds évidements 14 sont formés sur l’isolant 20 du bobinage d’excitation 10, en particulier sur une couronne 32. Les griffes 9a, 9b, également appelées dents, présentent une forme trapézoïdale. Les griffes 9a, 9b d’une même roue polaire 8a, 8b sont solidaires du flasque 18 par des bases respectives 19 faisant saillie radialement à partir d’un bord externe du flasque 18 et s’étendent axialement à partir des bases 19. Les roues polaires 8a, 8b sont décalées angulairement l’une par rapport à l’autre de sorte que chaque griffe 9a, 9b d’une roue polaire 8a, 8b est intercalée entre deux griffes voisines de l’autre roue polaire 8a, 8b. Les griffes 8a, 8b sont ainsi imbriquées les unes par rapport aux autres. Les griffes 9a, 9b d’une même roue polaire sont mutuellement séparées par des espaces inter-griffes 15 de diamètre intérieur Øig. Le diamètre Øig sert également à définir la périphérie externe du flasque 18. Ainsi, comme cela est visible sur la , le diamètre Øig définit le diamètre intérieur de chaque espace inter-griffes 15 ainsi que le diamètre extérieur du flasque 18. En suivant la périphérie du flasque 18, on rencontre donc alternativement un espace inter-griffes 15 et une base 19. Les espaces inter-griffes 15 sont donc délimitées par deux griffes successives d’une roue polaire, en particulier les deux faces latérales en vis-à-vis l’une de l’autre de deux griffes successives 9a ou 9b appartenant respectivement à l’une et à l’autre roue polaire 8a, 8b. En d’autres termes et comme cela est visible en particulier sur les figures 2 et 4, chaque espace inter-griffe 15 est délimité par un fond arqué au niveau de la périphérie du flasque 18, par les deux cotés pleins latéraux des bases 19 encadrant l’espace 15, et par un coté ouvert radialement extérieur. Dans les exemples considérés, les espaces inter-griffes 15 forment les premiers évidements 13. Comme cela est représenté sur la , les griffes 9a, 9b présentent des faces radialement extérieures 38 s’inscrivant dans un cylindre coaxial à l’axe de rotation X-X’ et définissant le diamètre extérieur du rotor Øod. Ces faces 138, considérées dans des plans perpendiculaires à l’axe de rotation X-X’ présentent des largeurs respectives qui vont en rétrécissant depuis la base 19 vers la roue polaire opposée. Les griffes 9a, 9b présentent aussi des faces radialement intérieures 39 dont les pentes forment avec les bases respectives 19 des points d’intersection ibg s’inscrivant dans un cylindre coaxial à l’axe de rotation X-X’ et définissant le diamètre intérieur des griffes ØDibg. Nous allons maintenant présenter un exemple comparatif entre un rotor selon la présente invention (R1), c’est-à-dire avec des évidements laissant apparaitre axialement au moins une spire du bobinage d’excitation (tel que présenté sur les figures 1 à 6) et un rotor de référence (RF) qui ne présente pas un évidement laissant apparaitre axialement au moins une spire du bobinage d’excitation. Dans le rotor R1, le diamètre inter-griffes Øig est diminué par rapport au rotor RF. Les caractéristiques de ces deux rotors sont données dans le tableau 1 suivant. Caractéristiques R1 RF Nombre de paires de griffes 8 8 Largeur de griffe (en mm) 26 26 ØDibg (en mm) 86.9 85.5 Øig (en mm) 75 77.2 Ratio R (en %) 86.31 91.81 Les températures de ces deux rotors en fonctionnement et selon la vitesse de rotation sont présentées dans le tableau 2 suivant. Vitesse de rotation (tours/min) 1800 2400 3000 4000 5000 6000 T°C RF 184 191 192 183 177 169 T°C R1 182 188 190 181 175 166 Ainsi, lorsque l’on diminue le diamètre inter-griffes 15 de manière à avoir un évidement qui laisse apparaitre au moins une spire du bobinage d’excitation, la température du rotor selon l’invention R1 est diminué d’environ 3°C par rapport au rotor de référence RF. De préférence, le rotor selon la présente invention, présente un ratio R défini par la relation suivante : R = 1 – [(ØDibg - Øig) / (ØDibg)] inférieur à 90%, de préférence 88%. De préférence, le ratio R est supérieur ou égale à 85%. En effet, au-delà de ce ratio le porte à faux du maintien des griffes deviendrait trop important. Comme cela est représenté sur la , l’espace inter-griffes 15 présente une première et une deuxième surface de forme globalement triangulaire S1, S2 dont : la base est tangente au cylindre coaxial à l’axe de rotation X-X’ définissant le diamètre extérieur du rotor Øod pour la première surface S1 et tangente au cylindre coaxial à l’axe de rotation X-X’ définissant le diamètre intérieur des griffes ØDibg pour la deuxième surface S2, les côtés sont définis par deux griffes successives 9a, 9b d’une même roue polaire 8a, 8b, en particulier par deux faces latérales en vis-à-vis l’une de l’autre de deux griffes 9a, 9b, et le sommet est défini par la tangente au cylindre coaxial à l’axe de rotation X-X’ définissant le diamètre intérieur Øig. Le rotor R1 présente un rapport S2/S1 de 17,75%. Les griffes 9a, 9b sont configurées pour le montage d’aimants polaires 40. Dans les exemples considérés, chaque griffes 9a, 9b comprend deux gorges ayant un profil sous forme de U et réalisé dans une face latérale d’une griffe. Les gorges sont des gorges de réception des aimants permanents 40, qui sont par exemple du type à terre rare ou en ferrite. Le choix du type d’aimant dépend de la puissance recherchée de la machine électrique comprenant le rotor 1. Les aimants pourront être réalisés par moulage, notamment par frittage. En variante, les aimants 40 sont des pièces réalisées dans un matériau élasto-ferrite magnétique. Les aimants permanents 40 sont ici de forme globalement parallélépipédique et sont montés dans des gorges en étant dimensionnés en fonction des gorges pour pénétrer dans celles-ci. Le rotor 1 peut comprendre deux ventilateurs plaqués et soudés chacun sur une face axiale du flasque 18 d’une des roue polaire 8a, 8b, ladite face étant tournée dans un sens opposé à l’autre roue. Les ventilateurs permettent de créer un flux d’air à l’intérieur du rotor 1 pour son refroidissement. 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 réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Rotor (1) de machine électrique tournante monté rotatif autour un axe de rotation (X-X’) et comprenant : deux roues polaires (8a, 8b) comportant chacune un flasque (18) et des griffes (9a, 9b) dirigées axialement en direction du flasque (18) de l’autre roue polaire (8a, 8b), un bobinage d’excitation (10) comprenant une pluralité de spires (11) monté sur un noyau cylindrique (34) et muni d’un isolant (20), caractérisé en ce que ledit rotor (1) présente des premiers et seconds évidements (13, 14) de manière à laisser apparaitre axialement au moins une spire (11) du bobinage d’excitation (10). Rotor (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits évidements (13, 14) laissent apparaitre axialement entre deux et six spires (11) du bobinage d’excitation (10). Rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premiers évidements (13) sont formés sur au moins une roue polaire (8a, 8b). Rotor (1) l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les seconds évidements (14) sont formés sur l’isolant (20) du bobinage d’excitation (10). Rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites griffes (9a, 9b) d’une même roue polaire (8a, 8b) sont solidaires du flasque (18) par des bases respectives (19) faisant saillie radialement du flasque (18) et mutuellement séparées par des espaces inter-griffes (15) de diamètre intérieur (Øig), lesdits espaces inter-griffes (15) formant lesdits premiers évidements (13), les griffes (9a, 9b) présentent des faces radialement extérieures (38) s’inscrivant dans un cylindre coaxial à l’axe de rotation (X-X’) et définissant le diamètre extérieur du rotor (Øod) et des faces radialement intérieures (39) dont les pentes forment avec les bases respectives (19) des points d’intersection (ibg) s’inscrivant dans un cylindre coaxial à l’axe de rotation (X-X’) et définissant le diamètre intérieur des griffes (ØDibg). Rotor (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il présente un ratio R défini par la relation suivante : R = 1 – [(ØDibg - Øig) / (ØDibg)], inférieur à 90%, de préférence 88%. Rotor (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le ratio R est supérieur ou égale à 85%. Rotor (1) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l’espace inter-griffes (15) présente une première et une deuxième surface de forme globalement triangulaire (S1, S2) dont : la base est tangente au cylindre coaxial à l’axe de rotation (X-X’) définissant le diamètre extérieur du rotor (Øod) pour la première surface (S1) et tangente au cylindre coaxial à l’axe de rotation (X-X’) définissant le diamètre intérieur des griffes (ØDibg) pour la deuxième surface (S2), les côtés sont définis par deux griffes successives (9a, 9b) d’une même roue polaire (8a, 8b), en particulier par deux faces latérales en vis-à-vis l’une de l’autre de deux griffes (9a, 9b), et le sommet est défini par la tangente au cylindre coaxial à l’axe de rotation (X-X’) définissant le diamètre intérieur (Øig), le rapport S2/S1 étant supérieur à 15%, de préférence supérieur à 17%. Rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend 8 paires de pôles. Machine électrique tournante, caractérisé en ce qu’elle est équipée d’un rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes. Machine électrique tournante selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’elle consiste en un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou un moteur électrique.