Brevet FR3152676A1 — publié le 20250307

Titre : Tête de pôle avec forme optimisée pour un rotor à pôles bobinés pour une machine électrique tournante. L’invention concerne un rotor (1) bobiné à pôles (2) saillants comprenant un corps principal (4) comportant une pluralité de pôles (2) agencés radialement de manière à définir une alternance de bras (8) et d'encoches (10), les bras (8) étant chacun coiffés d’une tête de pôle (14) s'étendant orthoradialement en saillie de part et d'autre du bras (8), ladite tête de pôle (14) comportant une base (16) reliée audit bras (8) et une périphérie externe présentant une surface convexe (17), le rotor (1) étant caractérisé en ce que la surface convexe (17) de la tête de pôle (14) présente une zone centrale (18) galbée avec un rayon de courbure (R) constant et deux zones latérales (20a, 20b) étrécie située de part et d’autre de la zone centrale (18). Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Tête de pôle avec une forme optimisée pour un rotor à pôles bobiné pour une machine électrique tournante La présente invention se rapporte à un rotor pour une machine électrique tournante synchrone du type à rotor bobiné à pôles saillants, et notamment pour une machine électrique de ce type pour des applications comme moteur électrique de traction dans des véhicules automobiles électriques et hybrides. Les machines synchrones à rotor bobiné classiques à pôles saillants comprennent un rotor comportant un corps principal en matériau magnétique constitué d'un paquet de tôles prédécoupées et empilées parallèlement à l'axe de rotation du rotor. L'empilement des tôles définit alors une alternance de bras et d'encoches agencés radialement entre une partie centrale et une partie circonférentielle du rotor. Les bras et les encoches s'étendent axialement le long du corps du rotor, de manière à définir une pluralité de pôles nord et pôles sud alternés, formés à partir d'une pluralité de bobines d'excitation enroulées autour d'un bras radial respectif entre deux encoches consécutives. Chaque bras radial est alors sensiblement aligné sur un axe radial médian d'un pôle correspondant. Un stator entoure le rotor avec un entrefer entre le stator et le rotor. Dans le domaine des machines électriques pour les applications évoquées ci-dessus, les machines synchrones à rotor bobiné présentent un nombre de pôles élevé et un contenu de composantes harmoniques de tension et de couple électromagnétique important. Les harmoniques du couple électromagnétique peuvent être à l'origine de vibrations importantes. Pour pallier ces effets dommageables impactant la qualité de fonctionnement de ces machines électriques, il est nécessaire de réduire les composantes harmoniques de façon à réduire l'influence du couplage électromagnétique entre les bobinages du rotor et du stator généré par ces composantes harmoniques. L'objectif de la présente invention est de proposer une machine électrique à rotor bobiné dans laquelle la forme des pôles du rotor permet de générer un couple massique important tout en minimisant les harmoniques de couple afin de limiter les vibrations que lesdites harmoniques peuvent engendrer. Ainsi, l’objectif de la présente invention est d’obtenir un bon compromis entre les performances en termes de couple généré avec une telle machine électrique et la limitation des ondulations de couple engendrées par la rotation du rotor au sein de la machine électrique. Un autre objectif de l’invention est de proposer une machine électrique plus compacte que celles connues de l’état de l’art. L'invention se rapporte donc à un rotor bobiné à pôles saillants comprenant un corps principal en matériau magnétique comportant une pluralité de pôles agencés radialement entre une partie centrale et une partie circonférentielle du rotor de manière à définir une alternance de bras et d'encoches, dans laquelle les bras font saillie dans une direction radiale, les pôles étant formés à partir d'une pluralité de bobines d'excitation enroulées autour des bras respectifs entre deux encoches voisines, les bras étant chacun coiffés d’une tête de pôle s'étendant orthoradialement en saillie de part et d'autre du bras, ladite tête de pôle comportant une base reliée audit bras et une périphérie externe présentant une surface convexe, le rotor étant caractérisé en ce que la surface convexe de la tête de pôle présente une zone centrale galbée avec un rayon de courbure constant et deux zones latérales étrécie située de part et d’autre de la zone centrale. Selon un mode de réalisation particulier, les zones latérales de la surface convexe de la tête de pôle présentent chacune une forme en portion d’ellipse dont les coordonnées cartésiennes x et y dans un repère cartésien vérifient les équations suivantes : dans lesquelles et dans lesquelles : x_scale est un coefficient multiplicateur; y_scale est un coefficient multiplicateur ; Dc désigne la distance entre une origine du repère cartésien et le centre de l’ellipse qui donne sa forme auxdites zones latérales de la surface convexe de la tête de pôle ; est un paramètre qui désigne l’angle polaire ; est un paramètre qui désigne la distance entre le centre de l’ellipse et un point considéré sur l’ellipse ; a est une première variable qui permet de faire varier le paramètre ; b est une deuxième variable qui permet de faire varier le paramètre . Selon un mode de réalisation, la première variable a est comprise entre 10 et 20, voire comprise entre 14.42 et 14.62, voire égale à 14,5 et la deuxième variable b est comprise entre 20 et 30, voire comprise entre 25.44 et 25.74, voire égale à 25.56. Selon un mode de réalisation, la distance entre l’origine du repère cartésien et le centre de l’ellipse qui définit la forme en portion d’ellipse des zones latérales de la surface convexe de la tête de pôle est comprise entre 40 mm et 75 mm, ou égale à 57.1 mm. Selon un mode de réalisation, le rayon de courbure constant qui détermine la courbure de la zone centrale galbée est compris entre 50 et 90 mm ou égal à 77,15 mm. Selon un mode de réalisation, chacune des zones latérales est raccordée à la zone centrale par un premier congé de continuité. Selon un mode de réalisation, le premier congé de continuité a un rayon de courbure compris entre 1 et 60 mm, voire compris entre 2,76 et 7,76 mm ou égal à 4,76 mm. Selon un mode de réalisation, les extrémités de la périphérie externe de la tête de pôle sont reliées à des bordures latérales situées à la base de la tête de pôle par un deuxième congé de continuité et le deuxième congé de continuité a un rayon de courbure compris entre 2.5 et 0.5 mm ou égal à 1 mm. Selon un mode de réalisation, les coefficients multiplicateurs x_scale et y_scale sont chacun compris entre 0.8 et 1.2, voire compris entre 1 et 1.012, voire égal à 1. L’invention concerne également une machine électrique à rotor bobiné à pôles saillants qui comprend un tel rotor et un stator entourant ledit rotor de manière à définir un entrefer de dimension variable entre le stator et le rotor. Présentation des figures Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de différents modes de réalisation particuliers faits à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La FIG. 1 est une vue de détail schématique d’une machine électrique comprenant un rotor à pôles saillants selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention. La FIG. 2 est une autre vue de détail schématique de la machine électrique de la FIG. 1 . La FIG. 3 est une vue de détail schématique d’une tête de pôle du rotor à pôles saillants selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention. La FIG. 4 est un graphique qui représente les coordonnées cartésiennes d’un ensemble de points des zones latérales de la surface convexe de la tête de pôle. La FIG. 5 est un graphique qui représente les évolutions du couple de différents types de rotor en fonction de la position dudit rotor. Description détaillée Sur la FIG. 1 est illustrée une portion d’une machine électrique comprenant un rotor 1 à pôles 2 saillants selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention. Cette machine électrique comprend donc un rotor 1 à pôles 2 saillants et un stator 3 entourant ledit rotor 1 de manière à définir un entrefer 4 entre le stator 3 et le rotor 2. Le rotor 1 bobiné à pôles 2 saillants comprend un corps principal en matériau magnétique. Une pluralité de pôles 2 sont agencés radialement entre une partie centrale du corps principal et une partie circonférentielle du rotor 1 de manière à définir une alternance de bras 8 et d'encoches 10, comme illustré sur la FIG. 1 . Les bras 8 font saillie dans une direction radiale par rapport au corps principal du rotor 1. Les pôles 2 sont alors formés à partir d'une pluralité de bobines d'excitation 12 enroulées autour des bras 8 respectifs entre deux encoches 10 voisines. Chaque bras 8 est coiffé d’une tête de pôle 14 s'étendant orthoradialement en saillie de part et d'autre dudit bras 8. Chaque tête de pôle 14 comporte d’une part une base 16 reliée à un bras 8 et d’autre part une périphérie externe présentant une surface convexe 17. La surface convexe 17 de la tête de pôle 14 présente une zone centrale 18 galbée avec un rayon de courbure constant R et deux zones latérales 20a, 20b étrécies qui sont situées de part et d’autre de la zone centrale 18. Au niveau de la zone centrale 18 galbée, le rayon de courbure constant R assure un entrefer 4 entre le stator 3 et le rotor 1 avec un écart constant. Afin de maximiser le couple généré par la machine électrique, il est préférable d’avoir un entrefer 4 minimal entre les têtes de pôle 14 du rotor 1 et le stator 3, en particulier au niveau de la zone centrale 18 galbée de la surface convexe 17. A titre indicatif, l’entrefer 4 est par exemple compris entre 0.5 mm et 1.5 mm. Selon un mode de réalisation préférentiel, le rayon de courbure constant R qui détermine d’une part la courbure de la zone centrale 18 galbée et d’autre part l’écart de l’entrefer 4 entre le stator 3 et la zone centrale 18 galbée de la surface convexe 17 des têtes de pôle 14 du rotor 1, est compris entre 50 et 90 mm. Selon un mode de réalisation préférentiel, le rayon de courbure constant R est égal à 77,15 mm. Pour la tête de pôle 14, chacune des zones latérales 20a, 20b est raccordée à la zone centrale 18 par un premier congé de continuité r1, comme illustré sur les figures 2 et 3. Selon un mode de réalisation, le premier congé de continuité r1 a un rayon de courbure compris entre 1 et 60 mm. Dans un mode de réalisation préférentiel, le premier congé de continuité r1 est compris entre 2,76 et 7,76 mm. Selon un exemple particulier, le premier congé de continuité r1 qui raccorde chacune des zones latérales 20a, 20b à la zone centrale 18 est égal à 4,76 mm. Un tel premier congé de continuité r1 permet d’assurer une transition fluide entre chacune des zones latérales 20a, 20b à la zone centrale 18 tout en simplifiant la fabrication de la tête de pôle 14. Les deux zones latérales 20a, 20b situées de part et d’autre de la zone centrale 18 sont étrécies dans le sens où l’entrefer 4 qui est constant entre le rotor 1 et le stator 3 au niveau de la zone centrale 18 galbée de la tête de pôle 14 ne l’est plus au niveau des deux zones latérales 20a, 20b. L’entrefer 4 présente une forme évasée au niveau des deux zones latérales 20a, 20b ; cet entrefer 4 présente ainsi un écart graduellement plus important entre la surface convexe 17 de la tête de pôle 14 et le stator 3. Autrement dit, l’entrefer 4 entre la surface convexe 17 des têtes de pôles 14 et le stator 3 n’est pas constant, mais présente des dimensions variables. Selon un mode de réalisation préférentiel, les zones latérales 20a, 20b de la surface convexe 17 de la tête de pôle 14 présentent chacune une forme en portion d’ellipse. Cette ellipse s’appuie sur une forme géométrique spécifique définie à partir d’une géométrie appelée communément « ovale de Cassini ». Les points situés sur ces zones latérales 20a, 20b possèdent des coordonnées cartésiennes qui vérifient les équations suivantes : Dans ces équations, le paramètre Dc désigne la distance entre l’origine du repère cartésien utilisé et le centre de l’ellipse qui donne sa forme auxdites zones latérales 20a, 20b de la surface convexe 17 de la tête de pôle 14. Le paramètre désigne l’angle polaire et est un paramètre qui désigne la distance entre le centre de l’ellipse et le point considéré sur l’ellipse pour lequel l’on calcule ses coordonnées x et y. L’origine du repère cartésien se situe à la base du bras 8. Selon un mode de réalisation, la distance Dc entre l’origine du repère cartésien et le centre de l’ellipse qui définit la forme en portion d’ellipse des zones latérales 20a, 20b de la surface convexe 17 de la tête de pôle 14 est comprise entre 40 mm et 75 mm. Selon un exemple préférentiel, cette distance Dc est égale à 57.1 mm. Un premier axe X du repère cartésien s’étend orthoradialement de part et d'autre du bras 8 radial. Un deuxième axe Y du repère cartésien s’étend perpendiculairement à l’axe X. Le premier axe X et le deuxième axe Y sont illustrés sur les figures 3 et 4. Dans ce repère, l’axe Y forme un axe de symétrie pour la zone centrale 18 galbée et pour les zones latérales 20a, 20b situées de part et d’autre de ladite zone centrale galbée 18. Autrement dit, l’axe Y passe par le milieu de la zone centrale 18 galbée et forme un axe de symétrie pour les zones latérales 20a, 20b disposées de façon symétrique de part d’autre de l’axe Y. Dans ce même repère, l’angle varie entre 45.585° et 62.5° pour une première zone latérale 20a. Les coordonnées pour x varient alors entre 22,38 et 14,00 tandis que les coordonnées pour y varient alors entre 71,38 et 75,87. Tels qu’illustré sur la FIG. 4 , les coordonnées x et y des points de la surface convexe 17 dans la première zone latérale 20a se situent au-dessus de l’axe Y. Toujours dans ce même repère, l’angle varie entre 117.5° et 134.415° pour une deuxième zone latérale 20b. Les coordonnées pour x varient alors entre -14,00 et -22,38 tandis que les coordonnées pour y varient alors entre 75,87 et 71,38. Tels qu’illustré sur la FIG. 4 , les coordonnées x et y des points de la surface convexe 17 dans la deuxième zone latérale 20b se situent en-dessous de l’axe Y. Dans l’équation Math 3 qui permet de définir le paramètre , les variables a et b ont une influence sur la forme de l’ellipse, elles permettent notamment de modifier le taux de courbure de l’ellipse et par conséquent de faire varier le paramètre . Selon un mode de réalisation, la première variable a est comprise entre 10 et 20, voire comprise entre 14.42 et 14.62. Selon un exemple préférentiel, la première variable a est égale à 14,5. De manière similaire, la deuxième variable b est comprise entre 20 et 30, voire comprise entre 25.44 et 25.74. Selon un exemple préférentiel, la deuxième variable b est égale à 25.56. Dans les équations Math 2 et Math 3, x_scale est un coefficient multiplicateur et y_scale est également un coefficient multiplicateur. Dans un mode de réalisation, les coefficients multiplicateurs x_scale et y_scale sont chacun compris entre 0.8 et 1.2, voire compris entre 1 et 1.012. Dans un exemple préférentiel, les coefficients multiplicateurs x_scale et y_scale sont tous les deux égaux à 1. Ces coefficients multiplicateurs ont une influence sur la taille de l’ellipse qui détermine la forme des zones latérales 20a et 20b de la surface convexe 17 de la tête de pôle 14. Par ailleurs, les extrémités de la périphérie externe de la tête de pôle 14 sont reliées à des bordures latérales situées à la base 16 de la tête de pôle 14 par un deuxième congé de continuité r2, comme illustré sur les figures 2 et 3. Selon un mode de réalisation, le deuxième congé de continuité r2 a un rayon de courbure compris entre 2.5 et 0.5 mm. Dans un mode de réalisation préférentiel, le deuxième congé de continuité r2 a un rayon de courbure égal à 1 mm. Un tel deuxième congé de continuité r2 permet d’assurer une transition fluide entre les extrémités de la périphérie externe de la tête de pôle 14 et les bordures latérales situées à la base de la tête de pôle 14 tout en simplifiant la fabrication de ladite tête de pôle 14. Une machine électrique à rotor 1 bobiné équipée d’un rotor 1 qui présente des pôles 2 avec une tête de pôle 14 spécifique selon l’invention permet en fonctionnement de maximiser le couple moyen obtenu tout en permettant de limiter les ondulations de couple et les harmoniques d’induction dans l’entrefer. Une telle machine électrique à rotor 1 bobiné équipée avec un rotor 1 qui présente des pôles 2 avec une tête de pôle 14 spécifique selon l’invention permet de maximiser le couple généré tout en minimisant les vibrations engendrées par la rotation du rotor 1. Autrement dit, équiper une machine électrique à rotor 1 bobiné avec un rotor 1 selon l’invention permet de limiter les ondulations de couple de la machine électrique, de manière à conserver ces ondulations de couple à un niveau raisonnable. Ceci est illustré sur le graphique de la FIG. 5 . Sur cette FIG. 5 , le couple obtenu avec un rotor comportant des pôles avec des têtes de pôles lisses, c’est-à-dire des têtes de pôles avec une surface convexe définie par un rayon de courbure constant de sorte à garder un entrefer constant entre le stator et le rotor de la machine, marque des pics beaucoup plus prononcés que le couple obtenu avec un rotor comportant des pôles avec des têtes de pôles présentant une forme spécifique selon l’invention. Autrement dit, la forme particulière des zones latérales 20a et 20b aux extrémités des têtes de pôles 14 permet de réduire les composantes harmoniques de façon à réduire l'influence du couplage électromagnétique entre les bobinages du rotor 1 et du stator 3 généré par ces composantes harmoniques. Il est ainsi possible d’obtenir un bon compromis entre le couple moyen généré avec une telle machine électrique et la limitation des ondulations de couple. Rotor (1) bobiné à pôles (2) saillants comprenant un corps principal en matériau magnétique comportant une pluralité de pôles (2) agencés radialement entre une partie centrale et une partie circonférentielle du rotor (1) de manière à définir une alternance de bras (8) et d'encoches (10), dans laquelle les bras (8) font saillie dans une direction radiale, les pôles (2) étant formés à partir d'une pluralité de bobines d'excitation (12) enroulées autour des bras (8) respectifs entre deux encoches (10) voisines, les bras (8) étant chacun coiffés d’une tête de pôle (14) s'étendant orthoradialement en saillie de part et d'autre du bras (8), ladite tête de pôle (14) comportant une base (16) reliée audit bras (8) et une périphérie externe présentant une surface convexe (17), le rotor (1) étant caractérisé en ce que la surface convexe (17) de la tête de pôle (14) présente une zone centrale (18) galbée avec un rayon de courbure (R) constant et deux zones latérales (20a, 20b) étrécie située de part et d’autre de la zone centrale (18). Rotor selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les zones latérales (20a, 20b) de la surface convexe (17) de la tête de pôle (14) présentent chacune une forme en portion d’ellipse dont les coordonnées cartésiennes (x, y) dans un repère cartésien vérifient les équations suivantes : dans lesquelles et dans lesquelles : x_scale est un coefficient multiplicateur; y_scale est un coefficient multiplicateur ; Dc désigne la distance entre une origine du repère cartésien et le centre de l’ellipse qui donne sa forme auxdites zones latérales (20a, 20b) de la surface convexe (17) de la tête de pôle (14) ; est un paramètre qui désigne l’angle polaire ; est un paramètre qui désigne la distance entre le centre de l’ellipse et un point considéré sur l’ellipse ; a est une première variable qui permet de faire varier le paramètre ; b est une deuxième variable qui permet de faire varier le paramètre . Rotor selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première variable a est comprise entre 10 et 20, voire comprise entre 14.42 et 14.62, voire égale à 14,5 et en ce que la deuxième variable b est comprise entre 20 et 30, voire comprise entre 25.44 et 25.74, voire égale à 25.56. Rotor selon l’une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que la distance (Dc) entre l’origine du repère cartésien et le centre de l’ellipse qui définit la forme en portion d’ellipse des zones latérales (20a, 20b) de la surface convexe (17) de la tête de pôle (14) est comprise entre 40 mm et 75 mm, ou égale à 57.1 mm. Rotor selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le rayon de courbure constant (R) qui détermine la courbure de la zone centrale (18) galbée est compris entre 50 et 90 mm ou égal à 77,15 mm. Rotor selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des zones latérales est raccordée à la zone centrale (18) par un premier congé de continuité (r1). Rotor selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier congé de continuité (r1) a un rayon de courbure compris entre 1 et 60 mm, voire compris entre 2,76 et 7,76 mm ou égal à 4,76 mm. Rotor selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités de la périphérie externe de la tête de pôle (14) sont reliées à des bordures latérales situées à la base (16) de la tête de pôle (14) par un deuxième congé de continuité (r2) et en ce que le deuxième congé de continuité (r2) a un rayon de courbure compris entre 2.5 et 0.5 mm ou égal à 1 mm. Rotor selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les coefficients multiplicateurs x_scale et y_scale sont chacun compris entre 0.8 et 1.2, voire compris entre 1 et 1.012, voire égal à 1. Machine électrique synchrone à rotor (1) bobiné à pôles (2) saillants, caractérisée en ce qu’elle comprend un rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un stator (3) entourant ledit rotor (1) de manière à définir un entrefer (4) de dimension variable entre le stator (3) et le rotor (1).