Rotor à aimants permanents et machine tournante comportant un tel rotor

La présente invention concerne les machines tournantes électriques, notamment les moteurs synchrones, et plus particulièrement une machine comportant un rotor à aimants permanents à concentration de flux. Les rotors à concentration de flux comportent une masse rotorique dans laquelle sont logés des aimants, ces derniers étant engagés dans des logements orientés radialement.

Un avantage de ces rotors est la possibilité d'obtenir des inductions moyennes dans l'entrefer supérieures à l'induction de travail des aimants, ce qui permet d'abaisser le coût de la machine en utilisant des aimants à base de ferrites ou d'augmenter la compacité de la machine dans le cas de l'utilisation d'aimants à base de terres rares.

Les pertes de flux magnétique doivent être réduites au niveau du rotor et le flux magnétique des aimants permanents doit se reboucler au niveau du stator et non au niveau du rotor ou de l'arbre du rotor. Pour ce faire, il existe plusieurs solutions connues, présentant chacune des inconvénients.

Les pôles magnétiques, situés de part et d'autre des aimants, peuvent être totalement séparés magnétiquement, comme décrit dans EP 1 152 516 Bl. Il est alors nécessaire d'avoir un moyeu amagnétique autour de l'arbre du rotor ou un arbre amagnétique. Une telle configuration complique la mise en place des pôles magnétiques et l'utilisation d'acier amagnétique ou d'aluminium pour réaliser le moyeu ou l'arbre est relativement coûteuse.

Le brevet US 5 684 352 enseigne de relier les pôles magnétiques à leurs extrémités inférieure et supérieure par des régions ayant subies un traitement rendant localement la tôle amagnétique. Cette solution implique la mise en œuvre d'un traitement thermique relativement coûteux.

Il existe également des solutions consistant à réaliser un ou plusieurs évidements dans le rotor afin de limiter les pertes de flux magnétique.

La demande US 2007/0252469 décrit ainsi une tôle rotorique comportant des évidements s'étendant de part et d'autre des logements recevant les aimants permanents, débouchant sur ces derniers et ménageant entre eux des ponts de matière de largeur réduite.

Une telle solution présente l'inconvénient de concentrer les efforts mécaniques au milieu

des pôles magnétiques, ce qui peut nuire à la tenue mécanique du rotor aux vitesses de rotation élevées.

Le brevet US 6 133 663 décrit également une tôle rotorique comportant des évidements pour réduire les pertes de flux magnétique, ces évidements débouchant chacun sur deux logements consécutifs accueillant les aimants permanents, au niveau de l'extrémité radialement intérieure des logements.

La demande FR 2 283 572 divulgue une tôle rotorique qui présente des évidements débouchant sur l'ouverture centrale permettant son montage sur l'arbre.

La demande JP 2000-209798 décrit une tôle rotorique comportant une pluralité de fentes en arcs de cercle entre des aimants permanents. Des fentes orientées perpendiculairement à des axes médians entre les aimants limitent le bouclage du flux magnétique vers l'intérieur. L'orientation de ces fentes peut affecter les propriétés mécaniques du rotor aux vitesses de rotation élevées, car la largeur de tôle autour du passage de l'arbre est relativement faible. Les fentes s'étendent jusque dans l'intervalle entre les aimants et le passage de l'arbre. Ce recouvrement angulaire des logements des aimants et des fentes oblige à éloigner les aimants du passage de l'arbre, ce qui peut limiter la puissance des aimants pouvant être utilisés pour une taille de rotor donnée.

La demande US 2006/0290222 décrit une tôle rotorique comportant des logements pour des aimants permanents, la tôle étant dépourvue d' évidements entre les logements.

Il existe un besoin pour perfectionner encore les rotors à concentration de flux, notamment afin de réduire leur coût de fabrication tout en bénéficiant de performances électriques et mécaniques satisfaisantes.

La présente invention vise à répondre à ce besoin et à remédier à tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus.

L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un rotor à aimants permanents à concentration de flux, comportant : un arbre s 'étendant selon l'axe de rotation du rotor, une masse rotorique disposée sur l'arbre, comportant : - une ouverture centrale pour son montage sur l'arbre, des logements orientés radialement, dans lesquels les aimants permanents sont disposés, et

dans au moins un, de préférence chaque, intervalle angulaire séparant deux logements consécutifs, au moins un évidement ne débouchant ni sur l'ouverture centrale ni sur les deux logements consécutifs, ce ou ces évidements situés dans ledit intervalle occupant une étendue angulaire autour de l'axe de rotation du rotor supérieure à la moitié de l'étendue angulaire dudit intervalle.

Des logements orientés radialement peuvent avoir un axe de plus grande dimension qui coïncide avec un rayon ou non. L'axe de plus grande dimension peut être parallèle à un rayon.

De tels logements englobent les logements pour lesquels la plus grande dimension radiale du logement est supérieure à la plus grande dimension circonférentielle du logement (mesurée entre deux points à une même distance du centre, le long d'un segment passant par ces points et perpendiculaire à un rayon bissecteur).

Le ou les évidements créent des zones entre les aimants permanents où le flux magnétique ne peut circuler aisément vers l'arbre, et de ce fait limitent le bouclage du flux magnétique vers la partie radialement intérieure du rotor. En particulier, la portion de tôle située entre un logement d'aimant et l'évidement adjacent est à saturation de flux magnétique, ce qui limite le passage de celui-ci.

La plus grande dimension radiale du ou des évidements peut être supérieure à leur plus grande dimension circonférentielle. La dimension radiale de la portion annulaire de tôle séparant le ou les évidements de l'ouverture centrale peut être inférieure ou égale à la dimension radiale de la portion annulaire de tôle séparant les évidements de la périphérie externe de la masse rotorique.

Chaque logement et les évidements adjacents à ce logement peuvent être avantageusement décalés angulairement sans recouvrement angulaire.

De plus, l'invention peut permettre de créer un grand nombre de ponts de matière entre les logements et les évidements pour répartir les efforts des forces centrifuges sur la partie radialement intérieure de la masse rotorique.

Le nombre de ces ponts de matière est par exemple égal à deux fois le nombre d'aimants permanents.

La masse rotorique est par exemple formée par un assemblage de tôles rotoriques, par usinage d'un bloc de matériau magnétique ou par coulage d'une matière polymère chargée de particules magnétiques.

La masse rotorique est avantageusement formée par un assemblage de tôles rotoriques, chacune monobloc. Ainsi, le rotor est dépourvu de pièces polaires rapportées.

L'invention peut permettre d'éviter le recours à des pièces amagnétiques telles qu'un moyeu ou un arbre amagnétique, de coût relativement élevé. L'arbre du rotor peut ainsi être réalisé dans un matériau magnétique, par exemple de l'acier C35E, et non en aluminium. Chaque tôle rotorique est par exemple découpée dans une feuille d'acier magnétique, par exemple de l'acier de 0,1 à 1,5 mm d'épaisseur, par exemple M400-50A Les tôles peuvent être revêtues d'un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein du paquet. L'isolation peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles. La répartition des évidements et/ou des logements est avantageusement régulière et symétrique, facilitant la découpe de la tôle rotorique et sa stabilité après découpe quand la masse rotorique est constituée d'une superposition de tôles rotoriques.

Le ou les évidements situés dans chaque intervalle entre deux logements consécutifs peuvent occuper plus des trois quarts ou les trois quarts, de l'étendue angulaire de cet intervalle.

La largeur d'un pont entre deux évidements adjacents ou entre un évidement et le logement adjacent peut par exemple aller de 0.5 à 3 mm dans un exemple de mise en œuvre de l'invention. Deux logements consécutifs peuvent par exemple être séparés angulairement d'un angle de 45°. Les logements et les évidements sont séparés de l'ouverture centrale de la masse rotorique par une portion annulaire qui peut avoir une dimension radiale minimale comprise entre 2 et 5 mm, par exemple d'environ 3 mm pour une tôle rotorique de 140 mm de diamètre, mais qui pourrait être aussi beaucoup plus épaisse ou beaucoup plus fine en fonction du diamètre du rotor. Une telle portion annulaire, de forme cylindrique, contribue à la solidité du rotor.

Le nombre de logements et d'aimants dépend de la polarité du rotor. La masse rotorique peut comporter un nombre quelconque de paires de logements par exemple six

ou huit logements. Le nombre d'évidements peut être supérieur ou égal à la moitié de celui des logements.

Les évidements ont avantageusement une dimension radiale inférieure ou égale à celle des logements, afin de ne pas réduire outre mesure la concentration du flux des aimants.

La dimension radiale des évidements est par exemple d'environ la moitié de celle des logements.

Les logements peuvent avoir une dimension radiale supérieure ou égale à celle des aimants permanents reçus à l'intérieur de ces logements. Cela autorise des tolérances de fabrication de la masse rotorique et des aimants plus larges et peut permettre un coincement des aimants dans les logements par centrifugation.

Les logements peuvent ou non déboucher radialement vers l'extérieur.

La masse rotorique peut comporter un seul évidement pour les deux intervalles, ou un seul évidement par intervalle, entre deux logements consécutifs, ou en variante, plusieurs évidements, par exemple deux évidements, lesquels sont de préférence identiques et symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan médian.

Les évidements sont avantageusement orientés radialement. Des évidements orientés radialement peuvent avoir un axe de plus grande dimension qui coïncide ou non avec un rayon ou qui est parallèle à un rayon. Les ponts entre ces évidements ou entre les évidements et les logements sont avantageusement orientés radialement.

Chaque évidement peut comporter deux branches du côté de l'arbre qui se rejoignent en direction du stator. Les deux branches peuvent être séparées par une portion de bord concave vers l'arbre. Les deux branches peuvent avoir un bord radialement intérieur orienté circonférentiellement.

Chaque évidement peut avoir des bords qui convergent l'un vers l'autre à partir d'une zone située à une distance de l'axe de rotation qui correspond sensiblement à celle de l'extrémité radialement intérieure des aimants. Ces bords peuvent converger suivant des arcs de cercle, et être prolongés par des bords sensiblement parallèles.

La largeur du pont de matière séparant un logement de l'évidement adjacent peut être comprise par exemple entre 0,5 et 2,5 mm, étant par exemple environ 1,5 mm.

La masse rotorique peut comporter en plus des évidements un ou plusieurs trous pour alléger le rotor, permettre son équilibrage ou pour l'assemblage des tôles rotoriques la constituant.

Les aimants permanents peuvent présenter chacun en section transversale une forme rectangulaire ou non. Par exemple, chaque aimant permanent peut présenter en section transversale une forme trapézoïdale ou losange.

Les évidements et/ou logements peuvent être remplis au moins partiellement, voire entièrement, par une matière synthétique non magnétique. Cette matière peut bloquer en place les aimants dans les logements et/ou augmenter la cohésion du paquet de tôle.

Les évidements peuvent être utilisés, le cas échéant, pour équilibrer le rotor, par enlèvement ponctuel de matière, par exemple enlèvement d'une matière synthétique telle qu'une résine présente dans les évidements. On peut aussi remplir plus ou moins les évidements d'une résine pour équilibrer le rotor ou ménager dans la résine des trous que l'on pourra plus ou moins remplir pour équilibrer le rotor.

La masse rotorique peut comporter, le cas échéant, un ou plusieurs reliefs contribuant au bon positionnement des aimants. Les logements peuvent recevoir une cale de positionnement des aimants dans les logements.

Chaque masse rotorique peut présenter un contour extérieur qui est circulaire ou multilobé, une forme multilobée pouvant être utile par exemple pour réduire les ondulations de couple ou les harmoniques de courant ou de tension.

Chaque logement peut présenter une portion radialement intérieure par rapport à l'aimant permanent correspondant, qui est délimitée latéralement par des bords opposés sensiblement radiaux. Chaque logement peut présenter une portion radialement extérieure par rapport à l'aimant permanent correspondant, ayant des bords convergeant l'un vers l'autre en éloignement de l'arbre. Ces portions radialement intérieure et extérieure peuvent contribuer au bon positionnement de l'aimant dans le logement.

L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un rotor de machine tournante électrique à aimants permanents et à concentration de flux, comportant : - un arbre s 'étendant selon l'axe de rotation du rotor,

- une masse rotorique disposé sur l'arbre, comportant : une ouverture centrale pour son montage sur l'arbre,

des logements dans lesquels les aimants permanents sont disposés, orientés radialement et présentant chacun une portion qui est radialement extérieure à l'aimant permanent correspondant, cette portion présentant des bords convergeant l'un vers l'autre en éloignement de l'arbre. Le rotor peut comporter dans au moins un, de préférence dans chaque, intervalle angulaire séparant deux logements consécutifs, au moins un évidement.

L'invention a encore pour objet une machine tournante électrique, telle qu'un moteur synchrone ou une génératrice, comportant l'un des rotors tels que définis précédemment. Cette machine peut comporter un stator à bobinage concentré ou réparti. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé d'équilibrage de l'un des rotors tels que définis précédemment, dans lequel on équilibre le rotor par enlèvement ou ajout de matière au niveau d'un évidement au moins, l'ajout de matière pouvant se faire dans des trous ménagés dans la résine au niveau des évidements.

La matière qui est enlevée est par exemple une matière synthétique remplissant cet évidement.

L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : la figure 1 représente en coupe transversale, de manière schématique, un exemple de rotor réalisé conformément à l'invention, la figure 2 représente isolément et de face la masse rotorique, les figures 3 et 4 représentent des détails de réalisation de la masse de la figure 2, et les figures 5 à 8 représentent des détails de variantes de réalisation du rotor.

Le rotor 1 représenté à la figure 1 comporte une masse magnétique rotorique 3 s 'étendant axialement selon l'axe de rotation X du rotor, cette masse rotorique étant par exemple formée par un paquet de tôles empilées selon l'axe X, les tôles étant par exemple identiques et superposées exactement. Le rotor 1 comporte une pluralité d'aimants permanents 7 disposés dans des logements correspondants de la masse magnétique rotorique, de manière à ce que deux aimants consécutifs 7 présentent des mêmes polarités sur leurs faces en regard.

La masse rotorique 3 est montée sur un arbre 2 qui, dans l'exemple considéré, est réalisé dans un matériau magnétique, par exemple de l'acier.

La masse rotorique 3 comporte une ouverture centrale 4 pour le montage sur l'arbre 2. Le rotor 1 est disposé à l'intérieur d'un stator non représenté, qui comporte par exemple un bobinage concentré ou réparti. Ce stator permet de générer un champ magnétique tournant d'entraînement du rotor en rotation, dans le cas d'un moteur synchrone, et dans le cas d'un alternateur, la rotation du rotor induit une force électromotrice dans les bobinages du stator. La forme de la masse rotorique 3 à sa périphérie peut être multilobée comme représenté à la figure 1, chaque lobe 10 s'étendant entre deux aimants consécutifs 7 et étant convexe vers l'extérieur.

Conformément à l'invention, des évidements 6 sont disposés entre les logements 5 et les aimants 7, pour limiter les pertes de flux magnétique par bouclage à travers l'arbre 2 du rotor.

Chaque logement 5 peut présenter une dimension radiale / supérieure à celle des aimants correspondants.

Plus particulièrement, chaque logement 5 peut comporter une portion principale 5 a dont la dimension radiale correspond à celle de l'aimant 7 associé, et des portions d'extrémité 5b et 5c respectivement radialement extérieure et radialement intérieure à l'aimant 7.

La portion principale 5a a par exemple une forme qui correspond sensiblement à celle de l'aimant 7, en section transversale.

Dans l'exemple illustré, la section transversale de l'aimant 7 est trapézoïdale et le logement 5 présente sur la portion 5a des bords opposés 30, rectilignes, qui convergent l'un vers l'autre en éloignement de l'arbre 2.

La portion d'extrémité 5b présente des bords opposés 31 qui peuvent être rectilignes et qui convergent l'un vers l'autre avec un angle plus important que les bords 30.

Les bords 31 peuvent se raccorder à un bord d'extrémité 32 qui est par exemple orienté perpendiculairement au plan médian M pour le logement 5, passant par l'axe de rotation X. Dans l'exemple illustré, le plan médian M contient un rayon mais il pourrait en être différemment.

Les bords 31 peuvent aussi ne pas se raccorder et déboucher sur l'extérieur du rotor, comme illustré à la figure 5. Les logements des aimants sont alors ouverts vers l'extérieur du rotor.

La portion d'extrémité 5c est délimitée latéralement par des bords opposés 33 qui convergent l'un vers l'autre vers l'arbre 2 et qui se raccordent à un bord d'extrémité 34 orienté perpendiculairement au plan médian M.

On définit l'étendue angulaire de l'intervalle 40 s'étendant entre deux logements

7 consécutifs comme étant l'angle β entre les rayons intersectant les bords les plus rapprochés angulairement des logements 5, comme on peut le voir sur la figure 1. Dans cet exemple, ce sont les bords 33 qui sont les plus rapprochés angulairement et ces bords s'étendent sensiblement radialement.

Chaque intervalle 40 comporte un évidement 6 qui s'étend sur une étendue angulaire autour de l'axe X relativement importante, repérée par l'angle CC sur la figure 1.

Cet angle α correspond à celui entre les rayons qui passent par les bords de l'évidement 6 les plus éloignés angulairement l'un de l'autre.

De préférence, il n'y a pas de recouvrement angulaire entre les logements et les évidements. Dans l'exemple illustré, l'écart angulaire entre les logements et les évidements est par exemple égale à (β-α)/2.

Chaque évidement 6 comporte deux branches 6a qui se rejoignent en une branche unique 6b au-delà d'une extension 45, lorsque l'on s'éloigne de l'arbre 2.

Les branches 6a sont délimitées radialement vers l'intérieur par des bords 51 qui sont orientés circonférentiellement.

Les branches 6a sont délimitées latéralement par des bords opposés 52 qui s'étendent chacun sensiblement parallèlement au bord 33 adjacent. L'extension 45 présente un bord 54 qui est sensiblement demi-circulaire.

La branche 6b est délimitée par des bords opposés 56 qui sont convergents l'un vers l'autre, par exemple selon des arcs de cercle. Ces bords 56 se raccordent en s'éloignant de l'arbre 2 à des bords opposés 57 qui sont rectilignes et parallèles au plan médian N de l'évidement 6 contenant l'axe de rotation X. Les bords 57 se rejoignent grâce à un bord 58 en forme d'arc de cercle.

Chaque masse rotorique 3 comporte une portion annulaire de forme cylindrique qui s'étend continûment autour de l'axe de rotation X.

La dimension radiale e _min est par exemple d'au moins 2mm pour un rotor de 140 mm de diamètre mais pourrait être beaucoup plus grande, voire moindre, en fonction des efforts centrifuges à tenir et de la taille du rotor.

La largeur j du pont de matière 80 s 'étendant entre un logement 5 et l'évidement adjacent 6 est par exemple, comprise par exemple entre 0,5 et 10 mm, par exemple d'environ 1,5 mm dans l'exemple considéré. Le pont de matière 80 est à saturation du flux magnétique, ce qui limite son passage à travers lui.

La dimension radiale k de la portion 5b est par exemple comprise entre 2 et 3 mm La jonction entre les bords 33 et 30 est par exemple à une distance m de l'ouverture 4 comprise entre 2 et 4 mm

Une matière synthétique peut être injectée dans les logements 5 et/ou les évidements 6, de façon à bloquer les aimants dans les logements 5 et/ou assurer la cohésion du paquet de tôles si le rotor est constitué d'un assemblage de tôles magnétiques. La matière utilisée est par exemple une résine époxy ou une matière thermoplastique.

Le blocage des aimants 7 peut également s'effectuer par serrage sous l'action de la force centrifuge, grâce à leur forme en coin.

Les évidements 6 peuvent être utilisés pour l'équilibrage, par exemple en les remplissant d'une résine et en venant enlever localement cette résine ou en venant remplir de résine ou d'une ou plusieurs masselottes d'équilibrage des trous ménagés dans la résine qui les remplit ou simplement en y fixant des masselottes d'équilibrage.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit.

On peut par exemple réaliser les tôles 3 avec des trous 8, comme illustré à la figure 3, pour permettre le passage de tirants d'assemblage des tôles du paquet.

On peut utiliser des aimants ayant une forme autre que trapézoïdale, notamment rectangulaires ou losange. On peut donner aux évidements une forme autre et, par exemple, prévoir deux évidements rapprochés 16 dans chaque intervalle entre deux logements consécutifs, comme illustré à la figure 6 ou peut encore avoir un seul évidement 6 tous les deux logements 5.

Sur la figure 6, on voit que les deux évidements rapprochés sont séparés par une bande de matière centrale 81 s'étendant radialement. Le contour de l'ensemble de ces

deux évidements rapprochés peut être globalement similaire à celui d'un évidement 6 décrit précédemment en référence à la figure 1.

Le maintien des aimants dans les logements 5 peut s'effectuer avec des ergots 80 comme illustré à la figure 7, notamment du côté de l'arbre du rotor. En présence d'ergots 83, le maintien des aimants peut s'effectuer du côté radialement extérieur du rotor par un rétrécissement du logement, ce rétrécissement formant par exemple un épaulement 82 orienté sensiblement perpendiculairement au rayon passant par le plan médian du logement 5.

Des tirants d'assemblage 90 peuvent traverser les évidements 6, notamment la portion radialement la plus extérieure des évidements, pour assembler les tôles, comme illustré à la figure 8.

L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un ».