La présente invention concerne un rotor pour moteur ou génératrice électromagnétique à flux axial à rigidité diminuée d'un support discoïdal logeant des aimants. L'invention concerne aussi un moteur ou une génératrice électromagnétique équipé d'un tel rotor.

La présente invention trouve une application avantageuse mais non limitative pour un moteur électromagnétique délivrant une forte puissance avec une vitesse de rotation du rotor élevée, ce qui est obtenu par les caractéristiques spécifiques du rotor selon la présente invention. Un tel moteur peut être utilisé, par exemple, comme moteur électromagnétique dans un véhicule automobile totalement électrique ou hybride.

Avantageusement mais non limitativement, le moteur ou la génératrice électromagnétique peut comprendre au moins un rotor encadré par deux stators, ces éléments pouvant se superposer les uns par rapport aux autres en étant séparés par au moins un entrefer sur un même arbre.

Dans des applications à haute vitesse, il est nécessaire d'avoir une très bonne tenue mécanique de la partie tournante, c'est-à-dire le rotor, afin d'améliorer la fiabilité du système.

Pour une machine électromagnétique à flux axial, le rotor comporte un corps sous forme d'un support discoïdal pour des aimants présentant deux faces circulaires reliées par une épaisseur, le disque étant délimité entre une couronne externe formée par une frette et une périphérie interne délimitant un évidement pour un arbre de rotation.

Les aimants sont chacun maintenus dans le support discoïdal par des moyens de maintien, un intervalle étant laissé entre les aimants.

Un rotor doit tourner à des vitesses de rotation élevées. Le principal désavantage d'un moteur à forte vitesse de rotation réside dans la probabilité élevée de détachement de l'aimant ou des aimants du rotor ainsi que de casse au moins partielle du rotor. Le rotor d'un tel moteur doit donc être apte à supporter des vitesses de rotation élevées.

L'état de la technique pousse l'homme du métier à rigidifier le support discoïdal de l'aimant ou des aimants pour combattre la force centrifuge. Ceci requiert un matériau spécifique pour le support discoïdal et d'augmenter son encombrement en l'épaississant afin que le support discoïdal soit plus rigide.

Ceci n'a pas donné entière satisfaction car le moteur ou la génératrice ainsi doté d'un support discoïdal a un poids plus élevé de même qu'un prix de fabrication augmenté.

Le document WO-A-2017/158247 décrit un rotor d'un moteur ou d'une génératrice électromagnétique présentant au moins un support discoïdal logeant une pluralité d'aimants, ledit au moins un support discoïdal comportant des branches délimitant entre elles des logements recevant chacun un ou plusieurs aimants, une frette entourant une extrémité libre de chaque branche, la frette reprenant des efforts principalement dus aux effets centrifuges. Il en va de même pour le document FR-A-3 027 468.

Ces deux documents ne décrivent aucun enlèvement de matière mais plutôt un ajout de matière, notamment par la présence d'un tenon. Les ajouts de matière décrits dans ces deux documents se font dans un sens axial au rotor et ne peuvent pas agir sur la rigidité du rotor radialement.

Le problème à la base de la présente invention est de concevoir un support discoïdal pour le support de plusieurs aimants permanents dans un rotor muni d'une frette pour une machine électromagnétique à flux axial qui puisse maintenir les aimants permanents que la machine supporte de manière efficace en évitant aux aimants de se détacher du rotor tout en compensant la force centrifuge de manière efficace afin que le rotor puisse tourner à des vitesses très élevées.

A cet effet la présente invention concerne un rotor d'un moteur ou d'une génératrice électromagnétique présentant au moins un support discoïdal logeant une pluralité d'aimants, caractérisé en ce que ledit au moins un support discoïdal comporte des branches délimitant entre elles des logements recevant chacun un ou plusieurs aimants, une frette entourant une extrémité libre de chaque branche reprenant les efforts principalement dus aux effets centrifuges, caractérisé en ce que le support discoïdal présente au moins une zone d'enlèvement de matière contribuant à une diminution de la rigidité radiale du support discoïdal, ladite au moins une zone d'enlèvement de matière présentant au moins un évidement s'étendant dans l'épaisseur du support discoïdal en débouchant ou non du support discoïdal et/ou au moins une rainure creusée dans le support discoïdal. Le support discoïdal avec ses branches ne forme pas un disque complet en l'absence des aimants insérés entre les branches mais le forme après cette insertion, d'où son appellation de discoïdal quand intégré dans le rotor.

La démarche de l'état de la technique pour réaliser un rotor pouvant tourner à très haute vitesse était de rigidifier le rotor pour qu'il puisse résister à des forces centrifuges élevées.

La démarche de la présente invention va dans une direction totalement contraire et vainc ce préjugé en proposant un support discoïdal se déformant davantage sous des efforts radiaux dus aux effets centrifuges. La présente invention propose de diminuer la rigidité radiale du support discoïdal et donc du rotor afin de laisser le support se déformer radialement un peu plus et que l'effort principalement dû à la force centrifuge se reporte sur la frette entourant le support discoïdal.

L'enlèvement de matière dans une ou des zones peut prendre différentes formes, par exemple sous forme d'au moins une entaille débouchante ou non et/ou d'au moins une rainure. L'important est que le support discoïdal soit rendu plus flexible radialement sans bien sûr affaiblir notoirement sa résistance mécanique en le fragilisant localement.

Une plus grande charge, créée par les aimants dans chaque logement lors de la rotation du rotor, est dirigée vers la frette. La contrainte dans le support discoïdal s'en trouve de fait amoindrie. Ceci permet, soit d'augmenter la vitesse de rotation du rotor, soit de choisir un matériau pour le rotor moins résistant et donc moins cher.

II convient de concevoir une taille d'évidement et/ou de rainure ne dépassant pas une taille maximale qui pourrait créer une zone de moindre résistance pour le support discoïdal.

Avantageusement, ledit au moins un évidement débouchant ou non est porté par chaque branche du support discoïdal et/ou ladite au moins une rainure est portée par une couronne interne du support discoïdal solidarisé avec une extrémité opposée à l'extrémité libre de chaque branche. Une répartition en symétrie de révolution de l'évidement ou des évidements et de la rainure ou des rainures est très avantageuse pour ne pas créer de déséquilibre lors de la rotation du support discoïdal. Avantageusement, chaque branche porte plusieurs évidements débouchant ou non, c'est-à-dire des évidements borgnes ou non borgnes, les évidements s'étendant successivement dans une longueur de leur branche associée. Les évidements sont séparés par suffisamment de matière de la branche pour ne pas la faire casser.

Avantageusement, les évidements s'étendent de 30 à 80% de la longueur de leur branche associée. Ceci dépend de la résistance mécanique du matériau du support discoïdal. Plus cette résistance est élevée et plus il est possible d'insérer des évidements borgnes ou non borgnes.

Avantageusement, la couronne interne porte au moins une rainure concentrique à un axe de rotation du rotor entourant complètement à distance l'axe de rotation. L'enlèvement de matière présente alors une symétrie de révolution autour de l'axe de rotation du rotor et du support discoïdal qui est favorable à l'équilibre en rotation du support discoïdal.

Avantageusement, ladite au moins une rainure occupe de 10 à 70% de la surface de la couronne interne. Il peut être considéré des rainures de grande largeur et de petite profondeur comme des rainures de petite largeur et de grande profondeur. Les dimensions de la ou des rainures dépendent des propriétés de résistance mécanique du matériau du support discoïdal.

Avantageusement, chaque logement délimité par des branches reçoit une structure d'aimant en trois dimensions constituée d'une pluralité d'aimants unitaires, la structure d'aimant intégrant au moins un maillage présentant des mailles délimitant chacune un interstice pour un aimant unitaire respectif, chaque interstice présentant des dimensions internes justes suffisantes pour permettre une introduction d'un aimant unitaire en son intérieur tout en laissant un espace entre l'interstice et l'aimant unitaire rempli par une résine renforcée de fibres, les mailles étant en matériau isolant renforcé de fibres.

Le but de ce mode de réalisation optionnelle est de décomposer un ou des aimants dans un rotor selon l'état de la technique en une pluralité de petits ou micro-aimants. Un aimant de dimensions importantes est sujet à des pertes par courants de Foucault plus importantes que son équivalent en petits ou micro-aimants. L'utilisation de petits aimants ou de micro-aimants permet donc de réduire ces pertes qui sont préjudiciables au fonctionnement du rotor.

Le rotor à aimants placés dans des interstices ou alvéoles de la présente invention est conçu de façon à réduire les pertes dans le rotor avec des moyens de solidarisation permettant de maintenir les aimants et de pallier à l'effet de la force centrifuge à très haute vitesse.

La fissuration d'un aimant relativement important est souvent la raison d'un dysfonctionnement d'un actionneur électromagnétique. La présente invention entend éviter ce dommage par la présence d'une pluralité d'aimants unitaires plus petits que l'aimant qu'ils remplacent.

Se pose alors le problème de décollement d'un aimant unitaire de son interstice. Ceci est résolu du fait du mode de collage proposé par la présente invention. L'interstice est calculé au plus juste pour bien maintenir l'aimant unitaire qu'il reçoit en ne laissant entre eux que la place suffisante pour l'injection de résine. La résine est elle-même renforcée de fibres pour avoir des caractéristiques de tenue mécanique renforcée.

Avantageusement, ledit au moins un maillage est sous forme d'un nid d'abeille présentant des interstices de section hexagonale.

Un maillage en nid d'abeille est connu pour renforcer la résistance d'un élément, dans le cas présent une structure d'aimant. Les aimants unitaires sont insérés dans des interstices hexagonaux qui assurent leur maintien. Les parois des interstices servent d'isolant électrique et la densité des interstices dans la structure d'aimant à multiples aimants unitaires peut être considérablement augmentée. Le maillage en nid d'abeille peut être en matériau composite isolant renforcé de fibres.

Avantageusement, une couche de composite non conductrice enrobe les aimants unitaires et le maillage, la couche de composite comprenant des fibres de renforcement comme des fibres de verre ou des fibres en matière plastique.

Avantageusement, le support discoïdal est inséré entre deux disques de recouvrement, les disques de recouvrement étant collés sur des faces respectives du support discoïdal, le support discoïdal, les deux disques de recouvrement et la frette étant en matériau composite.

L'invention concerne un moteur ou une génératrice électromagnétique à flux axial caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tel rotor, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant au moins un stator portant au moins un bobinage, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant un ou plusieurs entrefers entre ledit au moins un rotor et ledit au moins un stator. Avantageusement, le moteur ou la machine électromagnétique comprend au moins un rotor associé à deux stators.

D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :

- la figure 1 est une représentation schématique d'une vue en éclaté d'un rotor destiné à une machine électromagnétique à flux axial selon une première forme de réalisation de la présente invention, un seul aimant étant inséré entre deux branches adjacentes d'un support discoïdal des aimants,

- la figure 2 est une représentation schématique d'une vue d'un mode de réalisation d'un support discoïdal faisant partie du rotor selon la présente invention, le support discoïdal étant à cette figure entourée d'une frette,

- la figure 3 est une représentation schématique d'une vue d'un mode de réalisation d'un support discoïdal faisant partie du rotor selon la présente invention, le support discoïdal étant représenté sans être associé avec une frette et sans aimants insérés entre les branches,

- la figure 4 est une représentation schématique d'une vue en éclaté d'un rotor destiné à une machine électromagnétique à flux axial selon une deuxième forme de réalisation de la présente invention, une structure d'aimant comprenant une pluralité d'aimants étant insérée entre chaque branche du support discoïdal.

Les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les dimensions des différentes pièces ne sont pas représentatives de la réalité.

En se référant à toutes les figures, la présente invention concerne un rotor d'un moteur ou d'une génératrice électromagnétique présentant au moins un support discoïdal 6, 6a logeant une pluralité d'aimants 3. Il peut par exemple y avoir un support discoïdal 6, 6a de chaque côté du rotor pour un rotor est à flux axial. Le support discoïdal 6, 6a présente une forme de disque complet uniquement quand des aimants 3 sont insérés entre des branches que le support 6, 6a comporte. Ledit au moins un support discoïdal 6, 6a comporte des branches 6a délimitant entre elles des logements recevant chacun un aimant 3 ou plusieurs aimants. Les branches 6a sont portées par une couronne interne 6 faisant partie du support discoïdal 6, 6a.

A la figure 1 , seul un aimant 3 est inséré entre deux branches 6a adjacentes du support discoïdal 6, 6a.

Par exemple à la figure 4, chaque aimant 3 logé entre deux branches 6a est une unité 3 respective composée d'un maillage ou structure alvéolaire 9a recevant des aimants unitaires 8, le maillage 9a comprenant des interstices 9, chaque aimant unitaire 8 étant inséré dans un interstice 9 ou alvéole respectif.

La présente invention concerne un rotor d'un moteur ou d'une génératrice électromagnétique présentant au moins un support discoïdal 6, 6a logeant une pluralité d'aimants 3. Selon l'invention ledit au moins un support discoïdal 6, 6a comporte des branches 6a délimitant entre elles des logements recevant chacun un ou plusieurs aimants 3. Le support discoïdal 6, 6a présente au moins une zone d'enlèvement de matière 7, 7a contribuant à une diminution de la rigidité radiale du support discoïdal 6, 6a, une frette 5 entourant une extrémité libre de chaque branche 6a, reprenant quant à elle des efforts principalement dus aux effets centrifuges.

La ou les zones d'enlèvement de matière 7, 7a peuvent être sous forme de rainure, d'entaille ou d'évidement 7a débouchant ou non à travers le support discoïdal 6, 6a.

Par exemple, la ou les zones d'enlèvement de matière peuvent présenter au moins un évidement 7a s'étendant dans l'épaisseur du support discoïdal 6, 6a en débouchant ou non du support discoïdal 6, 6a et/ou au moins une rainure 7a creusée dans le support discoïdal 6, 6a, notamment dans sa couronne périphérique interne. Ceci est visible particulièrement aux figures 2 et 3.

Le ou les évidements 7a débouchants ou non peuvent être portés par chaque branche 6a du support discoïdal 6, 6a et/ou ladite au moins une rainure 7a peut être portée par la couronne interne 6 du support discoïdal 6, 6a, la couronne interne 6 étant solidarisée avec une extrémité opposée à l'extrémité libre de chaque branche 6a. Chaque branche 6a peut porter plusieurs évidements 7a débouchants ou non, les évidements 7a s'étendant successivement dans une longueur de leur branche 6a associée. Il est avantageux que le nombre d'évidements 7a portés par chacune des branches soit le même pour toutes les branches 6a pour une question d'équilibre du support discoïdal 6, 6a.

Aux figures 2 et 3, il est montré trois évidements 7a par branche, les évidements 7a s'étendant dans la longueur de leur branche tout en étant séparés par de la matière des branches. Les évidements 7a peuvent s'étendre de 30 à 80% de la longueur de leur branche 6a associée.

La couronne interne 6 du support discoïdal 6, 6a peut porter au moins une rainure 7a concentrique à un axe de rotation du rotor entourant complètement à distance l'axe de rotation. La ou les rainures 7a peuvent occuper de 10 à 70% de la surface de la couronne interne 6 du support discoïdal 6, 6a.

Aux figures 1 et 4, dans deux formes respectives de réalisation préférentielle de l'invention, le rotor est à flux axial, donc destiné à un moteur ou génératrice à flux axial.

Dans ces deux formes de réalisation, ledit au moins un support discoïdal 6, 6a est de forme discoïdal et partiellement creux en comportant des branches 6a s'étendant sensiblement radialement ou inclinées en direction radiale entre un pourtour interne sous forme d'une couronne interne 6 délimitant intérieurement un passage pour un arbre de rotation du rotor et un pourtour externe formée par une frette 5 disposée tout autour du support discoïdal 6, 6a.

Les branches 6a peuvent être inclinées par rapport à l'arbre de rotation du rotor comme le sont des pales d'hélice et avoir une largeur grandissante plus on s'éloigne du centre du support discoïdal 6, 6a.

Les branches peuvent présenter leur extrémité libre avec un bord axialement recourbé vers l'intérieur du support discoïdal 6, 6a afin de former des butées axiales pour des portions d'extrémité d'aimant ou d'une structure d'aimant 3 permettant de retenir les aimants 3 contre une force centrifuge en complément de la frette 5.

Dans ces deux formes de réalisation, ledit au moins un support discoïdal 6, 6a peut être recouvert sur au moins une face par un disque de recouvrement 1 en tant que moyens de maintien axial de consolidation du rotor. Ceci peut se faire sur les deux faces opposées par un disque de recouvrement 1 respectif. Les disques de recouvrement 1 sont collés contre une face respective du support discoïdal 6, 6a. Il pourra être pris soin de ne pas combler les zones d'enlèvement de matière 7, 7a lors du collage des disques de recouvrement 1 . La référence 2 représente un disque de colle pour chaque disque de recouvrement 1.

Dans la première forme de réalisation préférentielle montrée à la figure 1 , un unique aimant 3 peut être inséré entre deux branches 6a adjacentes du support discoïdal 6, 6a. Le contour de l'unique aimant 3 est collé par un cordon de colle 4 contre les deux branches 6a adjacentes.

Dans la deuxième forme de réalisation préférentielle montrée à la figure 4, chaque unité 3 d'aimant logée entre deux branches 6a adjacentes peut être composée d'une structure alvéolaire ou maillage 9a pouvant comprendre des interstices 9 ou alvéoles traversants ou non sur chaque face du support discoïdal 6, 6a et logeant des aimants unitaires 8, sous forme de petits aimants. Chacun des aimants unitaires 8 logés dans un interstice 9 respectif peut donc déboucher sur chaque face du support discoïdal 6, 6a.

Ainsi, comme montré à la figure 4, chaque logement délimité par des branches 6a peut recevoir une structure d'aimant 3 en trois dimensions constituée d'une pluralité d'aimants unitaires 8, la structure d'aimant 3 intégrant au moins un maillage 9a présentant des mailles délimitant chacune un interstice 9 ou une alvéole pour un aimant unitaire 8 respectif.

Chaque interstice 9 peut présenter des dimensions internes justes suffisantes pour permettre une introduction d'un aimant unitaire 8 en son intérieur tout en laissant un espace entre l'interstice 9 et l'aimant unitaire 8 rempli par une résine renforcée de fibres, les mailles étant en matériau isolant renforcé de fibres.

Le but de cette forme de réalisation optionnelle mais non limitative est de remplacer un ou plusieurs aimants 3 de taille importante par une pluralité d'aimants unitaires 8. Il y a donc une création de flux magnétique par une multitude d'aimants unitaires 8 dont le nombre est d'au moins 20 et peut même dépasser 100 par pôle aimant.

Un rotor de l'état de la technique pouvait comprendre de 1 à 5 aimants alors que la présente invention dans cette forme de réalisation préférentielle mais non limitative peut prévoir beaucoup plus d'aimants de petite taille. Les aimants unitaires 8 selon la présente invention peuvent être insérés dans les interstices 9 respectives par un robot. Pour un rotor de taille moyenne, les aimants unitaires 8 dans le cadre de la présente invention peuvent avoir une dimension de 3 mm.

Avantageusement, ledit au moins un maillage 9a est sous forme d'un nid d'abeille présentant des interstices 9 de section hexagonale.

Un maillage 9a en nid d'abeille est connu pour renforcer la résistance d'un élément, dans le cas présent un support discoïdal 6, 6a et ses structures d'aimant 3 composées d'aimants unitaires 8. Les aimants unitaires 8 sont insérés dans des interstices 9 hexagonaux qui assurent leur maintien. Les parois des interstices 9 peuvent servir d'isolant électrique et la densité des interstices 9 dans le maillage 9a peut être considérablement augmentée. Le maillage en nid d'abeille peut être en matériau composite isolant renforcé de fibres.

Chaque aimant unitaire 8 peut être sous la forme d'un plot allongé pénétrant eh longueur dans son interstice 9 associé s'étendant selon l'épaisseur du support discoïdal 6, 6a. Le plot allongé peut être cylindrique ou sous forme d'un polyèdre avec au moins une face longitudinale plane et, quand ledit au moins un maillage 9a est sous forme d'un nid d'abeille, chaque plot peut présenter une face longitudinale de forme hexagonale.

Les aimants unitaires 8 et leur interstice 9 respectif peuvent être de forme variable avec leurs pôles orientés dans des directions parallèles ou divergentes. Par exemple, les dimensions des interstices 9 peuvent différer d'un interstice 9 à un autre. Les interstices 9 peuvent ne pas être obligatoirement de forme hexagonale bien que cela soit préféré.

Une couche de composite non conductrice peut enrober les aimants unitaires 8 et le maillage 9a, la couche de composite comprenant des fibres de renforcement comme des fibres de verre ou des fibres en matière plastique.

Afin d'avoir un rotor sans fer, ce qui diminue le couple de détente, le support discoïdal 6, 6a, les deux disques de recouvrement 1 collés autour du support discoïdal 6, 6a et la frette 5 peuvent être en matériau composite ou en matériau plastique.

L'invention concerne aussi un moteur ou génératrice électromagnétique à flux axial comprenant au moins un tel rotor. Le moteur ou la génératrice électromagnétique peut comprendre au moins un stator portant au moins un bobinage, le moteur ou la génératrice électromagnétique comprenant un ou plusieurs entrefers entre ledit au moins un rotor et ledit au moins un stator.

De préférence, le moteur ou la génératrice électromagnétique peut comprendre au moins un rotor associé à deux stators.

Chaque stator peut comporter un circuit magnétique associé à un bobinage. Le stator peut présenter des dents ou des encoches ouvertes ou fermées. Une carcasse permet de protéger le moteur ou la génératrice électromagnétique. Les stators pouvant être connectés en série ou en parallèle. Le décalage d'un stator d'un angle l'un par rapport à l'autre, combiné à la forme des encoches et à la forme des aimants permet de réduire la variation de couple et le couple de détente.

Le moteur ou la génératrice électromagnétique peut fonctionner à des vitesses très élevées avec ou sans multiplicateur de vitesses. Le moteur ou la génératrice peut comprendre au moins deux stators connectés en série ou en parallèle ou au moins deux rotors.

Le rotor peut comprendre un arbre de rotation s'étendant perpendiculairement aux faces circulaires du rotor en traversant les deux stators. Le rotor peut être porté par au moins deux roulements, avec un roulement associé à un stator respectif pour permettre sa rotation par rapport aux stators.