La présente invention concerne un rotor pour machine électromagnétique à flux axial tournant à des vitesses de rotation élevées et une machine électromagnétique équipée d'un tel rotor.

Avantageusement mais non limitativement, la machine électrique peut comprendre au moins un rotor encadré par deux stators.

La présente invention trouve une application avantageuse mais non limitative dans un moteur électrique 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 électrique dans un véhicule automobile totalement électrique ou hybride.

Une machine électromagnétique comprend au moins un stator et au moins un rotor, un entrefer séparant ces deux éléments. Le rotor porte au moins un aimant permanent, avantageusement une série d'aimants permanents, tandis qu'au moins une série d'éléments de bobinage est portée par le stator.

De manière classique, chacun des éléments de bobinage comprend une dent portant une bobine, la dent étant encadrée sur chacun de ses côtés par une encoche, un fil métallique bon conducteur étant enroulé sur la dent pour former la bobine.

Quand la série ou les séries de bobinages sont alimentées électriquement, le rotor qui est solidarisé à l'arbre de sortie du moteur est soumis à un couple résultant du champ magnétique, le flux magnétique créé étant un flux axial pour une machine électrique à flux axial.

La demande de machines électriques pouvant délivrer une puissance élevée tout en gardant un poids et un encombrement réduits est actuellement très forte.

Il est connu que la puissance P délivrée par une machine électrique est égale au couple C de la machine que multiplie la vitesse angulaire de rotation ω de la machine soit : P = C. ω

Pour augmenter la puissance, il convient d'augmenter le couple ou la vitesse angulaire ou vitesse de rotation ou les deux à la fois.

On différencie ainsi des moteurs « coupleux » des moteurs

« puissants ». Les moteurs « coupleux » sont des moteurs qui ne tournent pas forcément vite, mais pour lesquels la valeur du couple compense la faiblesse de cette vitesse de rotation. Les moteurs dits puissants sont ceux pour lesquels la valeur du couple n'est pas forcément très élevée mais qui tournent vite.

Pour l'obtention d'un moteur « coupleux », il convient d'avoir une surface d'aimant portée par le rotor et une série de bobinages sur le stator suffisamment importantes pour créer un fort couple. Cela présente des désavantages notoires.

Le premier désavantage est le poids d'un tel moteur avec des surfaces d'aimant et de bobinage importantes. Un tel moteur pèse lourd et présente un encombrement important.

Le deuxième désavantage est aussi son prix, le prix des aimants étant élevé de même que le prix des bobinages fréquemment fait à base de fils de cuivre.

Ces deux désavantages et principalement le premier freinent l'utilisation de moteurs électriques pour la propulsion de véhicules automobiles, étant donné que l'encombrement et le poids d'un tel moteur sont très préjudiciables à son embarquement dans un véhicule automobile pour lequel la diminution du poids et de l'encombrement des éléments embarqués est cruciale.

Le troisième désavantage d'un moteur « coupleux » est son refroidissement étant donné que les pertes en effet Joule d'un tel moteur sont importantes.

Ainsi, pour réduire l'encombrement d'un tel moteur en lui conférant une structure compacte, le risque de surchauffe du rotor est augmenté, d'autant plus que ce rotor comprend une surface d'aimants élevée pour obtenir un fort couple. Il se crée des courants de Foucault dans le moteur avec augmentation de la température dans le moteur et éventuellement perturbation des flux magnétiques créés, ce qui présente aussi le risque de diminution du rendement du moteur.

Dans ce cas, il convient de procéder au refroidissement du moteur et donc de le munir d'un dispositif de refroidissement ce qui augmente son poids et son encombrement de même que sa complexité.

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.

Le document FR-A-3 004 025 divulgue une machine électrique à flux axial censée concilier compacité, robustesse et performance. La machine électrique est dotée d'un rotor qui comprend une pluralité de pôles d'aimant disposés sur la partie périphérique du corps sous forme de disque du rotor. Les pôles d'aimant sont noyés dans un support rigidifié. Il est aussi prévu un élément d'arbre pour l'entraînement en rotation d'un arbre, cet élément d'arbre comprenant une série de butées, chaque butée étant aussi noyée dans le support, ces butées absorbant au moins les efforts de couple lors de la rotation du rotor. Ce document montre aussi l'utilisation d'une frette à la périphérie du corps du rotor.

Dans ce document, il est indiqué que le support rigidifié est en matériau composite, en résine thermodurcissable ou thermoplastique. Les butées présentent des surfaces sur lesquelles viennent buter le support rigidifié en matériau composite. Il s'ensuit des risques de rupture du corps en forme de disque du rotor à sa périphérie.

Le demandeur de la présente demande a constaté qu'un matériau composite noyant les aimants portés par le rotor ne permettait pas de rigidifier de manière suffisante et homogène, aussi bien dans un sens axial que dans un sens radial, le rotor d'où des risques de rupture élevés du rotor ou de détachement des aimants du rotor à grande vitesse de rotation.

Le document EP-A-2 773 023 décrit un rotor destiné à une machine électromagnétique à flux axial, le rotor comportant un corps sous forme d'un disque présentant deux faces circulaires reliées par une épaisseur ainsi qu'au moins un aimant permanent porté circulairement sur au moins une des deux faces en étant maintenu sur ladite face par des moyens de solidarisation, le corps étant à base de métal, ledit au moins un aimant s'étendant jusqu'à la périphérie de ladite face ou faisant saillie radialement de la périphérie de ladite face.

Ce document propose d'utiliser un réseau de fibres pour fixer les aimants sur le rotor. Un tel réseau de fibres ne permet pas d'obtenir automatiquement une liberté en déplacement radial ou axial pour les aimants si le réseau de fibres n'est pas spécifiquement configuré pour permettre un tel déplacement. Aucune indication n'est donnée à ce sujet dans ce document. Ainsi, un tel rotor n'est donc pas spécifiquement adapté à résister aux efforts dans toutes les directions de l'espace qu'il subit lors de vitesses de rotation élevées.

Le problème à la base de la présente invention est de concevoir un rotor pour une machine électromagnétique à flux axial qui puisse résister aux efforts dans toutes les directions de l'espace qu'il subit lors de vitesses de rotation élevées ou non de son rotor, tout en permettant d'évacuer les éventuelles pertes dues à des échauffements des aimants et de maximiser le flux magnétique dans l'entrefer.

A cet effet, on prévoit selon l'invention un rotor destiné à une machine électromagnétique à flux axial, le rotor comportant un corps sous forme d'un disque présentant deux faces circulaires reliées par une épaisseur ainsi qu'au moins un aimant permanent porté circulairement sur au moins une des deux faces en étant maintenu sur ladite face par des moyens de solidarisation, le corps étant à base de métal, ledit au moins un aimant s'étendant jusqu'à la périphérie de ladite face ou faisant saillie radialement de la périphérie de ladite face, caractérisé en ce que :

- une frette formant couronne en matériau composite est prévue à la périphérie du corps pour son encadrement, la frette entourant directement le bord dudit au moins un aimant extérieur au rotor,

- les moyens de solidarisation maintiennent ledit au moins un aimant en direction axiale du rotor tandis qu'ils lui laissent un jeu limité en direction radiale lui permettant d'effectuer un travail en compression contre la frette.

L'effet technique obtenu est une meilleure tenue du rotor aussi bien axialement que radialement et résulte d'un effet de synergie procuré par l'association de ces caractéristiques. D'une part, un corps à base de métal confère au rotor une bien meilleure tenue axiale qu'un corps en matériau composite.

De plus, il s'est avéré que le ou les aimants résistaient mieux à une sollicitation en compression plutôt qu'à une sollicitation en traction. En laissant un jeu radial limité à l'aimant ou aux aimants, il est possible que cet ou ces aimants travaillent en compression directement contre la frette.

Ainsi, il est évité des ruptures de zones du rotor pouvant fréquemment se trouver vers sa périphérie, ce qui était courant dans des rotors en matériau composite selon l'état de la technique.

Une frette déjà présente pour l'absorption des forces centrifuges sert de plus comme butée à l'aimant ou aux aimants pour effectuer leur travail en compression, ce qui est une économie de moyens.

De manière facultative, l'invention comprend en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes :

- ledit au moins un aimant est sous la forme d'une pluralité d'aimants disposés directement adjacents l'un à l'autre ou séparés par un espacement vide ou par une branche d'épaisseur moindre que les aimants, la pluralité d'aimants formant un anneau circulaire sur ladite au moins une face. Selon l'état de la technique il était prévu des bordures ou branches entre les aimants quand ceux-ci n'étaient pas entièrement noyés dans un matériau composite formant corps de rotor, ces bordures présentant une épaisseur plus grande que ou égale à celles des aimants. Il s'est avéré que ces bordures formaient des zones de fragilisation du rotor pouvant casser à cause des vibrations et plus principalement des forces centrifuges et peuvent également être le siège de pertes magnétiques importantes en cas d'épaisseur axiale importante. Un espacement vide ou une branche d'épaisseur réduite par rapport à celle des aimants concourt à une bonne rigidification du rotor tout en minimisant les pertes magnétiques qui pourraient être générées dans ces branches, notamment aux vitesses de rotation élevées.

- les aimants présentent des angles au sommet en étant sous la forme de tuiles polygonales, chaque angle au sommet de chaque aimant étant associé à un élément de reprise de couple, les éléments de reprise de couple formant au moins en partie les moyens de solidarisation des aimants. Ainsi, des éléments déjà présents sur le rotor, à savoir les éléments de reprise de couple peuvent occuper une fonction supplémentaire à savoir permettre de maintenir le ou les aimants tout en leur laissant un jeu radial limité. Les formes des aimants permettent de diminuer les pertes engendrées par les courants de Foucault, notamment à des vitesses de rotation élevées ce qui peut être avantageusement combiné avec la présence de branches d'épaisseur réduite par rapport à celle des aimants, avantageusement en métal, permettant de rigidifier axialement le rotor en limitant sa masse dans un volume donné et de permettre une reprise de couple importante.

- les éléments de reprise de couple présentent une élasticité en direction radiale du rotor.

- les moyens de solidarisation sont formés par une colle appliquée entre ledit au moins un aimant et la face associée du corps du rotor, la colle étant résistante à un décollement dudit au moins un aimant en direction axiale du rotor tout en permettant une élasticité en direction radiale. Ces moyens de solidarisation peuvent être pris en alternative ou en complément avec les moyens de solidarisation formés par les éléments de reprise de couple.

- le corps est en fer ou en un alliage à base de fer, en titane ou en oxyde de titane ou en un alliage à base de titane. Le fer présente l'avantage d'un prix bas mais le titane ou un alliage contenant du titane peut être préféré pour garantir une meilleure tenue axiale du rotor.

- la frette en matériau composite est formée de fibres choisies parmi les fibres de verre, de carbone, de fibres polymères ou minérales.

- le corps est percé de trous répartis autour d'un cercle concentrique aux faces circulaires du corps du rotor. Ces trous permettent la ventilation du rotor tout en allégeant son poids.

- les deux faces circulaires portent respectivement au moins un aimant réparti circulairement sur la face associée du corps du rotor. Ainsi, il peut être obtenu un rotor pouvant être associé à deux stators, chaque stator étant disposé sur un côté respectif du rotor.

- ledit au moins un aimant est choisi parmi les aimants ferrites, les aimants à base de terres rares comme des aimants néodyme-fer-bore ou des aimants samarium cobalt, des aimants à base d'aluminium, de nickel et de cobalt, avec ou sans liant thermoplastique. Avec un rotor à base de titane ou d'un mélange contenant du titane, de par le choix d'aimants sans fer, il peut être obtenu un rotor comportant un minimum de fer, ce qui est avantageux pour la diminution des courants de Foucault. Dans le cadre de l'invention, on prévoit une machine électromagnétique présentant au moins un stator portant une série d'éléments de bobinage et au moins un rotor portant au moins un aimant, caractérisée en ce que ledit au moins un rotor est un rotor tel que précédemment décrit. Une telle machine électromagnétique peut présenter un rotor spécifiquement adapté pour tourner à des vitesses élevées d'où un surcroît de puissance produite.

Avantageusement, quand ledit au moins un rotor présente les deux faces circulaires de son corps portant respectivement au moins un aimant réparti circulairement sur sa face associée, ledit au moins un rotor est encadré de chaque côté par un stator.

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 perspective d'un mode de réalisation d'une face d'un corps de rotor destiné à une machine électrique à flux axial selon la présente invention, le ou les aimants portés par cette face du corps du rotor ayant été omis à cette figure,

- la figure 2 est une représentation schématique d'une vue en perspective du même mode de réalisation qu'illustré à la figure 1 montrant un corps de rotor destiné à une machine électrique à flux axial selon la présente invention, le corps du rotor portant le ou les aimants et étant entouré d'une frette à cette figure,

- la figure 3 est une représentation schématique d'une vue de dessus d'une tuile formant un aimant permanent faisant partie d'une pluralité d'aimants permanents pouvant être solidarisés avec le corps du rotor destiné à une machine électrique à flux axial selon la présente invention .

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 aux figures 1 à 3, la présente invention concerne un rotor 1 destiné à une machine électromagnétique à flux axial. Le rotor 1

I comporte un corps 2 sous forme d'un disque présentant deux faces circulaires reliées par une épaisseur, une des deux faces étant visibles à la figure 1 .

Le rotor 1 comprend un moyeu 7 destiné à entraîner un arbre en rotation, cet arbre n'étant pas montré aux figures.

Le rotor 1 porte au moins un aimant 3 permanent, visible à la figure 2, porté circulairement sur au moins une des deux faces en étant maintenu sur ladite face par des moyens de solidarisation 4, visibles à la figure 1 .

A la figure 2, un seul aimant est référencé 3 mais ce qui est énoncé pour un aimant 3 s'applique à tous les aimants représentés à cette figure. Il en va de même pour les moyens de solidarisation 4 qui sont référencés à la figure 1 pour un seul groupe de moyens de solidarisation destiné à être solidarisé à un même aimant.

Le corps 2 du rotor 1 porte une frette 5 formant couronne en matériau composite, la frette 5 étant prévue à la périphérie du corps 2 pour son encadrement. Cette frette 5 sert essentiellement à absorber les forces centrifuges.

Selon la présente invention, le corps 2 du rotor 1 est à base de métal. De plus, le ou les aimants 3 s'étendent jusqu'à la périphérie de la face du corps 2 du rotor 1 les portant ou font saillie radialement de la périphérie de ladite face.

La frette 5 entoure directement le bord dudit au moins un aimant 3 extérieur au rotor 1 et est donc en contact direct avec le bord le plus externe de l'aimant ou des aimants 3.

Les moyens de solidarisation 4 maintiennent l'aimant ou les aimants 3 en direction axiale du rotor 1 tandis qu'ils lui laissent un jeu limité en direction radiale lui permettant d'effectuer un travail en compression contre la frette 5.

Ceci permet de faire travailler l'aimant ou les aimants en compression plutôt qu'un étirement ce qui est plus favorable pour leur résistance mécanique en compression qui peut être dix fois supérieure en compression qu'en traction.

A la figure 2, le ou les aimants sont sous la forme d'une pluralité d'aimants 3 disposés directement adjacents l'un à l'autre ou séparés par un espacement vide 8 afin de former un anneau circulaire sur ladite au moins une face. Dans l'exemple de réalisation montré à la figure 2, les aimants 3 sont au nombre de seize, ce qui n'est pas limitatif. Il est aussi possible de conserver une séparation entre les aimants faite d'une branche ou d'une bride intercalée entre deux aimants adjacents. Dans ce cas, cette branche ou bride est avantageusement d'une épaisseur moindre que l'aimant afin qu'elle soit plus éloignée du stator que les aimants et ainsi qu'il y ait moins de pertes magnétiques dues à la circulation de courants au sein de ces branches.

Les aimants 3 peuvent prendre diverses formes, par exemple en étant sous la forme de tuiles polygonales, par exemple des tuiles triangulaires ou en forme de quadrilatères.

Pour une tuile triangulaire, un sommet du triangle peut pointer avantageusement vers le centre du rotor 1 .

Comme il peut être particulièrement bien vu à la figure 3 tout en se référant aux autres figures pour les références, pour une tuile en forme de quadrilatère, cette tuile est un aimant unitaire 3 faisant partie d'une pluralité d'aimants formant un anneau sur au moins une face du corps 2 du rotor.

Cette tuile peut présenter un petit côté circulaire 9 formant base le plus interne à la face du corps 2 du rotor 1 . La succession des petits côtés circulaires 9 de la pluralité d'aimants délimite la circonférence interne de l'anneau formé par la succession d'aimants.

Cette tuile peut présenter un plus grand côté circulaire 10 formant le bord le plus externe de l'aimant 3 au rotor 1 , les plus grands côtés circulaires 10 des aimants 3 formant le bord externe des aimants en contact direct avec la frette 5.

Ainsi, de manière générale, les aimants 3 sont sous la forme de tuiles polygonales en pouvant présenter certains de leurs côtés arrondis.

Dans une première forme de réalisation de la présente invention, chaque angle au sommet de chaque aimant 3 peut être associé à un élément de reprise de couple 4, les éléments de reprise de couple 4 formant au moins en partie les moyens de solidarisation des aimants 3, les éléments de reprise de couple 4 étant visibles à la figure 1 .

Le couple est donc ainsi repris à la fois par les moyens de solidarisation, avantageusement par collage, et également par les branches qui transmettent l'effort à l'arbre.

Les éléments de reprise de couple 4 peuvent présenter une élasticité en direction radiale du rotor 1 et notamment vers l'extérieur du rotor 1 afin de permettre à l'aimant ou aux aimants 3 un jeu limité en direction radiale leur permettant d'effectuer un travail en compression contre la frette 5.

Dans une deuxième forme de réalisation de la présente invention, les moyens de solidarisation 4 sont formés par une colle appliquée entre le ou les aimants et la face associée du corps 2 du rotor 1 .

La colle est résistante à un décollement de l'aimant ou les aimants 3 en direction axiale du rotor 1 tout en présentant une élasticité en direction radiale toujours afin de permettre à l'aimant ou aux aimants 3 un jeu limité en direction radiale leur permettant d'effectuer un travail en compression contre la frette 5.

Le corps 2 du rotor 1 peut être à base de fer, en alliage de fer, en titane, en oxyde de titane ou en un alliage contenant du titane. La part de titane peut ne pas être la part prépondérante dans l'alliage.

La frette 5 en matériau composite peut être formée de fibres ou de bandes choisies parmi les fibres de verre, de carbone, de fibres polymères ou minérales.

Les fibres ou bandes consécutives peuvent être de nature ou de dimensions différentes. Il peut, par exemple, être mélangé des fibres de verre de composition différente, des fibres de plastique, par exemple en PEEK, en polyaramide ou des fibres de composite.

Les fibres sont avantageusement des fibres longues enlacées sur le bord externe de l'aimant ou des aimants avec de préférence l'utilisation d'une résine thermodurcissable ou thermoplastique. Divers procédés de positionnement et durcissement des fibres ou bandes peuvent être mis en œuvre, les fibres ou bandes pouvant être pré-imprégnées ou non.

Le corps 2 peut être percé de trous 6 régulièrement répartis autour d'un cercle concentrique aux faces circulaires du corps 2 du rotor 1 , les trous traversant le corps2 de part en part en débouchant sur chaque face circulaire.

Les deux faces circulaires du corps 2 du rotor 1 peuvent porter respectivement au moins un aimant 3 réparti circulairement sur sa face associée.

Ledit au moins un aimant 3 peut être choisi parmi les aimants ferrites, les aimants à base de terres rares comme des aimants néodyme-fer-bore ou des aimants samarium cobalt, des aimants à base d'aluminium, de nickel et de cobalt, avec ou sans liant thermoplastique. Un tel rotor 1 peut faire partie d'une machine électromagnétique présentant au moins un stator portant une série d'éléments de bobinage et au moins un rotor 1 portant au moins un aimant 3.

Quand ledit au moins un rotor 1 présente ses deux faces circulaires portant respectivement au moins un aimant 3 réparti circulairement sur sa face associée, ledit au moins un rotor 1 est encadré de chaque côté par un stator.

La disposition des aimants peut être choisie pour établir un champ magnétique augmenté du côté destiné à être tourné vers le stator associé en vis-à-vis, tandis que le champ magnétique est diminué ou annulé sur son côté opposé. On réduit ainsi la déperdition du champ magnétique.

Les stators peuvent être des stators dits bobinés, c'est-à-dire qu'ils peuvent présenter une série d'éléments de bobinage successifs composés respectivement d'un bobinage de fil métallique bon conducteur d'électricité, par exemple en aluminium ou en cuivre, d'une dent et de deux encoches encadrant chaque dent sur chacun de ses côtés.

Une telle machine électrique d'un poids réduit et délivrant une forte puissance du fait des vitesses de rotation permises au rotor peut avantageusement être utilisée comme moteur et génératrice électrique dans un véhicule automobile, mais ceci n'est pas limitatif.

L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples.