"Rotor de machine électrique tournante comportant un élément magnétique entre deux dents adjacentes."

L'invention propose un rotor de machine électrique comportant au moins un élément magnétique qui est agencé entre deux dents adjacentes, et qui est réalisé en plusieurs parties.

L'invention propose plus particulièrement un rotor de machine électrique tournante qui comporte deux roues polaires dont chacune s'étend globalement radialement par rapport à l'axe principal du rotor, et comporte une série de dents axiales, dont chaque dent s'étend axialement vers l'intérieur depuis la roue polaire associée, en direction de l'autre roue polaire, de manière que chaque dent d'une roue polaire est située dans l'espace existant entre deux dents consécutives de l'autre roue polaire et au moins un élément magnétique d'orientation principale longitudinale qui est agencé transversalement entre deux dents adjacentes appartenant respectivement à chaque roue polaire, et qui comporte au moins un aimant.

Selon un mode de réalisation connu, par exemple comme décrit dans les documents EP-A-0.762.617 et FR-A-2.784.248, le rotor comporte des aimants agencés transversalement entre les dents axiales.

Les aimants ont pour fonction principale de réduire les fuites de flux magnétique au niveau de l'espace entre deux dents adjacentes, ainsi que de renforcer le flux magnétique par la création d'un flux d'aimant propre. Ainsi, les propriétés magnétiques générales du rotor sont déterminées en partie par les aimants.

Le nombre d'aimants placés dans un rotor est variable et dépend des caractéristiques recherchées pour la machine électrique tournante. Il est ainsi possible de réaliser des machines ayant un nombre d'aimants différent.

Ainsi, lors de la réalisation de deux séries de rotors entre lesquelles seul le nombre d'aimants diffère, les modifications de l'installation d'assemblage des rotors pour le changement de série pourraient être trop importantes pour être rentables. C'est pourquoi il est généralement préféré de réaliser des rotors permettant de conserver le même nombre d'aimants pour toutes les séries de rotors. Par conséquent, les rotors de certaines séries comportent plus d'aimants que nécessaires.

Le flux magnétique produit par les aimants qui sont montés sur ces rotors, est alors supérieur à celui nécessaire, et les performances du rotor ne sont pas optimisées par rapport à son utilisation prévue.

L'invention a pour but de proposer un rotor comportant un élément magnétique monté entre deux dents adjacentes et dont la valeur du flux magnétique crée par cet élément magnétique est optimisée pour l'utilisation voulue de la machine électrique.

- Dans ce but, l'invention propose un rotor caractérisé en ce que l'élément magnétique comporte au moins une cale de support réalisée en un matériau non magnétique qui est montée sur une face d'extrémité transversale de l'aimant, et des moyens de liaison de la cale avec l'aimant.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention :

- l'élément magnétique comporte deux cales réparties transversalement de part et d'autre de l'aimant ; - l'élément magnétique comporte deux aimants répartis transversalement de part et d'autre de la cale ;

- l'élément magnétique comporte une cale externe qui est montée sur la face d'extrémité radiale externe de l'aimant ;

- les dimensions de l'aimant et les dimensions de la cale sont déterminées en fonction des dimensions de l'élément magnétique et en fonction des propriétés magnétiques globales de l'élément magnétique ;

- le rapport entre la largeur de l'aimant sur la largeur de l'élément magnétique est compris entre 0,4 et 1 ;

- la cale est liée à l'aimant par l'intermédiaire d'une couche de colle agencée entre la cale et l'aimant ; - la cale est liée à l'aimant par surmoulage de matériau non magnétique autour d'au moins une partie de l'aimant ;

- la cale est réalisée venue de matière avec les moyens de liaison.

Les faces latérales des dents des roues polaires comportent avantageusement chacune une gorge s'étendant suivant la direction longitudinale des faces latérales.

L'aimant est par exemple réalisé au moins partiellement en terre rare.

La cale peut être pleine de manière à ce qu'aucun passage d'air ne soit formé entre l'aimant et la face latérale de la dent de la roue polaire.

En variante, la cale peut être agencée pour former au moins un passage d'air entre l'aimant et la face latérale de la dent pour permettre un refroidissement de l'aimant. La cale peut être réalisée au moins partiellement en matière thermodurcissable ou thermoplastique.

En variante, la cale est réalisée au moins partiellement en aluminium .

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles :

- la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un rotor comportant des éléments magnétiques ;

- la figure 2 est une vue à plus grande échelle en section suivant un plan radial transversal du rotor représenté à la figure 1 , montrant la structure de l'élément magnétique ;

- les figures 3 à 5 sont des vues similaires à celle de la figure 2, montrant des variantes de réalisation de l'élément magnétique ;

- la figure 6 représente l'évolution du ratio "B/Br" en fonction du ratio "La/Lg" à 20 °C et 120 °C ;

- la figure 7 représente la caractéristique magnétique de l'aimant appartenant à l'élément magnétique.

On a représenté à la figure 1 un rotor 10 de machine électrique tournante qui est monté solidaire d'un arbre central (non représenté) à rotation autour de l'axe principal A du rotor 1 0.

Le rotor 10 est un rotor à griffes, qui comporte notamment deux roues polaires 12 axialement juxtaposées et présentant chacune un flasque radial 14 de forme annulaire pourvu à sa périphérie extérieure de griffes 1 6. Un bobinage d'excitation (non représenté) est implanté axialement entre les flasques 14 des roues polaires 12.

Chaque griffe 16 comporte un tronçon d'enracinement 1 8 qui est prolongé à sa périphérie extérieure par une dent 20 d'orientation globalement axiale. Un entrefer annulaire existe entre la face périphérique extérieure 20e des dents 20 et la périphérie intérieure du corps du stator 16.

Les dents 20 sont globalement de forme trapézoïdale et sont dirigées axialement vers le flasque 14 de l'autre roue polaire 12, la dent 20 d'une roue polaire 12 pénétrant dans l'espace existant entre deux dents 20 consécutives de l'autre roue polaire 12, de sorte que les dents 20 des roues polaires 12 soient imbriquées.

De manière connue en soi, chaque dent 20 comporte deux faces latérales 22 dont chacune s'étend parallèlement et à distance d'une face latérale 22 en vis-à-vis d'une deuxième dent 20 adjacente, et appartenant à l'autre roue polaire 12.

Par la suite, une première dent 20 appartenant à une roue polaire 12, et une deuxième dent 20 appartenant à l'autre roue 12,

qui possèdent chacune une face latérale 22 en vis-à-vis de la face latérale 22 de l'autre dent 20, seront désignées comme étant deux dents 20 adjacentes.

Comme on peut le voir aux figures 2 à 4, le rotor 10 comporte des éléments magnétiques 24 interposés entre deux dents 20 adjacentes, qui réduisent les fuites de flux magnétique au niveau de l'espace entre deux dents 20 adjacentes, et qui contribuent à renforcer le flux magnétique.

Selon un mode de réalisation préféré, le nombre de ces éléments magnétiques 24 est déterminé de façon qu'il soit inférieur au nombre de pôles du rotor 10 et que leur disposition soit symétrique par rapport à l'axe du rotor 10. Il est par exemple prévu quatre paires d'éléments magnétiques 24 pour huit paires de pôles.

Dans la description qui va suivre, on fera référence à deux dents 20 adjacentes et à l'élément magnétique 24 associé qui est agencé entre ces deux dents 20. De plus, on adoptera à titre non limitatif les orientations verticale et transversale selon le repère V, T indiqué aux figures 2 à 5 pour lesquelles l'orientation verticale correspond l'orientation radiale par rapport à l'axe principal A du rotor 1 0 passant par un plan médian de l'élément magnétique 24 et l'orientation transversale correspond à la normale à la face latérale 22 des deux dents 20 adjacentes, l'orientation longitudinale correspondant à l'axe principal de l'élément magnétique 24.

Les dents 20 étant identiques, il sera compris que cette description s'applique de manière identique aux autres dents 20.

Comme on peut le voir plus en détails aux figures 2 et suivantes, les faces latérales 22 en vis-à-vis des deux dents 20 comportent chacune une gorge 26, ou rainure, qui s'étend suivant la direction longitudinale de la face latérale 22. La section de chaque gorge 26 suivant un plan vertical transversal est en forme de "U" ouvert transversalement vers l'autre gorge 26, et la gorge 26 comporte un fond 26a vertical et deux ailes transversales 26b qui sont ici parallèles.

Les deux gorges 26 des deux dents 20 adjacentes délimitent ainsi un logement longitudinal dans lequel l'élément magnétique 24 est logé.

Conformément à l'invention , chaque élément magnétique 24 est réalisé en plusieurs parties, et il comporte au moins un aimant permanent 28, au moins une cale de support 30, et des moyens de liaison de la cale de support 30 avec l'aimant permanent 28.

Chaque aimant 28 est réalisé de manière conventionnelle, par frittage de poudre magnétique ou par usinage d'un bloc de matériau magnétique.

Chaque cale de support 30 est réalisée en un matériau non magnétique qui est défini de manière que la cale de support 30 n'ait aucune influence sur les propriétés magnétiques de l'élément magnétique 24. Par exemple, la cale de support 30 est réalisée en matière plastique ou en aluminium.

Ainsi, la cale 30 contribue à la création d'un entrefer supplémentaire.

La cale 30 est montée sur une face verticale d'extrémité transversale 28a en vis-à-vis de l'aimant 28. Postérieurement à l'assemblage des aimants 28 et des cales

30 pour former un élément magnétique 24, l'élément magnétique 24 est ensuite placé dans un champ magnétique de manière à procéder à l'aimantation de l'élément magnétique 24.

Ici, l'élément magnétique 24 est de forme globalement parallélépipédique, ainsi que l'aimant 28 et la cale 30.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 2, l'élément magnétique 24 comporte un seul aimant 28 et une seule cale 30, qui sont chacun agencés à une extrémité transversale de l'élément magnétique 24. De plus, l'aimant 28 et la cale 30 sont chacun reçus dans une gorge 26 associée.

On a représenté à la figure 3 un deuxième mode de réalisation de l'invention selon laquelle l'élément magnétique 24 comporte deux aimants 28 et une seule cale 30. De plus, les deux

aimants 28 sont agencés transversalement de part et d'autre de la cale 30, et chaque aimant 28 est reçu dans une gorge 26 associée.

On a représenté à la figure 4 un troisième mode de réalisation de l'invention selon laquelle l'élément magnétique 24 comporte deux cales 30 et un seul aimant 28. De plus, les deux cales 30 sont agencées transversalement de part et d'autre de l'aimant 28, et chaque cale 30 est reçue dans une gorge 26 associée.

La réalisation de l'élément magnétique 24 à partir de deux éléments possédant des propriétés magnétiques différentes permet d'ajuster le flux magnétique global crée par les éléments magnétiques 24.

En effet, le flux magnétique global crée par les éléments magnétiques 24 correspond à la somme des flux magnétiques crée par chaque élément magnétique.

Le flux magnétique crée par chaque élément magnétique est égal au produit de la densité de flux de fonctionnement "B " de l'élément magnétique par la surface "S " en vis-à-vis entre l'aimant de l'élément magnétique et la surface de la griffe.

"B " est déterminée à partir de la courbe d'aimantation de la figure 7 et correspond à l'ordonnée du point C de contact entre la caractéristique magnétique de l'aimant 28 (courbe ω) et la droite δ dont la pente est notamment liée aux entrefers du chemin principal traversé par le flux et à la largeur "La" de l'aimant 28.

Les entrefers comprennent, par exemple, l'espace situé entre la face périphérique extérieure 20e des dents 20 et la périphérie intérieure du corps du stator 16.

"Br" correspond à la densité du flux rémanent lorsque le champ magnétique H est nul.

Ainsi, plus la dimension transversale "La" de chaque aimant 28 est importante, plus la droite δ tend vers l'axe des ordonnées. La

densité magnétique de fonctionnement "B " de l'aimant tend alors vers "Br" et le flux magnétique créé par l'élément magnétique 24 est augmente.

Ainsi, conformément à l'invention , les dimensions de l'aimant 28, ou des deux aimants 28 formant l'élément magnétique 24 sont déterminées en fonction de la valeur du flux magnétique que l'on désire obtenir.

Les dimensions de l'élément magnétique 24, principalement sa largeur transversale "Lg" sont déterminées en fonction des dimensions des deux gorges 26, de manière que la largeur transversale "Lg" de l'élément magnétique est sensiblement égale à la distance entre les fonds 26a des deux gorges 26.

Ainsi, les dimensions de chaque cale 30 sont alors déterminées en fonction des dimensions de chaque aimant 26, de manière à ajuster les dimensions de l'élément magnétique 24 aux dimensions du logement défini par les deux gorges en vis-à-vis.

On a représenté à la figure 6 la variation du rapport "B/Br" en fonction du rapport "La/Lg". Comme déjà précisé ci-dessus, "B" représente la densité du flux de fonctionnement de l'élément magnétique 24, "Br" représente la densité du flux rémanent, "La" représente la largeur de l'aimant

28 dans l'élément magnétique 24, "Lg" représente la largeur transversale de l'élément magnétique 24. La densité du flux rémanent correspond à la densité du flux permanent subsistant dans l'aimant à l'issue de la phase d'aimantation.

Grâce à la courbe de la figure 6, on peut déduire la largeur

"La" de l'aimant 28 selon les propriétés magnétiques recherchées de l'élément magnétique 24, c'est-à-dire selon la densité du flux de fonctionnement recherché.

L'évolution du rapport "B/Br" en fonction du rapport "La/Lg" est différente selon la température à laquelle est soumise l'élément magnétique 24.

Ainsi à T1 , proche de 20, ° la caractéristique de la courbe est linéaire. A T2, proche de 120 °, la courbe est dans un premier temps non linéaire lorsque le rapport La/Lg est petit, puis devient ensuite linéaire. En effet, la caractéristique de l'aimant appartenant à l'élément magnétique se dégrade quand la température augmente. Cette dégradation est accentuée lorsque le rapport La/Lg est faible. Or au cours du fonctionnement de la machine, la température de l'aimant est voisine de T2. Ainsi, en travaillant dans la partie linéaire de la courbe de T2, on peut adapter la densité du flux de fonctionnement selon la largeur "La" de la partie aimantée.

La densité du flux de fonctionnement "B" minimal est fixée par la limite de fonctionnement linéaire de l'aimant à la température T2.

Ainsi, au regard de la courbe de T2, on doit travailler dans la partie de la courbe telle que le rapport "La/Lg" soit supérieur à 0,4. On évite ainsi de démagnétiser totalement l'aimant 28.

Par la courbe de T2 on peut déterminer plus facilement les dimensions de l'aimant 28 en fonction de la densité du flux de fonctionnement "B" désiré et selon la distance "Lg" disponible entre les deux gorges 26. II sera compris que lorsque l'élément magnétique 24 comporte plusieurs aimants 28, comme par exemple dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, la largeur "La" d'aimant 28 qui est déterminée selon les modes de réalisation décrits ci-dessus, correspond à la somme des largeurs de tous les aimants 28 de l'élément magnétique 24.

D'une manière générale, l'utilisation de l'élément magnétique 24 est particulièrement avantageuse lorsque l'on désire monter un élément entre deux dents 20 adjacentes dont la valeur de la densité

du flux de fonctionnement est inférieure à la valeur de la densité du flux de fonctionnement d'un aimant plein monté entre les deux dents.

L'utilisation d'au moins une cale 30 permet alors d'adapter les dimensions de l'élément magnétique 24 aux dimensions des gorges 26.

La cale 30 étant réalisée en un matériau non magnétique, elle contribue à la création d'un entrefer supplémentaire.

De plus, l'utilisation d'une cale 30 dans l'élément magnétique 24 permet aussi d'ajouter certaines propriétés mécaniques à l'élément magnétique 24 par rapport à un aimant plein.

En effet, quelle que soit sa méthode de réalisation, un aimant 28 est un élément relativement fragile. Par contre, la cale 30 est réalisée en un matériau déformable élastiquement. Par conséquent, l'utilisation d'une cale 30 en matériau déformable élastiquement, pour réaliser l'élément magnétique 24 permet de compenser certains écarts dimensionnels du rotor 10 qui résulteraient par exemple en un décalage radial de deux gorges 26, c'est à dire un défaut d'alignement transversal, ou bien en une variation de la distance entre les fonds 26a des deux gorges 26.

Selon les modes de réalisations de l'invention représentés aux figures 2 à 5, la cale de support 30 est liée à chaque aimant 28 par l'intermédiaire d'une couche de colle 32.

La couche de colle 32 qui lie la cale 30 à l'aimant 28 est elle aussi réalisée en un matériau non magnétique. De plus, selon un aspect préféré de ces modes de réalisation, la couche de colle 32 est relativement souple, de manière qu'elle aussi permette à l'élément magnétique 24 d'assurer une adaptation de la forme de l'élément magnétique 24 aux éventuels écarts dimensionnels du rotor 10.

Selon une variante de réalisation non représentée des moyens de liaison de la cale 30 avec l'aimant 28, un matériau non

magnétique est surmoulé autour de l'aimant 28 et autour de la cale

30.

Selon un mode de réalisation préféré de cette variante, la cale 30 est réalisée venue de matière avec les moyens de liaison , c'est-à-dire que la cale 30 est réalisée au moins en partie par surmoulage de matériau non magnétique autour de l'aimant 28.

Lorsque la machine électrique comportant le rotor 1 0 est en fonctionnement, le rotor 1 0 tourne autour de son axe à une vitesse élevée, Par conséquent, puisque les dents 16 du rotor 1 0, et par conséquent les éléments magnétiques 24, sont agencés au niveau des extrémité radiales externes des flasques 14, chaque élément magnétique 24 est soumis à une force centrifuge élevée lors de la rotation du rotor 10. On a représenté à la figure 5 une variante de réalisation de l'invention selon laquelle l'élément magnétique 24 comporte une cale externe 34 qui s'étend transversalement sur toute la largeur

"Lg" de l'élément magnétique 24 et qui est en appui verticalement vers le haut contre l'aile transversale supérieure 26b de chaque gorge 26.

Ainsi, la cale externe est agencée radialement entre chaque aimant 28 et les ailes transversales supérieures 26b des gorges 26. Lors de la rotation du rotor 1 0, chaque aimant s'appuie contre la cale externe 34, qui amortit alors les efforts de compression de l'aimant 28 résultants de la force centrifuge ainsi que les éventuelles déformations des roue polaires 12.

L'élément magnétique 24 est apte à être monté sur un rotor

1 0 conventionnel, en remplacement d'un aimant plein . De plus, le montage de l'élément magnétique 24 sur un rotor ne nécessite aucune modification des installations d'assemblage du rotor 10, ce qui ne génère par conséquent aucune augmentation du coût de réalisation de la machine électrique tournante.

Le rotor qui vient d'être décrit comporte des éléments magnétiques 24 qui sont de forme parallélépipédique. Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et que les éléments magnétiques 24 peuvent être de forme différente, par exemple ils peuvent avoir une section transversale en forme de losange.