CONCENTRATION DE FLUX

La présente invention concerne les machines électriques tournantes, notamment les machines synchrones, dont les moteurs, et plus particulièrement les rotors de telles machines. L'invention s'intéresse aux rotors à aimants permanents et à concentration de flux. Les rotors à concentration de flux comportent une masse rotorique dans laquelle sont logés des aimants permanents, ces derniers étant engagés dans des logements orientés le plus souvent radialement.

On connaît des machines électriques comportant des aimants permanents non radiaux, disposés par exemple en V ou en U, comme dans les brevets EP 1 414 130, US 6 984 909, US 6 836 045, US 6 794 784, US 6 909 216, US 5 955 807, et la demande de brevet US 2008/231135.

Grâce à la concentration du flux dans les pôles, l'induction obtenue dans l'entrefer est supérieure à l'induction dans les aimants. L'induction obtenue dans l'entrefer peut dépendre fortement de la position circonférentielle.

Dans la demande US 2007/014850 et dans la demande internationale WO 2010/039786, les aimants permanents sont disposés en deux couches concentriques.

Dans les rotors connus, afin d'obtenir des niveaux d'induction suffisants dans l'entrefer et avoir des machines compactes, il peut être nécessaire d'utiliser des aimants à forte densité d'énergie, donc coûteux. En effet, de tels aimants sont fabriqués avec des terres rares.

Dans d'autres machines, on utilise des aimants à faible énergie volumique, réalisés en ferrite, mais de telles machine présentent l'inconvénient de nécessiter une polarité élevée ou des rotors de très grand diamètre pour obtenir des niveaux d'induction dans l'entrefer comparables à ce que l'on peut obtenir avec des aimants à forte énergie volumique.

Une machine à polarité élevée nécessite des hautes fréquences, d'où des pertes importantes dans le moteur sous la forme de pertes fer et dans l'onduleur sous la forme de pertes par commutation. De telles machines à polarité élevée et avec des aimants à faible densité d'énergie sont donc utilisées à des vitesses limitées. Ainsi, les rotors de machines électriques tournantes à concentration de flux ne permettent pas de fournir des machines à polarité relativement basse, par exemple inférieure à six, avec une utilisation efficace des aimants, notamment d'aimants en ferrite et/ou à basse densité d'énergie.

II existe donc un besoin pour bénéficier d'un rotor de machine électrique tournante permettant une utilisation plus efficace des aimants notamment d'aimants en ferrite et/ou à basse densité d'énergie, et éventuellement avec une polarité qui n'est pas nécessairement élevée.

L'invention vise à répondre à tout ou partie de ce besoin et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, grâce à un rotor de machine électrique tournante à concentration de flux, comportant :

- une masse rotorique comprenant des logements, et

- des aimants permanents disposés dans les logements de la masse rotorique, les aimants permanents étant disposés en V orientés vers l'entrefer, chaque V définissant une partie polaire élémentaire, au moins deux parties polaires élémentaires consécutives ayant une polarité identique.

La masse rotorique définit des parties polaires élémentaires disposées chacune entre des aimants polarisés symétriquement les uns par rapport aux autres, qui permettent de concentrer efficacement le flux des aimants. Grâce aux parties polaires élémentaires, l'invention permet d'améliorer l'induction obtenue dans l'entrefer quelle que soit la position circonférentielle.

Plusieurs parties polaires élémentaires consécutives définissent par juxtaposition un pôle principal du rotor. Le nombre de parties polaires élémentaires dans un pôle principal est supérieur ou égal à deux, étant par exemple de deux, trois, quatre ou cinq. Lorsque le nombre de parties polaires élémentaires est égal à deux, les aimants définissant un même pôle sont disposés en forme de W. Au moins trois parties polaires élémentaires consécutives peuvent avoir une polarité identique, voire au moins quatre parties polaires élémentaires consécutives, voire même cinq parties polaires élémentaires consécutives.

Grâce à la disposition des aimants dans la masse rotorique, on obtient des niveaux d'induction dans l'entrefer suffisants même avec une polarité du rotor relativement faible, par exemple inférieure à 6, tout en n'utilisant pas nécessairement des aimants à forte énergie volumique, tels que des aimants réalisés en terres rares, mais au contraire à faible énergie volumique, par exemple réalisés en ferrite. Le coût du rotor peut ainsi en être réduit. En outre, la polarité du rotor peut être réduite si l'application le nécessite. En effet, le rotor selon l'invention permet d'augmenter le niveau d'induction dans l'entrefer sans augmenter la polarité et en utilisant des aimants à faible densité d'énergie.

Par « V orienté vers l'entrefer », on entend que le V est ouvert en direction de l'entrefer. Un V peut être formé par deux aimants permanents consécutifs lorsque l'on se déplace circonférentiellement. En variante, un V peut être formé par plus de deux aimants permanents lorsque l'on se déplace circonférentiellement, notamment par quatre aimants permanents, deux aimants formant par exemple chaque branche du V. Une telle segmentation des aimants peut permettre d'améliorer la circulation du flux dans la masse rotorique et/ou d'introduire des ponts afin de rigidifîer celle-ci.

Une branche d'un V peut être formée de plusieurs aimants, par exemple deux. Deux aimants d'une branche du V peuvent être alignés. En variante le ou les aimants formant une branche d'un V peuvent s'étendre chacun selon un axe, les deux axes faisant un angle a entre eux. Cet angle a peut être compris entre 0° et 45°.

Les aimants permanents peuvent être de forme rectangulaire en section transversale. En variante, la largeur d'un aimant prise en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation peut aller en s'amincissant lorsque l'on se dirige en direction de l'entrefer. Les aimants permanents peuvent être de forme générale trapézoïdale en section transversale. En variante encore, les aimants peuvent être en section transversale curviligne, par exemple de forme en secteur d'anneau.

Deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités identiques peuvent former un V orienté vers l'axe de rotation. Lorsque l'on se déplace circonférentiellement, la disposition des aimants consécutifs peut être identique lors du passage d'un V à un autre V d'un même pôle qu'à un V d'un pôle de polarité opposée. Ainsi, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées peuvent former également un V orienté vers l'axe de rotation.

En variante, la disposition des aimants consécutifs peut être différente que l'on passe à un V d'un même pôle ou que l'on passe à un V d'un pôle de polarité opposée. Cela peut permettre d'optimiser la circulation du flux dans la masse rotorique. A titre d'exemple, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées peuvent s'étendre sensiblement parallèlement l'un à l'autre. Une telle disposition des aimants permet d'optimiser la circulation du flux dans la masse rotorique.

L'épaisseur de la masse rotorique entre deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées peut être inférieure à 5 mm, voire à 3 mm, mieux inférieure à 1 ,5 mm.

En variante encore, un même aimant peut participer à deux V consécutifs à la fois, notamment à deux V de deux pôles de polarités opposées. L'aimant peut dans ce cas être par exemple deux fois plus large en section transversale qu'un aimant ne participant qu'à un seul V.

Un logement peut s'étendre radialement sur une longueur supérieure à la longueur radiale de l'aimant correspondant en section transversale. La forme du logement en section transversale peut être choisie pour optimiser la forme d'onde de l'induction dans l'entrefer. A titre d'exemple, au moins une extrémité du logement en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation peut être de forme triangulaire, voire les deux extrémités peuvent être de forme triangulaire ou incurvée, voire en forme d'arc de cercle. Lorsque l'aimant est inséré dans le logement correspondant, la ou les partie(s) du logement sans aimant à l'une de ses ou à ses extrémités peu(ven)t être en forme de triangle rectangle ou l'arrondi. Pour deux logements consécutifs, les hypoténuses des deux triangles rectangles ou l'incurvée situés au plus près de l'entrefer peuvent être disposées à l'opposé l'une de l'autre. Une telle forme permet de mieux guider le flux magnétique vers l'entrefer. Pour deux logements consécutifs, les hypoténuses des deux triangles rectangles ou les arrondis situés au plus près de l'axe de rotation peuvent être disposées face à face.

Les aimants permanents peuvent former un nombre de V compris entre 8 et

24, voire entre 12 et 20, par exemple de 16. Il peut être possible de déterminer pour un rotor donné un nombre optimal de V permettant de maximiser la production du flux dans l'entrefer en fonction de la polarité du rotor et des dimensions géométriques de ce dernier. Le nombre optimum de V pour une polarité donnée peut par exemple être supérieur au nombre optimum de V pour une polarité supérieure à la polarité donnée.

Le nombre de pôles du rotor peut être inférieur ou égal à 8, voir inférieur ou égal à 6, étant par exemple égal à 4. Grâce à l'invention, on peut fournir un rotor à faible polarité, par exemple à deux pôles seulement, tout en réalisant une concentration de flux efficace. Il n'y a pas nécessairement de fréquence limite d'utilisation, et le rotor selon l'invention peut être utilisé en étant alimenté par un onduleur électronique de puissance, tout en limitant les pertes fer au moteur et les pertes par commutation dans l'onduleur.

Les aimants permanents du rotor peuvent être réalisés au moins partiellement en ferrite. Ils peuvent par exemple ne pas contenir de terres rares, ou à tout le moins contenir moins de 50% de terres rares en masse.

Le rotor peut comporter un arbre s 'étendant selon un axe de rotation. L'arbre peut être réalisé dans un matériau magnétique, ce qui permet avantageusement de diminuer le risque de saturation dans la masse rotorique et d'améliorer les performances électromagnétiques du rotor. L'arbre peut comporter un manchon magnétique en contact avec la masse rotorique, le manchon étant monté sur un axe, magnétique ou non.

La masse rotorique s'étend selon l'axe de rotation et est disposée autour de l'arbre. L'arbre peut comporter des moyens de transmission de couple pour l'entraînement en rotation de la masse rotorique.

La masse rotorique peut être formée entièrement par un assemblage de tôles rotoriques chacune monobloc ou par un enroulement d'une bande de secteurs. Ainsi, le rotor peut être dépourvu de pièces polaires rapportées, et la construction du rotor s'en trouve simplifiée.

L'empilement de couches de tôle magnétique peut comporter un empilement de tôles magnétiques, chacune d'un seul tenant, chaque tôle formant une couche de l'empilement.

En variante l'empilement de couches de tôle magnétique peut comporter une ou plusieurs tôle(s) magnétique(s) enroulée(s) sur elle(s)-même(s), chaque tôle pouvant former plusieurs couches de l'empilement, selon le nombre de tours sur lesquels elle est enroulée sur elle-même.

Une tôle peut comporter une succession de secteurs reliés par des ponts de matière. Les ponts de matière peuvent former le fond d'un logement d'un aimant permanent, du côté de l'entrefer.

Chaque secteur peut correspondre à une partie polaire élémentaire. Une tôle peut comporter un nombre de secteurs égal au nombre de parties polaires élémentaires, ou en variante au nombre de pôles du rotor. Une tôle peut comporter un nombre de secteurs supérieur au nombre de parties polaires élémentaires du rotor, par exemple un multiple du nombre de parties polaires élémentaires du rotor, deux secteurs d'une même tôle pouvant venir se superposer l'un sur l'autre lorsque la tôle est enroulée pour former la masse rotorique.

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. Les tôles peuvent être revêtues d'un vernis isolant électrique sur leurs faces opposées avant leur assemblage au sein de l'empilement. L'isolation peut encore être obtenue par un traitement thermique des tôles.

En variante, la masse rotorique peut comporter des pièces polaires indépendantes les unes des autres. Chaque pièce polaire peut être formée d'un empilement de tôles magnétiques.

Au moins l'un des logements peut être de forme oblongue, allongé de préférence selon une direction rectiligne. De préférence, tous les logements sont de forme oblongue, allongés selon une direction rectiligne. En variante, les logements peuvent être allongés selon une direction courbe, par exemple en arc de cercle.

La répartition des logements est avantageusement régulière et symétrique, facilitant la découpe de la tôle rotorique et la stabilité mécanique après découpe quand la masse rotorique est constituée d'une superposition de tôles rotoriques.

Le nombre de logements et d'aimants dépend de la polarité du rotor. La masse rotorique peut comporter un nombre quelconque de logements, par exemple entre 4 et 96 logements, mieux entre 8 et 40 logements, voire entre 16 et 32 logements.

Les aimants peuvent être enterrés dans la masse rotorique. Autrement dit, les aimants sont recouverts par les couches de tôles magnétiques au niveau de l'entrefer. La surface du rotor au niveau de l'entrefer peut être entièrement définie par le bord des couches de tôles magnétiques et non par les aimants. Les logements ne débouchent alors pas radialement vers l'extérieur.

La masse rotorique peut comporter un ou plusieurs trous pour alléger le rotor, permettre son équilibrage ou pour l'assemblage des tôles rotoriques la constituant. Des trous peuvent permettre le passage de tirants maintenant solidaires entre elles les tôles.

Les couches de tôles peuvent être encliquetées les unes sur les autres. Les logements peuvent être remplis au moins partiellement, 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 tôles.

La masse rotorique peut comporter, le cas échéant, un ou plusieurs reliefs contribuant au bon positionnement des aimants, notamment dans la direction radiale.

La 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.

Le rotor peut recevoir une frette extérieure, qui entoure le paquet de tôles. Cela peut permettre de réduire la largeur du pont de matière reliant deux secteurs consécutifs.

Le rotor peut être monté en porte à faux ou non.

Le rotor peut être réalisé en plusieurs morceaux de rotor alignés suivant la direction axiale, par exemple trois morceaux. Chacun des morceaux peut être décalé angulairement par rapport aux autres morceaux adjacents (« step skew » en anglais).

L'invention a encore pour objet une machine électrique tournante, tel qu'un moteur synchrone ou une génératrice synchrone, comportant un rotor tel que défini précédemment. Le rotor peut être intérieur ou extérieur.

L'utilisation d'un rotor extérieur peut permettre d'éviter une éventuelle saturation entre des aimants consécutifs de même polarité, qui pourrait se produire avec un rotor intérieur. On peut ainsi avoir une induction magnétique dans l'entrefer plus importante. D'autre part, dans une configuration de rotor extérieur, on a plus de place pour disposer les aimants, ce qui permet d'augmenter plus facilement le facteur de concentration de flux dans l'entrefer.

Cette machine peut comporter un stator à bobinage concentré ou réparti.

Le rotor peut posséder autant de pôles principaux que le stator.

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 et partielle, une machine comportant un rotor réalisé conformément à l'invention,

- la figure 2 représente un détail de réalisation de la figure 1 , et - les figures 3 à 11 et 5a sont des vues analogues à la figure 2, illustrant des variantes de réalisation.

On a illustré à la figure 1 une machine électrique tournante 10 comportant un rotor 1 et un stator 2.

Le stator 2 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 cadre d'un moteur synchrone, et dans le cas d'un alternateur, la rotation du rotor induit une force électromotrice dans les bobinages du stator.

Le rotor 1 représenté aux figures 1 et 2 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 magnétiques 4 empilées selon l'axe X, les tôles étant par exemple identiques et superposées exactement. Elles peuvent être maintenues entre elles par clipsage, par des rivets, par des tirants, des soudures ou toute autre technique. En variante, la masse rotorique peut comporter au moins une tôle magnétique enroulée sur elle-même. Les tôles magnétiques sont de préférence en acier magnétique. Toutes les nuances d'acier magnétique peuvent être utilisées.

La masse rotorique 3 comporte une ouverture centrale 5 pour le montage sur un arbre 6. L'arbre 6 peut, dans l'exemple considéré, être réalisé dans un matériau amagnétique, par exemple en inox amagnétique ou en aluminium.

Le rotor 1 comporte une pluralité d'aimants permanents 7 disposés dans des logements correspondants 8 de la masse magnétique rotorique 3. Les aimants permanents 7 sont disposés en V orientés vers l'entrefer. Chaque V définit une partie polaire élémentaire 9, deux parties polaires élémentaires 9 consécutives ayant une polarité identique. Ces deux parties polaires élémentaires 9 définissent dans l'exemple considéré un pôle magnétique du rotor. Deux aimants consécutifs 7 d'un même pôle magnétique et d'une même partie polaire élémentaire présentent des mêmes polarités sur leurs faces en regard.

Les deux branches du V forment dans l'exemple décrit un angle γ compris entre 10° et 90°. En outre, le V peut s'étendre sur une hauteur radiale L comprise entre 5 et 25 cm. La hauteur L peut être de 30 % à 80 % du rayon du rotor, mesuré entre l'axe de rotation et l'entrefer. En variante, trois parties polaires élémentaires consécutives peuvent avoir une polarité identique, comme illustré à la figure 4, voire quatre parties polaires élémentaires consécutives, comme illustré à la figure 5, voire même cinq parties polaires élémentaires consécutives, comme illustré à la figure 6. Sur chacune de ces figures, on a illustré un pôle magnétique principal d'un rotor conforme à l'invention.

On a également illustré à titre d'exemple à la figure 4 le tracé des lignes de champ magnétique d'un pôle du rotor, et à la figure 5 un exemple de choix de l'orientation de la magnétisation des aimants pour un pôle magnétique principal du rotor.

Dans l'exemple illustré, les aimants permanents 7 sont de forme générale rectangulaire en section transversale, mais on ne sort pas du cadre de la présente invention s'ils sont d'une forme autre, par exemple trapézoïdale, comme illustré à la figure 8. Sur cette figure, on voit que la largeur / d'un aimant prise en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation va en s'amincissant lorsque l'on se dirige en direction de l'entrefer.

Les aimants peuvent être réalisés en ferrite ou en variante en terres rares, par exemple de type néodyme ou autre. De préférence, les aimants sont réalisés en ferrite.

Dans les exemples illustrés, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités identiques forment également un V orienté vers l'axe de rotation.

En outre, dans les exemples de réalisation illustrés aux figures 4 à 6, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées forment également un V orienté vers l'axe de rotation.

Il peut bien entendu en être autrement, et dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, deux aimants consécutifs de deux parties polaires élémentaires consécutives de polarités opposées s'étendent sensiblement parallèlement l'un à l'autre. Une telle disposition des aimants permet d'optimiser la circulation du flux dans la masse rotorique.

L'épaisseur e de la masse rotorique entre deux aimants consécutifs de deux V consécutifs de polarités opposées est comprise entre 1,5 et 5 mm, dans l'exemple décrit.

Dans une variante de réalisation illustrée à la figure 3, un même aimant participe à deux V de deux pôles de polarités opposés à la fois. L'aimant est dans l'exemple décrit deux fois plus large en section transversale qu'un aimant ne participant qu'à un seul V. Dans les exemples illustrés aux figures 4 à 6, l'extrémité 8a du logement 8 la plus proche de l'axe de rotation est de forme triangulaire en section transversale perpendiculairement à l'axe de rotation.

Dans l'exemple illustré aux figures let 2, les logements définissant chacune des branches d'un même V communiquent par leur extrémité 8a la plus proche de l'axe de rotation.

En variante encore ou additionnellement, les deux extrémités 8 a et 8b de chaque logement 8 sont de forme triangulaire, comme illustré à la figure 5.

L'extrémité 8b du logement 8 peut en variante encore comporter un bord incurvé, par exemple en arc-en-cercle, comme illustré à la figure 5a.

Dans les exemples qui viennent d'être décrits, un V est formé par deux aimants permanents consécutifs lorsque l'on se déplace circonférentiellement. Bien entendu, on ne sort pas du cadre de la présente invention s'il en est autrement, et si par exemple un V est formé par plus de deux aimants permanents lorsque l'on se déplace circonférentiellement. Chaque branche d'un V peut par exemple être fournie par plusieurs aimants permanents, notamment deux, voire trois ou quatre. Dans un exemple de réalisation, un V peut être formé notamment par quatre aimants permanents, deux aimants formant par exemple chaque branche du V, comme illustré à titre d'exemple à la figure 7. Les aimants formant une branche d'un V peuvent s'étendre chacun selon un axe, les deux axes faisant un angle a entre eux. Cet angle a peut être compris entre 0° et 90°.

En variante, une branche d'un V peut être formée avec un seul aimant comportant deux portions rectilignes inclinées l'une par rapport à l'autre d'un angle a, comme illustré à la figure 9.

En variante encore, les aimants peuvent être curvilignes, comme illustré à la figure 10.

Une matière synthétique peut être injectée dans les logements 8, de façon à bloquer les aimants dans les logements 8 et/ou assurer la cohésion du paquet de tôle. 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.

Dans tous les exemples qui viennent d'être décrit, le rotor est intérieur, mais on ne sort pas du cadre de la présente invention si le rotor est extérieur. A titre d'exemple, on a illustré à la figure 11 une machine 10 comportant un stator 2 intérieur et un rotor 1 extérieur.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits.

On peut par exemple réaliser les tôles avec des trous pour permettre le passage de tirants d'assemblage des tôles de la masse rotorique.

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