FR3119497A1 - Rotor de machine électrique avec deux barrières de flux par pôle magnétique - Google Patents

Rotor de machine électrique avec deux barrières de flux par pôle magnétique Download PDF

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Koua Malick CISSE
Abdenour ABDELLI
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Abstract

La présente invention concerne un rotor (1) de machine électrique qui comprend un corps de rotor au sein duquel sont formées des barrières de flux (2, 3), avec une barrière de flux externe (3) et une barrière de flux interne (2). La barrière de flux interne (2) a sensiblement la forme d’un U, et la barrière de flux externe (3) a sensiblement la forme d’un I, chaque barrière de flux (2, 3) comprenant au moins un pont magnétique radial et un pont magnétique tangentiel. Figure 1 à publier

Description

Rotor de machine électrique avec deux barrières de flux par pôle magnétique
La présente invention se rapporte à une machine électrique tournante
synchro-réluctante (assistée d'aimants permanents), et concerne plus particulièrement l’architecture particulière d’un rotor d’une telle machine électrique.
Généralement, une telle machine électrique comporte un stator et un rotor disposés coaxialement l'un dans l'autre.
Le rotor est formé d'un corps de rotor avec un empilage de tôles placé sur un arbre de rotor. Ces tôles comprennent des logements pour des aimants permanents et des perforations pour créer des barrières de flux permettant de diriger radialement le flux magnétique des aimants vers le stator et pour favoriser la création d’un couple réluctant, et d’alléger ce rotor pour diminuer les efforts centrifuges que l’empilage de tôle doit supporter.
Ce rotor est généralement logé à l'intérieur d'un stator qui porte des bobinages électriques configurés pour générer un champ magnétique tournant permettant d'entraîner en rotation le rotor.
Comme cela est mieux décrit notamment dans la demande de brevet WO2020/020580, le rotor d’une machine synchro-réluctante comprend une pluralité d'évidements axiaux qui traversent les tôles de part en part.
Pour la conception du rotor décrite dans cette demande de brevet, une première série d'évidements axiaux, disposés radialement les uns au-dessus des autres et à distance les uns des autres, forment des logements pour des générateurs de flux magnétiques, ici des aimants permanents sous forme de barreau rectangulaire.
L'autre série d'évidements consiste en des perforations de direction radiale inclinée, qui partent de ces logements pour arriver au voisinage du bord des tôles, au voisinage de l’entrefer.
Les perforations inclinées sont disposées symétriquement par rapport aux logements des aimants de manière à former à chaque fois une figure géométrique sensiblement en forme de V à fond aplati avec le fond plat formé par le logement des aimants et avec les bras inclinés de ce V formés par les perforations. Il se crée ainsi des barrières de flux formées par les perforations. Le flux magnétique provenant des aimants permanents ne peut alors que transiter par les parties pleines entre les perforations. Ces parties pleines sont constituées d’un matériau ferromagnétique.
Les demandes de brevet US 2018145552 et US 2020259377 décrivent des machines électriques, avec, pour chaque pôle magnétique, deux barrières de flux : la barrière de flux interne comporte deux évidements et quatre aimants permanents, et la barrière de flux externe comporte deux évidements et deux aimants permanents. Dans ces demandes de brevet, les évidements des barrières de flux sont continus (c’est-à-dire sans pont magnétique entre les évidements), ce qui génère des contraintes mécaniques dans les tôles du rotor. De plus, ces machines électriques nécessitent d’avoir six aimants permanents par pôle, ce qui est onéreux.
La demande de brevet CN 208241428 décrit des machines électriques, avec, pour chaque pôle magnétique, deux barrières de flux, la barrière de flux interne en forme de U et la barrière de flux externe en forme de V. Dans cette demande de brevet, les évidements des barrières de flux sont continus (c’est-à-dire sans pont magnétique entre les évidements), ce qui génère des contraintes mécaniques dans les tôles du rotor et limite le fonctionnement à haute vitesse.
La demande de brevet US 7,902,710 décrit des machines électriques, avec, pour chaque pôle magnétique, deux barrières de flux, la barrière interne en forme de U et la barrière de flux externe en forme de V. Dans cette demande de brevet, les barrières de flux externes débouchent sur la périphérie du rotor. De plus, les barrières de flux internes ne sont pas symétriques, car certains évidements débouchent sur la périphérie du rotor. En raison des évidements qui débouchent sur la périphérie du rotor, des contraintes mécaniques importantes sont appliquées dans les tôles du corps du rotor. En outre, la périphérie du rotor n’étant pas régulière, cela implique des pertes aérodynamiques.
La demande de brevet WO 2011/128842 décrit une méthode pour magnétiser des aimants au sein d’un rotor d’une machine électrique. Les pièces à magnétiser sont insérées dans des évidements. De plus, des évidements spécifiques sont prévus pour l’insertion de bobines pour la magnétisation des pièces à magnétiser. En raison des évidements spécifiques pour l’insertion de bobines, la conception d’un tel rotor est complexe et onéreux.
La demande de brevet CN10963001 décrit des machines électriques, avec pour chaque pôle magnétique, deux barrières de flux, la barrière de flux interne en forme de U composé de quatre évidements et la barrière de flux externe en forme de U composé de trois évidements. En raison du nombre d’aimants permanents dans la barrière de flux interne, la fabrication du rotor nécessite un grand nombre d’opérations pour insérer les aimants permanents.
L’invention a pour but de former une machine électrique avec de bonnes performances, en termes de couple et de puissance, tout en limitant les contraintes mécaniques, notamment pour couvrir des applications de la machine électrique sur de grandes plages de vitesse de rotation, y compris à haute vitesse (par exemple 20 000 ou 30 000 tr/min). Pour cela, l’invention concerne un rotor de machine électrique qui comprend un corps de rotor au sein duquel sont formées des barrières de flux, avec une barrière de flux externe et une barrière de flux interne. La barrière de flux interne a sensiblement la forme d’un U, et la barrière de flux externe a sensiblement la forme d’un I, chaque barrière de flux comprenant au moins un pont magnétique radial et un pont magnétique tangentiel. Cette constitution des barrières de flux permet de bonnes performances en termes de couple et de puissance, tout en limitant les contraintes mécaniques.
L’invention concerne un rotor pour machine électrique, ledit rotor comprenant un corps de rotor formé par un empilage de tôles, de préférence placé sur un arbre de rotor, et une pluralité de paires de pôles magnétiques, chaque pôle magnétique est composé de deux barrières de flux constituant chaque pôle magnétique, dont une barrière de flux externe et une barrière de flux interne, et d’au moins un aimant permanent positionné dans un évidement axial d’une desdites deux barrières de flux. Pour chaque pôle magnétique, ladite barrière de flux interne est constituée de deux évidements inclinés positionnés et espacés de part et d’autre d’un évidement central, ledit évidement central de ladite barrière de flux interne étant perpendiculaire à rayon dudit rotor, et lesdits évidements inclinés de ladite barrière de flux interne étant espacées de la périphérie du rotor, et en ce que, pour chaque pôle magnétique, ladite barrière de flux externe est constituée de deux évidements latéraux espacés de part et d’autre d’un évidement central, ledit évidement central de la barrière de flux externe étant perpendiculaire audit rayon du rotor qui est perpendiculaire audit évidement central de la barrière de flux interne, et en ce que lesdites évidements latéraux de la barrière de flux externe sont agencés dans le prolongement de l’évidement central de la barrière de flux externe, lesdits évidements latéraux de la barrière de flux externe étant espacés de la périphérie du rotor.
Selon un mode de réalisation, pour chaque pôle magnétique, un aimant permanent, de préférence un unique aimant permanent est positionné dans ledit évidement central de ladite barrière de flux interne.
Conformément à une mise en œuvre, pour chaque pôle magnétique, un aimant permanent, de préférence un unique aimant permanent, est positionné dans chaque évidement incliné de ladite barrière de flux interne.
Selon un aspect, pour chaque pôle magnétique, un aimant permanent, de préférence un unique aimant permanent, est positionné dans ledit évidement central de la barrière de flux externe.
Selon une caractéristique, pour chaque pôle magnétique, lesdits évidements inclinés de ladite barrière de flux interne et/ou lesdits évidements latéraux de ladite barrière de flux externe sont symétriques par rapport audit rayon perpendiculaire audit évidement central de ladite barrière de flux interne.
Avantageusement, deux pôles magnétiques consécutifs sont asymétriques.
Selon une option de réalisation, l’angle d’ouverture des évidements inclinés de ladite barrière de flux interne est aigu.
De manière avantageuse, chaque pôle magnétique comporte une pluralité d’aimants permanents disposés dans lesdits évidements desdites barrières de flux, lesdits aimants permanents étant de dimensions identiques.
Conformément à un mode de réalisation, chaque pôle magnétique comporte un aimant permanent dans l’évidement central de ladite barrière de flux interne, et un aimant permanent dans l’évidement central de ladite barrière de flux externe de dimensions identiques à celles de l’aimant permanent dans ledit évidement central de ladite barrière de flux interne.
Selon une mise en œuvre, ledit nombre de paires de pôles magnétiques est compris entre 1 et 9, de préférence entre 3 et 6, et vaut de manière préférée 4.
Conformément à un aspect, ledit au moins un aimant permanent a une section rectangulaire.
Conformément à une caractéristique, lesdits évidements latéraux de ladite barrière de flux externe ont une section sensiblement courbe, par exemple circulaire, elliptique ou ovale.
Avantageusement, lesdits évidements latéraux de ladite barrière de flux externe ont une dimension radiale inférieure ou égale à la dimension radiale de l’évidement central de ladite barrière de flux externe.
Conformément à une option de réalisation, la dimension radiale desdits évidements latéraux de ladite barrière de flux externe est sensiblement égale à la dimension circonférentielle desdits évidements latéraux de ladite barrière de flux externe.
Selon un mode de réalisation, pour chaque pôle magnétique, la dimension circonférentielle de l’évidement central de la barrière de flux interne est sensiblement égale à la dimension circonférentielle de l’évidement central de ladite barrière de flux externe.
Conformément à une mise en œuvre, pour chaque pôle magnétique, la dimension radiale de l’évidement central de la barrière de flux interne est sensiblement égale à la dimension radiale de l’évidement central de ladite barrière de flux externe.
En outre, l’invention concerne une machine électrique comprenant un stator et un rotor selon l’une des caractéristiques précédentes, ledit rotor étant logé à l’intérieur dudit stator.
Selon un mode de réalisation, ledit stator comprend une pluralité d’encoches radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator.
Conformément à une mise en œuvre, ladite machine électrique est du type machine électrique synchro-réluctante assistée d’aimants permanents.
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La illustre une tôle d’un rotor selon un mode de réalisation de l’invention.
La illustre un paramétrage géométrique de la barrière de flux interne du rotor selon le mode de réalisation de la .
La illustre un paramétrage géométrique des évidements des barrières de flux selon le mode de réalisation de la .
La illustre un rotor selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La illustre un rotor selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La illustre un rotor selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
La illustre un rotor selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
La illustre un rotor selon un cinquième mode de réalisation de l’invention.
La illustre un rotor selon un sixième mode de réalisation de l’invention.
La illustre un paramétrage angulaire du rotor selon le mode de réalisation de la .
La présente invention concerne un rotor pour une machine électrique, notamment une machine électrique du type synchro-réluctante assistée d’aimants permanents. En outre, la présente invention concerne une machine électrique comprenant un rotor selon l’invention et un stator, le rotor étant disposé au sein du stator coaxialement à celui-ci.
Selon l’invention, le rotor pour machine électrique comporte :
  • Un corps de rotor formé par un empilage de tôles, de préférence le corps de rotor peut être placé sur un arbre de rotor,
  • Une pluralité de paires de pôles magnétiques, chaque pôle magnétique est composé de :
    • deux barrières de flux (uniquement deux barrières de flux) : une barrière de flux externe, qui est plus proche de la périphérie du rotor, et une barrière de flux interne, qui est plus proche du centre du rotor, les barrières de flux sont formées par une pluralité d’évidements axiaux (la direction axiale étant la direction axiale du rotor),
    • au moins un aimant permanent positionné dans un des évidements axiaux dudit corps du rotor.
Ledit au moins un aimant permanent permet de générer un flux magnétique, permettant la rotation du rotor par la création d’un champ magnétique tournant pouvant être généré aussi par le stator. Les barrières de flux permettent de guider le champ magnétique généré par le rotor et par l’au moins un aimant permanent vers l’entrefer (l’entrefer étant l’espace formé entre la périphérie du rotor et le stator), de manière à limiter les fuites de flux magnétiques et augmenter les performances (notamment couple et puissance) de la machine électrique. Une paire de pôles magnétiques comprend deux pôles magnétiques de polarité opposée.
Selon l’invention, pour chaque pôle magnétique, la barrière de flux interne est constituée de trois évidements : deux évidements inclinés (latéraux) positionnés et espacés de part et d’autre d’un évidement central, qui est perpendiculaire à un rayon du rotor. Les évidements de la barrière de flux interne forment sensiblement un U (selon une section transversale à l’axe du rotor, qui correspond au plan d’une tôle constituant le corps de rotor), le fond du U étant formé par l’évidement central, et les segments opposés du U étant formés par les évidements inclinés. De plus, les deux évidements inclinés sont espacés de la périphérie du rotor. Autrement dit, il existe un pont magnétique (un pont de matière magnétique) entre les évidements inclinés et l’évidement central, et il existe un pont magnétique (un pont de matière magnétique) entre les évidements inclinés et la périphérie du rotor. Ces espacements obtenus par ces ponts magnétiques, permettent une bonne tenue mécanique du corps du rotor, tout en conservant de bonnes propriétés magnétiques du corps du rotor. En effet, les ponts magnétiques tangentiels (entre les évidements inclinés et la périphérie du rotor) permettent de créer une saturation locale et ainsi permettent au flux magnétique créé par l’au moins un aimant permanent d’être dirigé vers l’entrefer de la machine électrique, et les ponts magnétiques radiaux (entre les évidements inclinés et l’évidement central) permettent d’améliorer la tenue mécanique de la machine électrique à haute vitesse (par exemple 20000, 30000tr/min). Cet avantage peut également être mis à contribution pour les applications basse vitesse (par exemple 10000 tr/min) pour optimiser les ponts et maximiser la densité de couple. Les évidements sont inclinés par rapport au rayon perpendiculaire à l’évidement central. En d’autres termes, chaque évidement incliné est orienté de manière à former un angle par rapport au rayon perpendiculaire à l’évidement central, cet angle étant non nul et étant non droit (en d’autres termes, les évidements inclinés ne sont ni parallèles ni perpendiculaires au rayon perpendiculaire à l’évidement central).
De plus, pour chaque pôle magnétique, la barrière de flux externe est constituée de trois évidements : deux évidements latéraux positionnés et espacés de part et d’autre d’un évidement central, qui est orthogonal au rayon du rotor perpendiculaire de l’évidement central de la barrière de flux interne. En d’autres termes, les évidements centraux des barrières de flux interne et externe sont parallèles. Les évidements latéraux sont agencés dans le prolongement de l’évidement central de la barrière de flux externe. En d’autres termes, au sein de la barrière de flux externe (selon une section transversale à l’axe du rotor, qui correspond au plan d’une tôle constituant le corps de rotor), les évidements latéraux et l’évidement central sont sensiblement alignés. Les évidements de la barrière de flux externe forment sensiblement un I (selon une section transversale à l’axe du rotor, qui correspond au plan d’une tôle constituant le corps de rotor), le I étant perpendiculaire au rayon du rotor. De plus, les deux évidements latéraux sont espacés de la périphérie du rotor. Autrement dit, il existe un pont magnétique (un pont de matière magnétique) entre les évidements latéraux et l’évidement central, et il existe un pont magnétique (un pont de matière magnétique) entre les évidements latéraux et la périphérie du rotor. Ces espacements obtenus par ces ponts magnétiques, permettent une bonne tenue mécanique du corps du rotor, tout en conservant de bonnes propriétés magnétiques du corps du rotor. En effet, les ponts magnétiques tangentiels (entre les évidements latéraux et la périphérie du rotor) permettent de créer une saturation locale, et ainsi permettent au flux magnétique créé par l’au moins un aimant permanent d’être dirigé vers l’entrefer de la machine électrique, et les ponts magnétiques radiaux (entre les évidements latéraux et l’évidement central) permettent d’améliorer la tenue mécanique de la machine électrique à haute vitesse (par exemple 20000, 30000tr/min). Cet avantage peut également être mis à contribution pour les applications basse vitesse (par exemple 10000 tr/min) pour optimiser les ponts et maximiser le densité de couple.
Les tôles peuvent être réalisées en matériau ferromagnétique de manière à guider le flux magnétique créé par des aimants permanents et éventuellement le bobinage statorique. Les évidements des barrières de flux peuvent être obtenus par des perforations dans les tôles empilées formant le corps de rotor, et les ponts magnétiques sont formés par la tôle elle-même.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, l’au moins un aimant permanent peut avoir une forme parallélépipédique rectangulaire, dont une dimension est parallèle à l’axe du rotor. En particulier, dans une section transversale à l’axe du rotor, l’au moins un aimant permanent peut avoir une forme de rectangle. De préférence, tous les aimants permanents peuvent avoir une forme parallélépipédique rectangulaire.
Alternativement, l’au moins un aimant permanent peut avoir d’autres formes, en particulier une forme de parallélogramme dans une section transversale à l’axe du rotor, par exemple, sensiblement une forme de trapèze.
Selon une autre alternative, pour laquelle les aimants permanents peuvent être des plasto aimants (aimants souples), l’aimant permanent peut avoir une forme de parallélogramme dans une section transversale, ou une forme courbe. On peut citer notamment le matériau plasto-ferrite, qui est composé de poudre de ferrite mélangé à un liant thermoplastique. Ce composé associe les propriétés magnétiques de ferrite aux propriétés mécaniques du thermoplastique.
Les évidements à l’exception des évidements latéraux de la barrière de flux externe peuvent de préférence avoir une forme compatible avec la forme de l’au moins un aimant permanent. Par exemple, l’évidement peut avoir sensiblement une forme de parallélogramme (selon une section transversale), par exemple de trapèze ou de rectangle, ou courbe (en particulier dans le cas de plasto-aimant). Les évidements (à l’exception des évidements latéraux de la barrière de flux externe) peuvent en outre comprendre des formes supplémentaires à au moins une, de préférence aux deux, extrémités de l’évidement considéré dans la section transversale du rotor. Ces formes supplémentaires peuvent être circulaires, rectangulaires, ovales, courbes, en forme de L, ou autre. Ces formes supplémentaires des évidements permettent, lorsqu’un aimant permanent est prévu dans l’évidement, de limiter les pertes de flux magnétiques et de canaliser le flux magnétique vers l’entrefer de la machine électrique et de limiter la contrainte mécanique dans les ponts magnétiques. Ces formes supplémentaires peuvent être remplis de matériau tel que la résine, afin d’assurer notamment la tenue mécanique et thermique des aimants permanents. Pour le mode de réalisation, pour lequel l’aimant est sous la forme d’un plasto-aimant, les évidements peuvent de préférence ne pas comprendre des formes supplémentaires aux extrémités.
Les évidements latéraux de la barrière de flux externe peuvent être de toutes formes, en particulier ils peuvent avoir différentes sections transversales : rectangulaire, circulaire, ovale, elliptiques, parallélogramme, etc. De préférence, les évidements latéraux de la barrière de flux externe peuvent avoir une forme courbe, par exemple circulaire, elliptique ou ovale.
Les dimensions des évidements latéraux de la barrière de flux externe sont petites par rapport aux dimensions des autres évidements de la barrière de flux interne et de l’évidement central de la barrière de flux interne. En effet, ces évidements latéraux de la barrière de flux externe sont prévus sans aimant permanent. Selon un mode de réalisation de l’invention, les évidements latéraux de la barrière de flux extérieure peuvent avoir une dimension radiale (prise selon le rayon perpendiculaire à l’évidement central) inférieure ou égale à la dimensions radiale de l’évidement central de la barrière de flux externe. Ce dimensionnement permet un guidage des flux magnétiques vers l’entrefer.
Alternativement ou cumulativement, la dimension circonférentielle (prise selon une droite orthogonale au rayon perpendiculaire à l’évidement central) d’un évidement latéral de la barrière de flux externe peut être sensiblement égale à la dimension radiale de cet évidement latéral de la barrière de flux externe.
De manière avantageuse, le rotor peut ne comporter aucun évidement pour l’insertion d’une bobine, par exemple d’une bobine pour magnétiser des aimants.
Selon un mode de réalisation de l’invention, pour chaque pôle magnétique, un aimant permanent, peut être positionné dans l’évidement central de la barrière de flux interne. De préférence, un unique aimant permanent peut être positionné dans l’évidement central de la barrière de flux interne. Ainsi, le nombre d’aimants permanents par évidement est limité, ce qui facilite les opérations de fabrication de la machine électrique, et ce qui évite les contraintes de fabrication des aimants permanents.
Alternativement ou cumulativement, pour chaque pôle magnétique, un aimant permanent, peut être positionné dans chaque évidement latéral de la barrière de flux interne. De préférence, un unique aimant permanent peut être positionné dans chaque évidement latéral de la barrière de flux interne. Ainsi, le nombre d’aimants permanents par évidement est limité, ce qui facilite les opérations de fabrication de la machine électrique, et ce qui évite les contraintes de fabrication des aimants permanents ainsi que le coût.
Alternativement ou cumulativement à au moins une des deux réalisations précédentes, pour chaque pôle magnétique, un aimant permanent peut être positionné dans l’évidement central de la barrière de flux externe. De préférence, un unique aimant permanent peut être positionné dans chaque évidement central de la barrière de flux externe. Ainsi, le nombre d’aimants permanents par évidement est limité, ce qui facilite les opérations de fabrication de la machine électrique, et ce qui évite les contraintes de fabrication des aimants permanents ainsi que le coût. Cette dimension circonférentielle d’un évidement latéral de la barrière de flux externe peut être inférieur à la moitié, voire au tiers, de la dimension circonférentielle de l’évidement central de la barrière de flux externe.
De préférence, les évidements latéraux de la barrière de flux externe peuvent ne comporter aucun aimant permanent. En d’autres termes, les évidements latéraux de la barrière de flux externe peuvent être des poches d’air. Ainsi, la barrière de flux externe ne comporte au plus qu’un seul aimant permanent.
Conformément à une mise en œuvre préférée de l’invention, chaque pôle magnétique peut comprendre quatre aimants permanents positionnés dans les trois évidements de la barrière de flux interne et dans l’évidement central de la barrière de flux externe. Cette mise en œuvre permet d’améliorer la densité de couple et la densité de puissance. Avoir quatre aimants permanents par pôle magnétiques permet de réduire la taille du convertisseur d’électronique de puissance par l’amélioration du facteur de puissance.
La limitation du nombre d’aimants permanents permet de réduire aussi les contraintes industrielles sur les dimensions des aimants permanents ainsi que le coût de fabrication.
En variante, seuls les évidements centraux des barrières de flux interne et externe peuvent être pourvus d’aimants permanents.
Lorsque chaque pôle magnétique comporte une pluralité d’aimants permanents, les aimants permanents peuvent avoir des dimensions identiques. Cette solution permet de garantir de bonnes performances de la machine électrique tout en minimisant le coût de fabrication. Cette conception est particulièrement avantageuse lorsque chaque pôle magnétique comporte quatre aimants permanents. Pour ce mode de réalisation, les dimensions radiales (prise selon le rayon perpendiculaire à l’évidement central) des évidements centraux des barrières de flux interne et externe peuvent être sensiblement identiques. De plus, les dimensions circonférentielles (prise selon une droite orthogonale au rayon perpendiculaire à l’évidement central) des évidements centraux des barrières de flux interne et externe peuvent être sensiblement identiques.
En particulier, lorsque chaque pôle magnétique comporte un aimant permanent dans l’évidement central de la barrière de flux interne et un aimant permanent dans l’évidement central de la barrière de flux externe, ces deux aimants permanents peuvent avoir des dimensions identiques. Ainsi, le coût de la machine électrique est réduit avec une seule référence d’aimants permanents.
En variante, les dimensions des aimants permanents peuvent être différentes.
Selon un aspect de l’invention, pour chaque pôle magnétique, les évidements latéraux des barrières de flux interne et/ou externe peuvent être symétriques par rapport au rayon perpendiculaire à l’évidement central de la barrière de flux interne et à l’évidement central de la barrière de flux externe. De préférence, la symétrie peut exister pour les deux barrières de flux interne et externe. Cette symétrie permet une optimisation des performances mécaniques de la machine électrique.
Avantageusement, l’évidement central de la barrière de flux interne ainsi que l’évidement central de la barrière de flux externe peuvent également être symétriques par rapport au rayon qui leur est perpendiculaire.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, tous les pôles magnétiques du rotor peuvent être identiques.
En variante, les pôles magnétiques du rotor consécutifs peuvent être différents : deux pôles magnétiques du rotor consécutifs sont alors asymétriques. Cette asymétrie peut être formée par des angles d’inclinaison différents des évidements inclinés des barrières de flux interne. Pour cette mise en œuvre, si le rotor comporte p paires de pôles magnétiques, il peut comprendre p pôles magnétiques primaires identiques, et p pôles magnétiques secondaires identiques entre eux, mais différents des pôles magnétiques primaires, et les pôles magnétiques secondaires étant intercalés entre les pôles magnétiques primaires. Cette conception asymétrique permet de réduire les ondulations de couples, les harmoniques de force contre-électromotrice et le bruit acoustique.
Pour ce mode de réalisation, on peut définir des relations entre les angles des pôles magnétiques. Si on note p le nombre de paires de pôles du rotor, l’angle moyen d’un pôle magnétique (qui serait l’angle des pôles magnétiques d’un rotor sans asymétrie) peut être noté :
.
On peut alors écrire, l’angle des pôles magnétiques primaires par une équation de la forme : avec k une constante d’asymétrie. Selon une mise en œuvre de l’invention, k peut être compris entre 0,9 et 1 (borne inférieure incluse), et de manière préférée entre 0,91 et 0,95 (bornes incluses). Ces gammes de valeur permettent une bonne réduction des ondulations de couple.
L’angle des pôles magnétiques secondaires peut alors se déduire par l’équation :
On peut définir un angle d’inclinaison des évidements inclinés qui correspond à l’angle entre une droite passant par le centre C du rotor et par un point milieu positionné au niveau d’une face externe de l’évidement incliné de la barrière de flux considérée et le rayon perpendiculaire à l’évidement central de la barrière de flux interne. On parle d’angle d’inclinaison interne pour l’angle d’inclinaison des évidements inclinés de la barrière de flux interne. On parle d’angle d’inclinaison externe pour l’angle d’inclinaison des évidements latéraux de la barrière de flux externe.
Selon un mode de réalisation, l’angle d’inclinaison interne du pôle magnétique primaire δ1p1 peut être défini par la relation : , avec une constante, avec pouvant être compris entre 0,5 et 0,9 (bornes incluses), de préférence entre 0,7 et 0,9 (bornes incluses).
De plus, l’angle d’inclinaison externe du pôle magnétique primaire δ2p1 peut être défini par la relation : avec une constante, avec pouvant être compris entre 0,4 et 0,9 (bornes incluses), de préférence entre 0,55 et 0,7 (bornes incluses).
Selon un mode de réalisation, l’angle d’inclinaison interne du pôle magnétique secondaire δ1p2 peut être défini par la relation : , avec une constante, avec pouvant être compris entre 0,5 et 0,9 (bornes incluses), de préférence entre 0,7 et 0,9 (bornes incluses).
De plus, l’angle d’inclinaison externe du pôle magnétique primaire δ2p2 peut être défini par la relation : avec une constante, avec pouvant être compris entre 0,4 et 0,9 (bornes incluses), de préférence entre 0,5 et 0,7 (bornes incluses).
Ces plages angulaires permettent une optimisation pour réduire les ondulations de couple ainsi que les harmoniques de la force contre -électromotrice tout en maximisant le couple moyen et la puissance de la machine.
On définit l’angle d’ouverture des évidements inclinés de la barrière de flux interne par l’angle formé entre deux droites, chaque droite passant par le milieu de deux côtés d’un évidement incliné (sans prendre en compte d’éventuelles formes supplémentaires aux extrémité de l’évidement), les deux côtés de l’évidement incliné étant celui faisant face à la périphérie du rotor et celui faisant face au centre du rotor. Ces deux côtés correspondent aux côtés de plus petite dimension des évidements. Pour le mode de réalisation pour lequel les évidements ont sensiblement une forme rectangulaire (à l’exception des éventuelles formes supplémentaires) dans le plan transversal du rotor, les deux côtés correspondent à l’épaisseur des évidements. En d’autres termes, l’angle d’ouverture de la barrière de flux interne correspond à l’angle formé par les segments opposés du U.
Selon un mode de réalisation, l’angle d’ouverture des évidements inclinés de la barrière de flux interne peut être aigu, c’est-à-dire inférieur à 90°. Un tel angle permet d’augmenter la taille des évidements latéraux, et le cas échant la taille des éventuels aimants permanents latéraux, ce qui permet de maximiser le couple de la machine électrique.
On peut définir un rayon interne pour désigner le rayon de la barrière de flux interne, le rayon interne étant la distance entre le centre du rotor et le côté de l’évidement central de la barrière de flux interne faisant face au centre du rotor, ce rayon interne étant défini sur le rayon perpendiculaire à l’évidement central de barrière de flux interne.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le ratio entre le rayon interne et le rayon du rotor peut être compris entre 0,3 et 0,8 (bornes incluses) et de préférence entre 0,55 et 0,75 (bornes incluses) pour optimiser le couple et la puissance de la machine électrique.
On peut définir un rayon externe pour désigner le rayon de la barrière de flux externe, le rayon externe étant la distance entre le centre du rotor et le côté de l’évidement central de la barrière de flux externe faisant face au centre du rotor, ce rayon interne étant défini sur le rayon perpendiculaire à l’évidement central de barrière de flux externe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, on peut définir une relation entre le rayon interne rint, le rayon du rotor r et le rayon externe rext:
Avec kr étant un coefficient. kr peut être compris entre 0,2 et 0,9 (bornes incluses), de préférence entre 0,5 et 0,8 (bornes incluses) pour optimiser les performances magnétiques de la machine électrique.
Selon l’invention, le rotor comprend p paires de pôles magnétiques (ou 2xp pôles magnétiques). Avantageusement, p peut être compris entre 1 et 9, et de préférence p est compris entre 2 et 6, et vaut de manière préférée 4.
L’invention concerne également une machine électrique, qui comporte un stator et un rotor selon l’une quelconque des variantes ou des combinaisons de variantes telles que décrites ci-dessus. Le rotor est agencé à l’intérieur du stator. Classiquement, le stator comprend des bobinages pour générer un champ magnétique tournant apte à faire tourner le rotor par rapport au stator. Les bobines peuvent être insérées dans des encoches axiales du stator, les encoches étant disposées circonférentiellement au sein du stator.
Selon un mode de réalisation, la machine électrique peut être une machine synchro-réluctante assistée d’aimants permanents.
La illustre, schématiquement et de manière non limitative, un rotor de machine électrique selon un mode de réalisation de l’invention. La est une vue d’une section transversale perpendiculaire à l’axe du rotor. De plus, la est une vue partielle du rotor : la représente un quart du rotor correspondant à deux pôles magnétiques d’un rotor à quatre paires de pôles magnétiques, les autres paires de pôles magnétiques se déduisent par répétition circulaire de la vue partielle. Sur cette , aucun aimant permanent n’est représenté, les différents modes de réalisation d’agencement des aimants permanents sont illustrés et détaillés aux figures 4 à 9. Le rotor 1 est formé d’un empilement de tôles, lié à un arbre de rotor 4. La portion de rotor 1 illustrée comprend deux pôles magnétiques 16, 16’. Chaque pôle magnétique 16, 16’ comprend deux barrières de flux : une barrière de flux interne 2 et une barrière de flux externe 3. La barrière de flux interne 2 comprend un évidement central 5, et deux évidements inclinés 6 de part et d’autre de l’évidement central 5, ces trois évidements 5, 6 forment une barrière de flux ayant sensiblement une forme de U. Un pont magnétique radial 17 est prévu entre l’évidement central 5 et chaque évidement incliné 6. Un pont tangentiel 18 est prévu entre chaque évidement incliné 6 et la périphérie du rotor 1. La barrière de flux externe 3 comprend un évidement central 7 et deux évidements latéraux 8 de part et d’autre de l’évidement central 7, ces trois évidements 7, 8 forment une barrière de flux ayant sensiblement une forme de I perpendiculaire au rayon R du rotor. Un pont magnétique radial 19 est prévu entre l’évidement central 7 et chaque évidement latéral 8. Un pont tangentiel 20 est prévu entre chaque évidement latéral 8 et la périphérie du rotor 1.
Le rotor peut comprendre des évidements d’allègements, tels que les évidements d’allègement 15 prévus entre l’arbre du rotor 4 et la barrière de flux interne 2.
Pour le mode de réalisation de la , chaque évidement 5, 6 ou 7 des barrières de flux interne et externe, a sensiblement une forme rectangulaire et comprend deux formes supplémentaires à ses extrémités. Il s’agit des formes supplémentaires 10 pour l’évidement central 5, des formes supplémentaires 9 pour les évidements inclinés 6, et des formes supplémentaires 11 pour l’évidement central 7. Ces formes supplémentaires 9, 10, 11 sont en forme de L, de rectangle arrondi et en forme de portion de disque. De plus, les évidements latéraux 8 de la barrière de flux externe 3 ont une forme courbe, sensiblement circulaire.
La est identique à la , et permet de définir un paramétrage géométrique des barrières de flux. Le centre du rotor est noté C. On trace le rayon R, qui est perpendiculaire à l’évidement central 5 de la barrière de flux interne (et également perpendiculaire à l’évidement central 7 de la barrière de flux externe). Pour le mode de réalisation des figures 1 et 2, le rayon R est un axe de symétrie de l’évidement central 5 (respectivement de l’évidement central 7). De plus, sur cette figure on trace les droites D6. Les droites D6 passent par les milieux de deux côtés opposés des évidements inclinés 6 (sans compter les formes supplémentaires 9). L’angle d’ouverture des évidements inclinés 6 de la barrière de flux interne est noté α, il est défini par l’angle formé par les deux droites D6, cet angle α est un angle aigu.
Pour le mode de réalisation illustré, le pôle magnétique est symétrique par rapport au rayon R. Dans ce cas, l’angle α est formé d’un premier angle d’inclinaison α1 et d’un deuxième angle d’inclinaison α2. Chacun des angles α1 et α2 est défini entre une droite D6 et le rayon R, avec α1 = α2 (ce qui implique que les évidements inclinés 6 sont symétriques).
De plus, pour le mode de réalisation de figures 1 et 2, les deux pôles magnétiques 16 et 16’ sont différents : les angles des évidements inclinés des barrières de flux du pôle magnétique 16 sont supérieurs aux angles des évidements inclinés des barrières de flux du pôle magnétique 16’. De plus, les formes supplémentaires 10, 11 sont différentes entre les pôles magnétiques 16 et 16’.
En variante, tous les pôles magnétiques du rotor 1 peuvent être identiques.
La est identique à la et à la , et permet de définir un paramétrage dimensionnel des évidements des barrières de flux. Le centre du rotor est noté C. On trace le rayon R, qui est perpendiculaire à l’évidement central 5 de la barrière de flux interne (et également perpendiculaire à l’évidement central 7 de la barrière de flux externe).
De plus, on indique sur cette figure certaines dimensions des évidements des barrières de flux. La dimension radiale (selon le rayon R) de l’évidement latéral 8 de la barrière de flux externe est notée e8. La dimension radiale (selon le rayon R) de l’évidement central 7 de la barrière de flux externe est notée e7. De préférence, on peut écrire l’inéquation suivante : .
En outre, la dimension circonférentielle (selon une droite orthogonale au rayon R) de l’évidement latéral 8 de la barrière de flux externe est notée l8. Selon un mode de réalisation de l’invention, les dimensions l8 et e8 sont sensiblement égales.
La dimension circonférentielle (selon une droite orthogonale au rayon R) de l’évidement central 7 de la barrière de flux externe sans compter les formes supplémentaires 11 est notée l7. Selon une mise en œuvre de l’invention, la dimension l8 est strictement inférieure à l7, avec .
La dimension circonférentielle (selon une droite orthogonale au rayon R) de l’évidement central 5 de la barrière de flux interne sans compter les formes supplémentaires 10 est notée l5. Selon un aspect de l’invention, les dimensions l7 et l5 sont égales. La dimension radiale (selon le rayon R) de l’évidement central 5 de la barrière de flux interne sans compter les formes supplémentaires 10 est notée e5. Selon un aspect de l’invention, les dimensions e7 et e5 sont égales.
La est identique à la , et permet de définir un paramétrage angulaire des barrières de flux. Le centre du rotor est noté C. On trace le rayon R, qui est perpendiculaire à l’évidement central 5. Sur cette figure, on représente un pôle magnétique primaire 16’ et un pôle magnétique secondaire 16. L’angle du pôle magnétique primaire 16’ est noté γp1, et l’angle du pôle magnétique secondaire 16 est noté γp2. Ces deux angles sont différents. De plus, l’angle d’inclinaison interne du pôle magnétique primaire 16’ est noté δ1p1 et l’angle d’inclinaison externe du pôle magnétique primaire 16’ est noté δ2p1. En outre, l’angle d’inclinaison interne du pôle magnétique secondaire 16 est noté δ1p2 et l’angle d’inclinaison externe du pôle magnétique secondaire 16 est noté δ2p2. Ces angles sont différents, et on a les relations suivantes δ1p1< δ1p2, δ2p1< δ2p2, δ2p1< δ1p1 et δ2p2< δ1p2.
En outre, on représente sur la , le rayon du rotor r, ainsi que le rayon interne rint de la barrière de flux interne et le rayon externe rext de la barrière de flux externe. Ces rayons interne et externe sont identiques pour le pôle magnétique primaire et pour le pôle magnétique secondaire. Cette conception permet de simplifier la fabrication et le nombre d’aimants permanents différents utilisés.
Toutefois, les rayons internes et externes des pôles magnétiques primaires peuvent être différents des rayons interne et externe des pôles magnétiques secondaires. Ainsi, une asymétrie plus importante peut être obtenue, et un degré de liberté supplémentaire est disponible pour réduire les ondulations de couple, les pertes fer et maximiser le couple.
Les figures 4 à 9 illustrent, schématiquement et de manière non limitative, différents modes de réalisation de l’invention, sur la base du rotor des figures 1 à 3. Ces figures sont des vues d’une section transversale perpendiculaire à l’axe du rotor. De plus, ces figures sont des vues partielles du rotor : elles représentent un quart du rotor correspondant à deux pôles magnétiques d’un rotor à quatre paires de pôles magnétiques. La différence entre ces modes de réalisation correspond à l’agencement des aimants permanents dans les pôles magnétiques. Pour ces figures, seule la disposition des aimants permanents est détaillée. Bien que les figures 4 à 9 soient représentées avec une asymétrie des pôles magnétiques, ces modes de réalisation peuvent être mis en œuvre avec des pôles magnétiques identiques.
Pour le mode de réalisation de la , uniquement chaque évidement central 5 de la barrière de flux interne 2 est pourvu d’un aimant permanent 12, ici de section rectangulaire. Aucun aimant permanent n’est inséré dans les évidements latéraux 8 de la barrière de flux externe.
Pour le mode de réalisation de la , un aimant permanent 12 est agencé dans chaque évidement central 5 de la barrière de flux interne 2, et un aimant permanent 13 est agencé dans chaque évidement central 7 de la barrière de flux externe 3. Les aimants permanents 12 et 13 sont de section rectangulaire. De préférence, les aimants permanents 12 et 13 sont de dimensions identiques. Aucun aimant permanent n’est inséré dans les évidements latéraux 8 de la barrière de flux externe.
Pour le mode de réalisation de la , un aimant permanent 13 est agencé dans chaque évidement central 7 de la barrière de flux externe 3, et un aimant permanent 14 est agencé dans chaque évidement incliné 6 de la barrière de flux interne 2. Les aimants permanents 13 et 14 sont de section rectangulaire. De préférence, les aimants permanents 13 et 14 sont de dimensions identiques. Aucun aimant permanent n’est inséré dans les évidements latéraux 8 de la barrière de flux externe.
Pour le mode de réalisation de la , un aimant permanent 12 est agencé dans chaque évidement central 5 de la barrière de flux interne 2, un aimant permanent 13 est agencé dans chaque évidement central 7 de la barrière de flux externe 3, et un aimant permanent 14 est agencé dans chaque évidement incliné 6 de la barrière de flux interne 2. Les aimants permanents 12, 13 et 14 sont de section rectangulaire. De préférence, les aimants permanents 12, 13 et 14 sont de dimensions identiques. Aucun aimant permanent n’est inséré dans les évidements latéraux 8 de la barrière de flux externe.
Pour le mode de réalisation de la , un aimant permanent 14 est agencé dans chaque évidement incliné 6 de la barrière de flux interne 2. Les aimants permanents 14 sont de section rectangulaire. De préférence, les aimants permanents 14 sont de dimensions identiques. Aucun aimant permanent n’est inséré dans les évidements latéraux 8 de la barrière de flux externe.
Pour le mode de réalisation de la , un aimant permanent 13 est agencé dans chaque évidement central 7 de la barrière de flux externe 3. Les aimants permanents 13 sont de section rectangulaire. De préférence, les aimants permanents 13 sont de dimensions identiques. Aucun aimant permanent n’est inséré dans les évidements latéraux 8 de la barrière de flux externe.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation du rotor, décrits ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.

Claims (19)

  1. Rotor pour machine électrique, ledit rotor (1) comprenant un corps de rotor formé par un empilage de tôles, de préférence placé sur un arbre de rotor (4), et une pluralité de paires de pôles magnétiques (16, 16’), chaque pôle magnétique (16, 16’) est composé de deux barrières de flux (2, 3) constituant chaque pôle magnétique, dont une barrière de flux externe (3) et une barrière de flux interne (2), et d’au moins un aimant permanent (12, 13, 14) positionné dans un évidement axial (5, 6, 7) d’une desdites deux barrières de flux (2, 3), caractérisé en ce que pour chaque pôle magnétique, ladite barrière de flux interne (2) est constituée de deux évidements inclinés (6) positionnés et espacés de part et d’autre d’un évidement central (5), ledit évidement central (5) de ladite barrière de flux interne (2) étant perpendiculaire à un rayon (R) dudit rotor, et lesdits évidements inclinés (6) de ladite barrière de flux interne (2) étant espacées de la périphérie du rotor, et en ce que, pour chaque pôle magnétique, ladite barrière de flux externe (3) est constituée de deux évidements (8) latéraux espacés de part et d’autre d’un évidement central (7), ledit évidement central (7) de la barrière de flux externe (3) étant perpendiculaire audit rayon (R) du rotor qui est perpendiculaire audit évidement central (5) de la barrière de flux interne (2), et en ce que lesdites évidements latéraux (8) de la barrière de flux externe (3) sont agencés dans le prolongement de l’évidement central (7) de la barrière de flux externe (3), lesdits évidements latéraux (8) de la barrière de flux externe (3) étant espacés de la périphérie du rotor.
  2. Rotor selon la revendication 1, dans lequel, pour chaque pôle magnétique, un aimant permanent (12), de préférence un unique aimant permanent est positionné dans ledit évidement central (5) de ladite barrière de flux interne (2).
  3. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, pour chaque pôle magnétique, un aimant permanent (14), de préférence un unique aimant permanent, est positionné dans chaque évidement incliné (6) de ladite barrière de flux interne (2).
  4. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, pour chaque pôle magnétique, un aimant permanent (13), de préférence un unique aimant permanent, est positionné dans ledit évidement central (7) de la barrière de flux externe (3).
  5. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, pour chaque pôle magnétique, lesdits évidements inclinés (6) de ladite barrière de flux interne (2) et/ou lesdits évidements latéraux (8) de ladite barrière de flux externe (3) sont symétriques par rapport audit rayon (R) perpendiculaire audit évidement central (5) de ladite barrière de flux interne (2).
  6. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel deux pôles magnétiques (16, 16’) consécutifs sont asymétriques.
  7. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’angle d’ouverture (α) des évidements inclinés (6) de ladite barrière de flux interne (2) est aigu.
  8. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque pôle magnétique comporte une pluralité d’aimants permanents (12, 13, 14) disposés dans lesdits évidements desdites barrières de flux, lesdits aimants permanents (12, 13, 14) étant de dimensions identiques.
  9. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque pôle magnétique (16, 16’) comporte un aimant permanent (12) dans l’évidement central (5) de ladite barrière de flux interne (2), et un aimant permanent (13) dans l’évidement central (7) de ladite barrière de flux externe (3) de dimensions identiques à celles de l’aimant permanent (12) dans ledit évidement central (5) de ladite barrière de flux interne (2).
  10. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit nombre de paires de pôles magnétiques (16, 16’) est compris entre 1 et 9, de préférence entre 3 et 6, et vaut de manière préférée 4.
  11. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un aimant permanent (12, 13, 14) a une section rectangulaire.
  12. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits évidements latéraux (8) de ladite barrière de flux externe (3) ont une section sensiblement courbe, par exemple circulaire, elliptique ou ovale.
  13. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits évidements latéraux (8) de ladite barrière de flux externe (3) ont une dimension radiale (e8) inférieure ou égale à la dimension radiale (e7) de l’évidement central (7) de ladite barrière de flux externe (3).
  14. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la dimension radiale (e8) desdits évidements latéraux (8) de ladite barrière de flux externe (3) est sensiblement égale à la dimension circonférentielle (l8) desdits évidements latéraux (8) de ladite barrière de flux externe (3).
  15. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, pour chaque pôle magnétique, la dimension circonférentielle (l5) de l’évidement central (5) de la barrière de flux interne (2) est sensiblement égale à la dimension circonférentielle (l7) de l’évidement central (7) de ladite barrière de flux externe (3).
  16. Rotor selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, pour chaque pôle magnétique, la dimension radiale (e5) de l’évidement central (5) de la barrière de flux interne (2) est sensiblement égale à la dimension radiale (e7) de l’évidement central (7) de ladite barrière de flux externe (3).
  17. Machine électrique caractérisée en ce qu’elle comprend un stator et un rotor (1) selon l’une des revendications précédentes, ledit rotor étant logé à l’intérieur dudit stator.
  18. Machine électrique selon la revendication 17, dans lequel ledit stator comprend une pluralité d’encoches radiales disposées circonférentiellement le long dudit stator.
  19. Machine électrique selon l’une des revendications 17 à 18, dans lequel ladite machine électrique est du type machine électrique synchro-réluctante assistée d’aimants permanents.
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