WO2016146908A1 - Rotor de machine electrique tournante a aimants permanents - Google Patents

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WO2016146908A1
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rotor
permanent magnets
rotor according
minimum thickness
bridge
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PCT/FR2016/050378
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Benoit WALME
Mamy Rakotovao
Nam-Gook Kim
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur
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Definitions

  • the invention relates to a permanent magnet rotating electric machine rotor having improved magnetic performance.
  • the rotating electrical machines comprise a stator and a rotor secured to a shaft.
  • the rotor may be integral with a driving shaft and / or driven and may belong to a rotating electrical machine in the form of an alternator, an electric motor, or a reversible machine that can operate in both modes.
  • the stator is mounted in a housing configured to rotate the shaft for example by means of bearings.
  • the stator comprises a body constituted by a stack of thin sheets forming a ring, the inner face of which is provided with notches open towards the inside to receive phase windings.
  • the windings are obtained for example from a continuous wire coated with enamel or from conductive elements in the form of pins connected together by welding.
  • the phase windings are constituted by closed coils on themselves which are wound around the teeth of the stator.
  • the protection between the package of sheets and the winding wire is provided either by a paper-type insulation, or by plastic by overmolding or by means of an insert.
  • the windings are polyphase windings connected in star or delta whose outputs are connected to a control electronics.
  • the rotor comprises a body formed by a stack of sheets of sheets held in the form of a package by means of a suitable fastening system, such as rivets passing axially through the rotor from one side, or with staples, or still with buttons.
  • the rotor has poles formed by permanent magnets housed in cavities in the rotor body.
  • Rotating electrical machines are known that are coupled to a shaft of an electric turbocharger ("electric supercharger").
  • This turbocharger makes it possible to compensate, at least in part, for the loss of power of the reduced-displacement heat engines used on many motor vehicles in order to reduce their consumption and the emissions of pollutant particles (so-called "downsizing" principle in English).
  • the electric turbocharger comprises a compressor turbine.
  • the compressor is arranged on the intake duct upstream or downstream of the engine to allow compression of the intake air to optimize the filling of the cylinders of the engine.
  • the electric machine is activated to drive the compressor turbine in order to minimize the torque response time, in particular during the transient phases during acceleration, or in the automatic restart phase of the engine after a standby ("stop" operation). start "in English).
  • the invention aims to improve the magnetic performance of this type of electric machine which is very compact and whose speed can reach 70000 revolutions / min, in particular from 60000 to 80000 rev / min.
  • the subject of the invention is a rotary electric machine rotor, especially an electric machine capable of rotating at rotation speeds of the order of 60000 to 80000 revolutions / min, comprising:
  • a ratio between a volume occupied by all of the permanent magnets and a volume delimited by said rotor body is greater than 30%, for example greater than 45%, preferably greater than 50%.
  • This arrangement allows the machine with a compact rotor, to offer a high mass power while reducing the inertia of the rotor.
  • the rotor body is made of metal and the volume defined by the rotor body is equal to the metal volume of said body.
  • said permanent magnets are made of rare earth.
  • an outer diameter of said rotor is between 20 mm and 50 mm, in particular between 24 mm and 30 mm, for example between 20 mm and 35 mm.
  • This type of rotor is particularly suitable for high speeds of rotation, in particular of the order of 60000 to 80000 revolutions / min.
  • said outer diameter of said rotor is of the order of 26 mm.
  • the rotor has four poles.
  • a ratio between a volume of air in said rotor body and a volume of the set of permanent magnets is greater than 10%. This makes it possible to minimize the inertia of the rotor and therefore to improve the acceleration performance of the electric machine.
  • said ratio is about 20%.
  • said rotor body comprises a plurality of cavities each housing at least one magnet of the set of permanent magnets. According to one embodiment, each cavity opens axially from one side of said rotor.
  • each cavity is delimited at its outer periphery by a polar wall.
  • said polar wall has an inner face in contact with a permanent magnet.
  • said inner face is flat.
  • said inner face is curved.
  • two neighboring cavities are separated by an arm belonging to said rotor body.
  • each arm is connected to a polar wall via a bridge.
  • a ratio between a minimum thickness of a bridge measured in a radial direction and the radius of the rotor is between 6% and 15%, in particular between 8% and 10%.
  • a minimum thickness of a bridge measured in a radial direction is strictly less than a minimum thickness of a corresponding polar wall measured in a radial direction.
  • the thickness of the bridges measured in a radial direction is greater than or equal to 1.2 mm, for example substantially equal to 1.2 mm.
  • the thickness of the bridges measured in a radial direction is less than or equal to 1.5 mm.
  • a minimum thickness of a bridge measured in a radial direction is strictly less than a minimum thickness of an arm measured in an orthoradial direction.
  • the thickness of the arms measured in an orthoradial direction is greater than or equal to 1.5 mm, for example substantially equal to 1.5 mm.
  • the thickness of the arms measured in an orthoradial direction is less than or equal to 3.5 mm.
  • a ratio between a minimum thickness of a bridge and a minimum thickness of one arm is between 30% and 80%. This makes it possible to obtain a good compromise between the magnetic flux of the machine and the mechanical strength of the rotor.
  • an angular aperture of each permanent magnet is at least equal to 30 degrees.
  • said permanent magnets are radially magnetized.
  • said rotor body is constituted by a pack of sheets or is monobloc.
  • each cavity has an upper angular aperture strictly at 30 degrees, in particular greater than strictly 40 degrees.
  • each permanent magnet is substantially in the shape of a rectangular parallelepiped.
  • each permanent magnet is substantially tile-shaped, or has a combined shape with a flat face on one side and a curved face on the other.
  • the rotor body has an outer periphery having a cylindrical face substantially of the shape of that of a cylinder of revolution.
  • Such a rotor makes it possible to increase the inductance (Lq) in the axis passing between the permanent magnets. This makes it possible to obtain a reluctant torque that participates in the production of high-speed engine torque. This is particularly suitable for electric machines running at high speed, namely at speeds of at least 60000 revolutions / min.
  • the subject of the invention is also a rotary electric machine rotor comprising:
  • the rotor body having a plurality of cavities each housing at least one magnet of the set of permanent magnets
  • each cavity being delimited at its outer periphery by a polar wall, two neighboring cavities being separated by an arm belonging to said rotor body,
  • each arm being connected to a polar wall by means of a bridge, a ratio between a minimum thickness of a bridge measured in a radial direction and the radius of the rotor being between 6% and 15%, in particular between 8 % and 10%.
  • the outer diameter of the rotor is of the order of 26 mm.
  • the invention also relates to a rotating electrical machine comprising a wound stator and a rotor as previously defined.
  • said rotating electrical machine has a response time of the order of 250 ms to go from 5000 to 70,000 revolutions / min.
  • a usage voltage is 12V and a steady state current is of the order of 150 amperes.
  • an outer diameter of the stator is between 35mm and 80mm, in particular between 45mm and 55mm, for example between 48mm and 52mm.
  • the subject of the invention is a rotor for a rotating electrical machine, in particular an electric machine capable of rotating at rotational speeds of the order of 60000 to 80000 revolutions / min, comprising:
  • a ratio between a surface defined by the set of permanent magnets, divided by a surface defined by said rotor body is greater than 30%, for example greater than at 45%, and preferably above 50%.
  • Figure 1 is a sectional view of a turbocharger comprising a rotary electric machine according to the present invention
  • Fig. 2 shows a perspective view of the rotor of the rotating electrical machine according to the present invention
  • Fig. 3 is a cross-sectional view of the rotor of the rotating electrical machine according to the present invention
  • Fig. 4 is a perspective view of a permanent magnet for insertion into a cavity of the rotor according to the present invention
  • Figure 5 shows a partial sectional view illustrating an alternative embodiment of the rotor of the electric machine according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a turbocharger 1 comprising a turbine 2 equipped with fins 3 able to suck, via an inlet 4, uncompressed air coming from an air source (not represented) and to drive back compressed air via the outlet 5 after passing through a volute referenced 6.
  • the output 5 may be connected to an inlet distributor (not shown) located upstream or downstream of the engine to optimize the filling of the cylinders of the engine .
  • the suction of the air is performed in an axial direction, that is to say along the axis of the turbine 2, and the discharge is made in a radial direction perpendicular to the axis of turbine 2.
  • the suction is radial while the discharge is axial.
  • the suction and the discharge are made in the same direction relative to the axis of the turbine (axial or radial).
  • the turbine 2 is driven by an electric machine 7 mounted inside the housing 8.
  • This electric machine 7 comprises a stator 9, which may be polyphase, surrounding a rotor 10 with the presence of an air gap.
  • This stator 9 is mounted in the housing 8 configured to rotate a shaft 19 by means of bearings 20.
  • the shaft 19 is connected in rotation with the turbine 2 as well as with the rotor 10.
  • the stator 9 is preferably mounted in the housing 8 by hooping.
  • the electric machine 7 has a time of short response between 100 ms and 600 ms, in particular between 200 ms and 400 ms, for example being of the order of 250 ms to go from 5000 to 70,000 revolutions / min.
  • the operating voltage is 12 V and a steady state current is of the order of 150 A.
  • the electric machine 7 is able to provide a peak current, that is to say a current delivered over a continuous period of less than 3 seconds, between 150 A and 300 A, in particular between 180 A and 220 A.
  • the electric machine 7 is able to operate in alternator mode, or is an electric machine of the type reversible.
  • the stator 9 comprises a body constituted by a stack of thin sheets forming a ring, the inner face is provided with notches open inwardly to receive phase windings.
  • the windings are obtained for example from a continuous wire coated with enamel or from conductive elements in the form of pins connected together by welding.
  • the phase windings are constituted by closed coils on themselves which are wound around the teeth of the stator.
  • the protection between the package of sheets and the winding wire is provided either by a paper-type insulation, or by plastic by overmolding or by means of an insert.
  • These windings are polyphase windings connected in star or delta whose outputs are connected to an inverter.
  • the rotation axis rotor X shown in greater detail in FIG. 2 is permanent magnets.
  • the rotor 10 comprises a body 1 1 formed here by a stack of sheets extending in a radial plane perpendicular to the axis X in order to reduce the eddy currents.
  • This body 1 1 is made of ferromagnetic material.
  • the sheets are held by fixing means, for example rivets, passing axially from one side to the stack of sheets for forming a manipulable and transportable assembly. Alternatively, the sheets are assembled together by means of staples or buttons.
  • the body 11 may be rotatably connected to the shaft of the rotary electric machine in various ways, for example by force-fitting the splined shaft within the central opening 12 of the rotor 10, or using a keyed device.
  • the 1 1 rotor body may be made of a monobloc ferromagnetic material.
  • the rotor body 1 1 has an internal periphery 15 delimiting the central cylindrical opening 12 having an internal diameter D1, for example of the order of 10 mm, an outer periphery 16 delimited by a cylindrical face of external diameter D2, for example of the 26mm order but may more generally be between 20mm and 50mm, in particular between 24mm and 30mm, and by two axial end faces 17, 18 of annular shape extending in a radial plane between the inner periphery 15 and the periphery external 16.
  • a volume V of the rotor body 1 1 is delimited by the inner periphery 15, the outer periphery 16 and the two axial end faces 17, 18.
  • the volume V of the rotor body 1 1 is the defined by the stacking of the laminations of the laminations of the rotor body.
  • an outer diameter of the stator is between 35mm and 80mm, in particular between 45mm and 55mm, and preferably for example between 48mm and 52mm.
  • the rotor 10 comprises a plurality of cavities 21 in each of which is housed a permanent magnet 22.
  • the ratio between the volume occupied by all the permanent magnets 22 and the volume V delimited by the rotor body 11 is greater than 30%, preferably greater than 50%.
  • each cavity 21 passes axially through the body 1 1 from one side, that is to say from one axial end face 17, 18 to the other.
  • Two adjacent cavities 21 are separated by an arm 25 coming from a core 26 of the rotor 10, so that there is an alternation of cavities 21 and arm 25 when following a circumference of the rotor 10.
  • the rotor body 1 1 also comprises polar walls 31 each located between two adjacent arms 25.
  • Each pole wall 31 extends between an inner face 36 in contact with a permanent magnet 22 and the outer periphery of the rotor 10.
  • each arm 25 is connected to a corresponding polar wall 31 via a bridge 32 .
  • the cavities 21 are each delimited by two faces 35 of two adjacent arms 20 facing each other, a flat inner face 36 of a polar wall 31 extending next an orthoradial direction, a flat face 37 formed in the core 26 parallel to the face 36, and the inner faces 38 of two bridges 32.
  • the junctions between the faces 35 and 38 may be rounded to facilitate machining.
  • a minimum thickness L1 of a bridge 32 measured in a radial direction with respect to the axis X is strictly less than a minimum thickness L2 of a corresponding polar wall 31 measured in a radial direction relative to to the X axis.
  • the minimum thickness L1 of a bridge 32 is strictly less than a minimum thickness L3 of an arm 25 measured in a direction orthoradial with respect to the axis X.
  • a ratio between a minimum thickness L1 of a bridge 32 measured in a radial direction and the outer radius (D2 / 2) of the rotor is between 6% and 15%, in particular between 8% and 10%.
  • a ratio between the minimum thickness L1 of a bridge 32 and the minimum thickness L3 of an arm 25 is between 30% and 80%. This makes it possible to obtain a good compromise between the magnetic flux of the machine and the mechanical strength of the magnets 22 inside the cavities 21 of the rotor 10.
  • the thickness L1 of the bridges 32 is approximately equal to 1.2 mm and the thickness L3 of the arms 25 is approximately equal to 1.5 mm. In all cases, the minimum thickness L1 of the bridges is less than or equal to 1.5 mm, and the minimum thickness L3 of the arms is less than or equal to 3.5 mm.
  • the "minimum" thickness L1 -L3 of an element means the smallest thickness measured in the given direction (radial or orthoradial direction) corresponding to the smallest dimension of the smallest section of the element. whose thickness is to be measured.
  • the thicknesses L1, L2 of the bridge 32 and of the polar wall 31 are equal and substantially constant while having a value greater than or equal to 1.2 mm.
  • the magnets 22 have a rectangular parallelepiped shape whose angles are slightly beveled. The magnets 22 thus have a substantially constant rectangular cross-section.
  • the magnets 22 are radially magnetized, that is to say that the two faces 41, 42 parallel to each other having an orthoradial orientation are magnetized so as to be able to generate a magnetic flux in a radial orientation M with respect to the axis X.
  • these faces 41, 42 parallel there is the inner face 41 located on the side of the axis of the rotor 10 and the outer face 42 located on the side of the outer periphery of the rotor 10.
  • the magnets 22 located in two consecutive cavities 21 are of alternating polarity.
  • the inner faces 41 of the magnets 22 bearing against the flat face 37 formed in the core 26 have an alternating polarity
  • the outer faces 42 of the magnets 22 in contact with the inner face 36 of the corresponding polar wall 31 have an alternating polarity .
  • the inner faces 41 and outer 42 of each magnet 22 are in this case plane.
  • the outer face 42 of each magnet 22 is curved, while the inner face 41 of the magnet 22 is flat, or vice versa.
  • the inner face 36 of the polar wall 31 then has a corresponding curved shape. This improves the maintenance of the magnet 22 inside a cavity 21.
  • the two lateral faces 41 and 42 are curved in the same direction (see dashed line 50), so that the magnet 22 generally has a tile shape.
  • the magnets 22 do not completely fill the cavities 21, so that there are two empty spaces 45 on either side of the magnet 22.
  • the volume of air delimited by all the spaces 45 of the rotor 10 makes it possible to reduce the inertia of the rotor 10.
  • the ratio between the volume of air in the rotor body 1 1 and a volume of the set of permanent magnets 22 is greater than 10%. Preferably, the ratio is about 20%.
  • the angular aperture a1 of a cavity 21 is greater than the angular aperture o2 of a corresponding permanent magnet 22.
  • the angular aperture ⁇ 1, o2 of a given element is defined by the angle formed by two planes each passing through the axis X and one end of said element.
  • the angular aperture a1 of each cavity 21 is strictly greater than 40 degrees, while the angular aperture o2 of a magnet 22 is at least 30 degrees. In a particular embodiment, the angular aperture a1 of each cavity 21 is of the order of 73 degrees, while the angular aperture o2 of a magnet 22 is of the order of 67 degrees.
  • the magnets 22 are preferably made of rare earth to maximize the magnetic power of the machine. Alternatively, they may however be made of ferrite according to the applications and the desired power of the electric machine. Alternatively, the magnets 22 may be of different shades to reduce costs. For example, the cavities are replaced by the use of a rare earth magnet and a less powerful but less expensive ferrite magnet. Some cavities 21 may also be left empty depending on the desired power of the electric machine. For example, two diametrically opposed cavities 21 may be empty. The number of cavities 21 is here equal to four, as is the number of magnets 22 associated. It is however possible to increase the number of cavities 21 and magnets 22 depending on the application.
  • a single permanent magnet 22 is inserted inside each cavity 21.
  • the rotor 10 may also comprise, inside each cavity 21, a plating element of the spring type magnets, or pin made of a magnetic material that is more flexible than the magnets 22. These plating elements make it easier to insert the magnets. 22 in the cavities 21 which is performed by sliding the magnets 22 parallel to the axis X of the rotor 10, and to guarantee the mechanical plating of the magnets.
  • the magnets can be held in the cavity by an adhesive.
  • the rotor body 1 1 may also comprise two holding plates (not shown) plated on either side of the rotor 10 on its axial end faces. These holding plates provide axial retention of the magnets 22 inside the cavities 21, and also serve to balance the rotor.
  • the flanges are made of non-magnetic material, for example aluminum.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

L'invention concerne principalement un rotor (10) de machine électrique tournante comportant: -un corps de rotor (11), et -un ensemble d'aimants permanents (22), caractérisé en ce qu'un ratio entre un volume occupé par l'ensemble des aimants permanents (22) et un volume (V) délimité par ledit corps de rotor (11) est supérieur à 30%, de préférence supérieur à 50%.

Description

ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE
A AIMANTS PERMANENTS
L'invention porte sur un rotor de machine électrique tournante à aimants permanents présentant des performances magnétiques améliorées. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor peut être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et peut appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Dans un bobinage de type ondulé réparti, les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, dans un bobinage de type "concentrique", les enroulements de phase sont constitués par des bobines fermées sur elles-mêmes qui sont enroulées autour des dents du stator. La protection entre le paquet de tôles et le fil de bobinage est assurée soit par un isolant de type papier, soit par du plastique par surmoulage ou au moyen d'une pièce rapportée. Les enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à une électronique de commande. Par ailleurs, le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets traversant axialement le rotor de part en part, ou avec des agrafes, ou encore avec des boutons. Le rotor comporte des pôles formés par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans le corps de rotor. On connaît des machines électriques tournantes accouplées à un arbre d'un turbocompresseur électrique (« electric supercharger » en anglais). Ce turbocompresseur permet de compenser au moins en partie la perte de puissance des moteurs thermiques de cylindrée réduite utilisés sur de nombreux véhicules automobiles pour en diminuer la consommation et les émissions de particules polluantes (principe dit de "downsizing" an anglais). A cet effet, le turbocompresseur électrique comprend une turbine de compresseur. Le compresseur est disposé sur le conduit d'admission en amont ou en aval du moteur thermique pour permettre de comprimer l'air d'admission afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur thermique.
La machine électrique est activée pour entraîner la turbine du compresseur afin de minimiser le temps de réponse en couple, notamment lors des phases transitoires à l'accélération, ou en phase de redémarrage automatique du moteur thermique après une mise en veille (fonctionnement « stop and start » en anglais).
L'invention vise à améliorer les performances magnétiques de ce type de machine électrique qui est très compacte et dont la vitesse peut atteindre 70000 tours/min, notamment de 60000 à 80000 tours/min.
A cet effet, l'invention a pour objet un rotor de machine électrique tournante notamment de machine électrique apte à tourner à des vitesses de rotation de l'ordre de 60000 à 80000 tours/min, comportant :
- un corps de rotor, et
- un ensemble d'aimants permanents,
caractérisé en ce qu'un ratio entre un volume occupé par l'ensemble des aimants permanents et un volume délimité par ledit corps de rotor est supérieur à 30%, par exemple supérieur à 45%, de préférence supérieur à 50%. Cet agencement permet à la machine dotée d'un rotor compact, d'offrir une puissance massique élevée tout en réduisant l'inertie du rotor. Selon une réalisation, le corps de rotor est en métal et le volume délimité par le corps de rotor est égal au volume de métal dudit corps.
Selon une réalisation, lesdits aimants permanents sont réalisés en terre rare.
Selon une réalisation, un diamètre externe dudit rotor est compris entre 20mm et 50mm, notamment entre 24 mm et 30 mm, par exemple entre 20mm et 35 mm.
Ce type de rotor est particulièrement adapté à des vitesses de rotation élevées, notamment de l'ordre de 60000 à 80000 tours/min.
Selon une réalisation, ledit diamètre externe dudit rotor est de l'ordre de 26 mm.
Selon une réalisation, le rotor comporte quatres pôles.
Selon une réalisation, un ratio entre un volume d'air dans ledit corps de rotor et un volume de l'ensemble d'aimants permanents est supérieur à 10 %. Cela permet de minimiser l'inertie du rotor et donc d'améliorer les performances d'accélération de la machine électrique.
De préférence, ledit ratio est d'environ 20 %.
Selon une réalisation, ledit corps de rotor comporte une pluralité de cavités logeant chacune au moins un aimant de l'ensemble des aimants permanents. Selon une réalisation, chaque cavité débouche axialement de part en part dudit rotor.
Selon une réalisation, chaque cavité est délimitée à sa périphérie externe par une paroi polaire.
Selon une réalisation, ladite paroi polaire comporte une face interne en contact avec un aimant permanent.
Selon une réalisation, ladite face interne est plate.
En variante, ladite face interne est courbée. Selon une réalisation, deux cavités voisines sont séparées par un bras appartenant audit corps de rotor.
Selon une réalisation, chaque bras est raccordé à une paroi polaire par l'intermédiaire d'un pont. De préférence, un ratio entre une épaisseur minimale d'un pont mesurée suivant une direction radiale et le rayon du rotor est compris entre 6 % et 15 %, notamment compris entre 8 % et 10 %.
Selon une réalisation, une épaisseur minimale d'un pont mesurée suivant une direction radiale est inférieure strictement à une épaisseur minimale d'une paroi polaire correspondante mesurée suivant une direction radiale.
De préférence, l'épaisseur des ponts mesurée suivant une direction radiale est supérieure ou égale à 1 ,2 mm, par exemple sensiblement égale à 1 ,2 mm.
De préférence, l'épaisseur des ponts mesurée suivant une direction radiale est inférieure ou égale à 1 ,5 mm.
Selon une réalisation, une épaisseur minimale d'un pont mesurée suivant une direction radiale est inférieure strictement à une épaisseur minimale d'un bras mesurée suivant une direction orthoradiale.
De préférence, l'épaisseur des bras mesurée suivant une direction orthoradiale est supérieure ou égale à 1 ,5 mm, par exemple sensiblement égale à 1 ,5 mm.
De préférence, l'épaisseur des bras mesurée suivant une direction orthoradiale est inférieure ou égale à 3,5 mm.
Selon une réalisation, un ratio entre une épaisseur minimale d'un pont et une épaisseur minimale d'un bras est compris entre 30% et 80%. Cela permet d'obtenir un bon compromis entre le flux magnétique de la machine et la tenue mécanique du rotor.
Selon une réalisation, une ouverture angulaire de chaque aimant permanent est au moins égale à 30 degrés. Selon une réalisation, lesdits aimants permanents sont à aimantation radiale.
Selon une réalisation, ledit corps de rotor est constitué par un paquet de tôles ou est monobloc.
Selon une réalisation, chaque cavité a une ouverture angulaire supérieure strictement à 30 degrés, notamment supérieure strictement à 40 degrés.
Selon une réalisation, chaque aimant permanent est sensiblement en forme de parallélépipède rectangle.
Selon une réalisation, chaque aimant permanent est sensiblement en forme de tuile, ou présente une forme combinée avec une face plane d'un côté et une face incurvée de l'autre.
Selon un mode de réalisation, le corps de rotor présente une périphérie externe ayant une face cylindrique sensiblement de la forme de celle d'un cylindre de révolution.
Un tel rotor permet d'augmenter l'inductance (Lq) dans l'axe passant entre les aimants permanents. Ceci permet d'obtenir un couple réluctant qui participe à la production du couple moteur à haute vitesse. Ceci est tout particulièrement adapté pour des machines électriques tournant à haute vitesse, à savoir à des vitesses d'au moins 60000 tours/min.
L'invention a encore pour objet un rotor de machine électrique tournante comportant :
- un corps de rotor, et
- un ensemble d'aimants permanents,
le corps de rotor comportant une pluralité de cavités logeant chacune au moins un aimant de l'ensemble des aimants permanents,
chaque cavité étant délimitée à sa périphérie externe par une paroi polaire, deux cavités voisines étant séparées par un bras appartenant audit corps de rotor,
chaque bras étant raccordé à une paroi polaire par l'intermédiaire d'un pont, un ratio entre une épaisseur minimale d'un pont mesurée suivant une direction radiale et le rayon du rotor étant compris entre 6 % et 15 %, notamment compris entre 8 % et 10 %. Selon une réalisation, le diamètre externe du rotor est de l'ordre de 26 mm.
Tout ou partie des caractéristiques mentionnées précédemment s'applique encore à cet autre aspect de l'invention.
L'invention a également pour objet une machine électrique tournante comportant un stator bobiné et un rotor tel que précédemment défini.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente un temps de réponse de l'ordre de 250ms pour passer de 5000 à 70000 tours/min.
Selon une réalisation, une tension d'utilisation est de 12V et un courant en régime permanent est de l'ordre de 150 Ampères. Selon une réalisation, un diamètre externe du stator est compris entre 35mm et 80mm, notamment entre 45mm et 55mm, par exemple entre 48mm et 52mm.
L'invention a enfin pour objet un rotor de machine électrique tournante, notamment de machine électrique apte à tourner à des vitesses de rotation de l'ordre de 60000 à 80000 tours/min, comportant :
- un corps de rotor, et
- un ensemble d'aimants permanents,
caractérisé en ce que, dans un plan orthogonal à l'axe du rotor, un ratio entre une surface définie par l'ensemble des aimants permanents, divisé par une surface définie par ledit corps de rotor, est supérieur à 30%, par exemple supérieur à 45%, et de préférence supérieur à 50%.
Tout ou partie des caractéristiques mentionnées précédemment s'applique encore à cet autre aspect de l'invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention.
La figure 1 est une vue en coupe d'un turbocompresseur comportant une machine électrique tournante selon la présente invention; La figure 2 montre une vue en perspective du rotor de la machine électrique tournante selon la présente invention;
La figure 3 est une vue en coupe transversale du rotor de la machine électrique tournante selon la présente invention; La figure 4 est une vue en perspective d'un aimant permanent destiné à être inséré à l'intérieur d'une cavité du rotor selon la présente invention;
La figure 5 montre une vue en coupe partielle illustrant une variante de réalisation du rotor de la machine électrique selon la présente invention.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La figure 1 montre un turbocompresseur 1 comportant une turbine 2 munie d'ailettes 3 apte à aspirer, via une entrée 4, de l'air non-comprimé issu d'une source d'air (non représentée) et à refouler de l'air comprimé via la sortie 5 après passage dans une volute référencée 6. La sortie 5 pourra être reliée à un répartiteur d'admission (non représenté) situé en amont ou en aval du moteur thermique afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur thermique. En l'occurrence, l'aspiration de l'air est réalisée suivant une direction axiale, c'est-à-dire suivant l'axe de la turbine 2, et le refoulement est réalisé suivant une direction radiale perpendiculaire à l'axe de la turbine 2. En variante, l'aspiration est radiale tandis que le refoulement est axial. Alternativement, l'aspiration et le refoulement sont réalisés suivant une même direction par rapport à l'axe de la turbine (axiale ou radiale).
A cet effet, la turbine 2 est entraînée par une machine électrique 7 montée à l'intérieur du carter 8. Cette machine électrique 7 comporte un stator 9, qui pourra être polyphasé, entourant un rotor 10 avec présence d'un entrefer. Ce stator 9 est monté dans le carter 8 configuré pour porter à rotation un arbre 19 par l'intermédiaire de roulements 20. L'arbre 19 est lié en rotation avec la turbine 2 ainsi qu'avec le rotor 10. Le stator 9 est de préférence monté dans le carter 8 par frettage. Afin de minimiser l'inertie de la turbine 2 lors d'une demande d'accélération de la part du conducteur, la machine électrique 7 présente un temps de réponse court compris entre 100 ms et 600 ms, notamment compris entre 200 ms et 400 ms, par exemple étant de l'ordre de 250 ms pour passer de 5000 à 70000 tours/min. De préférence, la tension d'utilisation est de 12 V et un courant en régime permanent est de l'ordre de 150 A. De préférence, la machine électrique 7 est apte à fournir un pic de courant, c'est-à-dire un courant délivré sur une durée continue inférieure à 3 secondes, compris entre 150 A et 300 A, notamment entre 180 A et 220 A. En variante, la machine électrique 7 est apte à fonctionner en mode alternateur, ou est une machine électrique de type réversible. Plus précisément, le stator 9 comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Dans un bobinage de type ondulé réparti, les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, dans un bobinage de type "concentrique", les enroulements de phase sont constitués par des bobines fermées sur elles-mêmes qui sont enroulées autour des dents du stator. La protection entre le paquet de tôles et le fil de bobinage est assurée soit par un isolant de type papier, soit par du plastique par surmoulage ou au moyen d'une pièce rapportée. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un onduleur.
Le rotor 10 d'axe de rotation X montré plus en détails sur la figure 2 est à aimants permanents. Le rotor 10 comporte un corps 1 1 formé ici par un empilement de tôles s'étendant dans un plan radial perpendiculaire à l'axe X afin de diminuer les courants de Foucault. Ce corps 1 1 est réalisé en matière ferromagnétique. Les tôles sont maintenues par des moyens de fixation, par exemple des rivets, traversant axialement de part en part l'empilement des tôles pour formation d'un ensemble manipulable et transportable. Alternativement, les tôles sont assemblées entre elles au moyen d'agrafes, ou de boutons. Le corps 1 1 peut être lié en rotation à l'arbre de la machine électrique tournante de différentes manières, par exemple par emmanchement en force de l'arbre cannelé à l'intérieur de l'ouverture centrale 12 du rotor 10, ou à l'aide d'un dispositif à clavette. En variante, le corps de rotor 1 1 pourra être réalisé dans un matériau ferromagnétique monobloc.
Le corps de rotor 1 1 présente une périphérie interne 15 délimitant l'ouverture cylindrique centrale 12 ayant un diamètre interne D1 par exemple de l'ordre de 10mm, une périphérie externe 16 délimitée par une face cylindrique de diamètre externe D2 par exemple de l'ordre de 26mm mais pouvant plus généralement être compris entre 20mm et 50mm, notamment entre 24mm et 30mm, ainsi que par deux faces d'extrémité axiale 17, 18 de forme annulaire s'étendant dans un plan radial entre la périphérie interne 15 et la périphérie externe 16. Un volume V du corps de rotor 1 1 est délimité par la périphérie interne 15, la périphérie externe 16 et les deux faces d'extrémité axiale 17, 18. Autrement dit, le volume V du corps de rotor 1 1 est celui définit par l'empilage des tôles du paquet de tôles du corps de rotor. Par ailleurs, un diamètre externe du stator est compris entre 35mm et 80mm, notamment entre 45mm et 55mm, et de préférence par exemple entre 48mm et 52mm.
Le rotor 10 comporte une pluralité de cavités 21 dans chacune desquelles est logé un aimant permanent 22. Afin d'optimiser les performances magnétiques de la machine, le ratio entre le volume occupé par l'ensemble des aimants permanents 22 et le volume V délimité par le corps de rotor 1 1 est supérieur à 30%, de préférence supérieur à 50%.
Plus précisément, chaque cavité 21 traverse axialement le corps 1 1 de part en part, c'est-à-dire d'une face d'extrémité axiale 17, 18 à l'autre. Deux cavités 21 voisines sont séparées par un bras 25 issu d'une âme 26 du rotor 10, en sorte qu'il existe une alternance de cavités 21 et de bras 25 lorsque l'on suit une circonférence du rotor 10. Le corps de rotor 1 1 comporte également des parois polaires 31 situées chacune entre deux bras 25 adjacents. Chaque paroi polaire 31 s'étend entre une face interne 36 en contact avec un aimant permanent 22 et la périphérie externe du rotor 10. En outre, chaque bras 25 est raccordé à une paroi polaire 31 correspondante par l'intermédiaire d'un pont 32.
Ainsi, comme on peut le voir sur la figure 3, les cavités 21 sont délimitées chacune par deux faces 35 de deux bras 20 adjacents tournées l'une vers l'autre, une face interne 36 plate d'une paroi polaire 31 s'étendant suivant une direction orthoradiale, une face 37 plate ménagée dans l'âme 26 parallèle à la face 36, et les faces internes 38 de deux ponts 32. Les jonctions entre les faces 35 et 38 pourront être arrondies afin de faciliter l'usinage. Dans l'exemple de réalisation, une épaisseur minimale L1 d'un pont 32 mesurée suivant une direction radiale par rapport à l'axe X est inférieure strictement à une épaisseur minimale L2 d'une paroi polaire 31 correspondante mesurée suivant une direction radiale par rapport à l'axe X.
Par ailleurs, l'épaisseur minimale L1 d'un pont 32 est inférieure strictement à une épaisseur minimale L3 d'un bras 25 mesurée suivant une direction orthoradiale par rapport à l'axe X. un ratio entre une épaisseur minimale L1 d'un pont 32 mesurée suivant une direction radiale et le rayon externe (D2/2) du rotor est compris entre 6 % et 15 %, notamment compris entre 8 % et 10 %. De préférence, un ratio entre l'épaisseur minimale L1 d'un pont 32 et l'épaisseur minimale L3 d'un bras 25 est compris entre 30 % et 80 %. Cela permet d'obtenir un bon compromis entre le flux magnétique de la machine et la tenue mécanique des aimants 22 à l'intérieur des cavités 21 du rotor 10.
Dans l'exemple considéré, l'épaisseur L1 des ponts 32 est environ égale à 1 ,2 mm et l'épaisseur L3 des bras 25 est environ égale à 1 ,5 mm. Dans tous les cas, l'épaisseur minimale L1 des ponts est inférieure ou égale à 1 ,5 mm, et l'épaisseur minimale L3 des bras est inférieure ou égale à 3,5 mm.
Il est à noter que par épaisseur "minimale" L1 -L3 d'un élément, on entend la plus petite épaisseur mesurée suivant la direction donnée (direction radiale ou orthoradiale) correspondant à la plus petite dimension de la plus petite section de l'élément dont l'épaisseur est à mesurer.
En variante, les épaisseurs L1 , L2 du pont 32 et de la paroi polaire 31 sont égales et sensiblement constantes tout en ayant une valeur supérieure ou égale à 1 ,2 mm. Dans le cas présent, comme cela est bien visible sur la figure 4, les aimants 22 ont une forme de parallélépipède rectangle dont les angles sont légèrement biseautés. Les aimants 22 présentent ainsi une section transversale rectangulaire sensiblement constante.
Les aimants 22 sont à aimantation radiale, c'est-à-dire que les deux faces 41 , 42 parallèles l'une par rapport à l'autre ayant une orientation orthoradiale sont magnétisées de manière à pouvoir générer un flux magnétique suivant une orientation radiale M par rapport à l'axe X. Parmi ces faces 41 , 42 parallèles, on distingue la face interne 41 située du côté de l'axe du rotor 10 et la face externe 42 située du côté de la périphérie externe du rotor 10.
Comme cela est bien visible sur les figures 3 et 5 où les lettres N et S correspondent respectivement aux pôles Nord et Sud, les aimants 22 situés dans deux cavités 21 consécutives sont de polarités alternées. Ainsi, d'une cavité 21 à l'autre; les faces internes 41 des aimants 22 en appui contre la face plate 37 ménagée dans l'âme 26 présentent une polarité alternée, et les faces externes 42 des aimants 22 en contact avec la face interne 36 de la paroi polaire 31 correspondante présentent une polarité alternée.
Les faces internes 41 et externes 42 de chaque aimant 22 sont en l'occurrence planes. En variante, comme cela a été représenté sur la figure 5, la face externe 42 de chaque aimant 22 est courbée, tandis que la face interne 41 de l'aimant 22 est plate, ou inversement. La face interne 36 de la paroi polaire 31 présente alors une forme courbe correspondante. On améliore ainsi le maintien de l'aimant 22 à l'intérieur d'une cavité 21 . Alternativement, les deux faces latérales 41 et 42 sont courbées dans le même sens (cf. trait pointillé 50), en sorte que l'aimant 22 présente globalement une forme de tuile. Par ailleurs, les aimants 22 ne remplissent pas complètement les cavités 21 , de telle façon qu'il existe deux espaces vides 45 de part et d'autre de l'aimant 22. Le volume d'air délimité par l'ensemble des espaces 45 du rotor 10 permet de réduire l'inertie du rotor 10. Afin de minimiser cette inertie de manière optimale et donc d'améliorer les performances d'accélération de la machine électrique tournante, le ratio entre le volume d'air dans le corps de rotor 1 1 et un volume de l'ensemble des aimants permanents 22 est supérieur à 10 %. De préférence, le ratio est d'environ 20 %. A cet effet, l'ouverture angulaire a1 d'une cavité 21 est supérieure à l'ouverture angulaire o2 d'un aimant permanent 22 correspondant. L'ouverture angulaire α1 , o2 d'un élément donné (cavité 21 ou aimant 22) est définie par l'angle formé par deux plans passant chacun par l'axe X et par une des extrémités dudit élément. Dans un exemple de réalisation, l'ouverture angulaire a1 de chaque cavité 21 est supérieure strictement à 40 degrés, tandis que l'ouverture angulaire o2 d'un aimant 22 est d'au moins 30 degrés. Dans un exemple de réalisation particulier, l'ouverture angulaire a1 de chaque cavité 21 est de l'ordre de 73 degrés, tandis que l'ouverture angulaire o2 d'un aimant 22 est de l'ordre de 67 degrés.
Les aimants 22 sont de préférence réalisés en terre rare afin de maximiser la puissance magnétique de la machine. En variante, ils pourront toutefois être réalisés en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la machine électrique. Alternativement, les aimants 22 peuvent être de nuances différentes pour réduire les coûts. Par exemple, on alterne dans les cavités l'utilisation d'un aimant en terre rare et d'un aimant en ferrite moins puissant mais moins coûteux. Certaines cavités 21 pourront également être laissées vides en fonction de la puissance recherchée de la machine électrique. Par exemple, deux cavités 21 diamétralement opposés peuvent être vides. Le nombre de cavités 21 est ici égal à quatre, tout comme le nombre d'aimants 22 associés. Il est toutefois possible d'augmenter le nombre de cavités 21 et d'aimants 22 en fonction de l'application.
Par ailleurs, un aimant permanent 22 unique est inséré à l'intérieur de chaque cavité 21 . En variante, on pourra utiliser plusieurs aimants 22 empilés l'un sur l'autre à l'intérieur d'une même cavité 21 . On pourra par exemple utiliser deux aimants permanents 22 empilés axialement ou orthoradialement l'un sur l'autre qui pourront le cas échéant être de nuances différentes.
Le rotor 10 pourra également comprendre à l'intérieur de chaque cavité 21 un élément de placage des aimants de type ressort, ou goupille réalisé en un matériau magnétique plus souple que les aimants 22. Ces éléments de placage permettent de faciliter l'insertion des aimants 22 dans les cavités 21 qui est effectuée en faisant coulisser les aimants 22 parallèlement à l'axe X du rotor 10, et de garantir le placage mécanique des aimants. En variante, les aimants peuvent être maintenus dans la cavité par une colle.
Le corps de rotor 1 1 pourra également comporter deux plaques de maintien (non représentées) plaquées de part et d'autre du rotor 10 sur ses faces d'extrémité axiale. Ces plaques de maintien assurent une retenue axiale des aimants 22 à l'intérieur des cavités 21 , et servent également à équilibrer le rotor. Les flasques sont en matière amagnétique, par exemple en aluminium.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Rotor (10) de machine électrique tournante, notamment de machine électrique apte à tourner à des vitesses de rotation de l'ordre de 60000 à 80000 tours/min, comportant :
- un corps de rotor (1 1 ), et
- un ensemble d'aimants permanents (22),
caractérisé en ce qu'un ratio entre un volume occupé par l'ensemble des aimants permanents (22) et un volume (V) délimité par ledit corps de rotor (1 1 ) est supérieur à 30%, par exemple supérieur à 45%, de préférence supérieur à 50%.
2. Rotor selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdits aimants permanents (22) sont à aimantation radiale (M).
3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un diamètre externe dudit rotor (10) est compris entre 20mm et 50mm, notamment entre 24mm et 30mm, par exemple entre 20mm et 35mm.
4. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps de rotor présente une périphérie externe ayant une face cylindrique sensiblement de la forme de celle d'un cylindre de révolution.
5. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit corps de rotor (1 1 ) comporte une pluralité de cavités (21 ) logeant chacune au moins un aimant (22) de l'ensemble des aimants permanents.
6. Rotor selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque cavité (21 ) est délimitée à sa périphérie externe par une paroi polaire (31 ).
7. Rotor selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite paroi polaire (31 ) comporte une face interne (36) en contact avec un aimant permanent (22).
8. Rotor selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que deux cavités (21 ) voisines sont séparées par un bras (25) appartenant audit corps de rotor (1 1 ).
9. Rotor selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque bras (25) est raccordé à une paroi polaire (31 ) par l'intermédiaire d'un pont (32).
10. Rotor selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une épaisseur minimale (L1 ) d'un pont (32) mesurée suivant une direction radiale est inférieure strictement à une épaisseur minimale (L2) d'une paroi polaire (31 ) correspondante mesurée suivant une direction radiale.
1 1 . Rotor selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'une épaisseur minimale (L1 ) d'un pont (32) mesurée suivant une direction radiale est inférieure strictement à une épaisseur minimale (L3) d'un bras (25) mesurée suivant une direction orthoradiale.
12. Rotor selon l'une quelconque des revendications 9 à 1 1 , caractérisé en ce qu'un ratio entre une épaisseur minimale (32) d'un pont (32) et une épaisseur minimale (L3) d'un bras (25) est compris entre 30 % et 80 %.
13. Rotor selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'un ratio entre une épaisseur minimale (L1 ) d'un pont mesurée suivant une direction radiale et le rayon externe du rotor est compris entre 6 % et 15 %, notamment compris entre 8 % et 10 %.
14. Rotor selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que lesdits aimants permanents (22) sont réalisés en terre rare.
15. Machine électrique tournante comportant un stator bobiné et un rotor (10) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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