FR2876228A1 - Rotor pour moteur electrique et moteur electrique correspondant - Google Patents
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Abstract
Ce rotor comprend :- un moyeu (11) muni d'un alésage (21) pour son montage sur un arbre (9)- une jante (13) entourant le moyeu (11);- un assemblage feuilleté (15) entourant la jante (13) et fixé sur celle-ci, l'assemblage feuilleté (15) comprenant des disques annulaires (29) conducteurs de champ magnétique empilés axialement ; et- des éléments magnétiques d'entraînement (17) répartis sur le pourtour extérieur de l'assemblage feuilleté (15) ;Selon un aspect de l'invention, la jante (13) est massive et constituée d'un métal ou d'un alliage métallique conducteur de champ magnétique pour permettre le passage à travers la jante (13) d'un flux magnétique circulant entre les éléments magnétiques d'entraînement (17) lors du fonctionnement d'un moteur électrique équipé du rotor.Application notamment aux moteurs électriques à aimants permanents.
Description
La présente invention concerne un rotor pour moteur électrique comprenant:
- un moyeu muni d'un alésage pour son montage sur un arbre; - une jante entourant le moyeu; un assemblage feuilleté entourant la jante et fixé sur celle-ci, l'assemblage feuilleté comprenant des disques annulaires conducteurs de champ magnétique empilés axialement; et - des éléments magnétiques d'entraînement répartis sur le pourtour extérieur de l'assemblage feuilleté.
Les rotors de moteurs électriques à aimants permanents comprennent des aimants permanents répartis sur leurs pourtours. En fonctionnement, la matière du rotor est traversée par des flux magnétiques circulant entre les aimants permanents. Ces flux magnétiques ont pour origine les aimants permanents eux-mêmes et un champ magnétique induit par le stator du moteur électrique.
Du fait des flux magnétiques circulant dans le rotor, des pertes électriques, notamment par circulation de courant induits dans le rotor et effet Joule, peuvent survenir.
Pour limiter la formation de courants axialement dans le rotor, il est possible de prévoir, par exemple comme dans le document EP 1 239 569, un rotor constitué par un assemblage feuilleté composé de disques conducteurs de champ magnétique intercalés avec des disques isolants du point de vue électromagnétique, et de fixer les aimants sur le pourtour de cet assemblage. L'assemblage est directement disposé sur un arbre.
Néanmoins, les assemblages feuilletés sont coûteux à réaliser. Ceci est d'autant plus vrai pour les rotors de forte puissance présentant des diamètres importants.
Des efforts sont entrepris pour concevoir des rotors pouvant être à la fois légers, rigides et de coûts de fabrication faible.
Le document EP 0 854 558 décrit un rotor comprenant un élément cylindrique poreux faisant office de moyeu, autour duquel est disposé un assemblage feuilleté sur le pourtour duquel sont disposés des aimants permanents. L'élément poreux cylindrique est réalisé en résine chargée de poudre de fer. Dans une variante, l'élément poreux cylindrique est réalisé par une structure en nid d'abeille métallique ou en résine.
Le document EP 1 050 946 décrit un rotor pour moteur électrique composite comprenant un moyeu en acier entouré par un élément annulaire constitué de résine lui-même entouré par une bande en acier non ferromagnétique. Un assemblage feuilleté entoure la bande en acier non ferromagnétique et porte sur son pourtour des aimants.
Toutefois, ces rotors ne donnent pas entièrement satisfaction lorsque l'on rapporte leur solidité et la limitation des pertes électromagnétiques qu'ils permettent à leur coût de fabrication.
Un but de la présente invention est de proposer un rotor pour moteur électrique rigide permettant de limiter les pertes électromagnétiques tout en limitant le coût de fabrication du rotor.
A cet effet, la présente invention propose un rotor pour moteur électrique du type précité, caractérisé en ce que la jante est massive et constituée d'un métal ou d'un alliage métallique conducteur de champ magnétique pour permettre le passage à travers la jante d'un flux magnétique circulant entre les éléments magnétiques d'entraînement lors du fonctionnement d'un moteur électrique équipé du rotor.
Selon des modes de réalisation particuliers, le rotor comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - le moyeu est massif et constitué d'un métal ou d'un alliage métallique conducteur de champ magnétique; - la jante est venue de matière avec le moyeu; - la jante et/ou le moyeu sont constitués de fer ou d'acier conducteur de champ magnétique; - les éléments magnétiques d'entraînement sont des aimants permanents; - la jante est plus longue axialement que le moyeu, de sorte que le rotor présente à au moins une de ses extrémités axiales un évidement central délimité radialement par la jante et axialement par le moyeu; - le moyeu comprend une portion centrale tubulaire et un voile radial reliant radialement la portion centrale tubulaire à la jante; - la portion centrale tubulaire est plus longue axialement que le voile radial; - l'assemblage feuilleté présente une épaisseur radiale comprise entre 2 et 100 mm, de préférence entre 5 et 50 mm; et - le rapport de l'épaisseur radiale de l'assemblage feuilleté et l'épaisseur radiale de la jante est compris entre 0,2 et 5, de préférence entre 0,25 et 1.
L'invention concerne également un moteur électrique comprenant un stator et un rotor tel que défini ci-dessus.
Dans un mode de réalisation, le rotor et le stator sont reçus dans un carter, le stator étant solidaire du carter, le rotor étant solidaire d'un arbre, le moteur comprenant des paliers de guidage en rotation disposés entre le carter et l'arbre, au moins un palier étant reçu au moins en partie dans un évidement du rotor.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple nullement limitatif, et faite en se référant à la figure annexée représentant une vue en coupe axiale d'un moteur électrique à aimants permanents comprenant un rotor conforme à l'invention.
Tel que représenté sur la figure, un moteur électrique 1 comprend un stator 3 solidaire d'un carter 5 et un rotor 7 solidaire d'un arbre 9.
Le rotor 7 comprend un moyeu 11, une jante 13 entourant le moyeu 11 et fixée sur la périphérie du moyeu 11, un assemblage feuilleté 15 tubulaire cylindrique entourant la jante 13 et fixé sur la jante 13, et des aimants permanents 17 répartis sur le pourtour extérieur de l'assemblage feuilleté 15.
Le moyeu 11 comprend une portion centrale 19 tubulaire munie d'un alésage 21 dans lequel est reçu l'arbre 9. Le moyeu 11 et l'arbre 9 sont solidarisés en rotation à l'aide de moyens d'entraînement non représentés, comme par exemple des cannelures. Le moyeu 11 comprend un voile radial 23 annulaire entourant la portion centrale 19 et s'étendant radialement entre la portion centrale 19 et la jante 13. La portion centrale 19 est plus longue axialement que le voile radial 23.
La jante 13 est tubulaire et cylindrique, et présente une surface intérieure 25 et une surface extérieure 27 cylindrique.
La jante 13 est plus longue axialement que le voile radial 23 et que la portion centrale 19. La jante 13 est par conséquent reliée au moyeu 11 seulement sur un tronçon limité axialement de la surface intérieure 25 de la jante 13.
La jante 13 est par exemple centrée axialement par rapport au moyeu 11.
Des évidements 26 sont ainsi formés à chaque extrémité axiale du rotor 7. Les évidements 26 sont délimités radialement par la surface intérieure 25 de la jante 13 et axialement par le moyeu 11.
L'assemblage feuilleté 15 est composé de disques annulaires 29, 31 empilés axialement. L'assemblage feuilleté 15 comprend des premiers disques 29 conducteurs de champ magnétique alternés avec des seconds disques 31 constitués d'un matériau qui est un isolant électromagnétique.
L'assemblage feuilleté 15 est disposé autour de la jante 13 en étant enfilé sur sa surface extérieure 27.
De préférence, au moins les premiers disques 29 sont en contacts par leurs bords intérieurs avec la surface extérieure 27 de la jante 13, afin de réaliser une continuité magnétique entre ces disques 29 et la jante 13.
Des encoches axiales sont par exemple ménagées sur la surface extérieure de l'assemblage feuilleté 15 opposé à la jante 13 pour y disposer les aimants 17.
Les aimants 17 sont par exemple circonférentiellement régulièrement espacés et présentent des polarités altérnées.
L'assemblage feuilleté 15 est retenu axialement sur la jante 13 par des collerettes 33 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir des extrémités axiales de la jante 13. Les collerettes 33 peuvent être rapportées sur la jante 13 ou venues de matière avec la jante 13 et réalisées par exemple par pliage.
La jante 13 est massive et constituée exclusivement d'un métal ou d'un alliage métallique conducteur de champ magnétique, en particulier ferromagnétique.
Un alliage métallique désigne ici un produit métallique obtenu en incorporant à un métal un ou plusieurs éléments.
Un métal adéquat est du fer qui présente une perméabilité et une saturation magnétiques excellentes. Un alliage métallique est par exemple un alliage ferreux, et en particulier un acier, de préférence un acier doux. Des nuances d'acier possibles sont les nuances C22 à C60 selon la norme EN 10083.
L'acier présente généralement une perméabilité et une saturation magnétiques inférieures à celle du fer, mais des propriétés mécaniques de résistance plus élevées.
Avantageusement, le moyeu 11 est également massif est constitué exclusivement d'un métal ou d'un alliage métallique conducteur de champ magnétique, en particulier ferromagnétique.
Pour limiter les coûts de fabrication du rotor 7, tout en augmentant sa solidité, la portion centrale 19, le voile radial 23 et la jante 13 sont réalisés d'un seul tenant en étant venus de matière.
Les premiers disques 29 de l'assemblage feuilleté 15 sont par exemple également constitués d'un métal ou d'un alliage métallique conducteur de champ magnétique, en particulier ferromagnétique, identique ou différent de celui de la jante 13 et/ou du rotor 7.
Le rapport entre l'épaisseur radiale de l'assemblage feuilleté 15 et l'épaisseur radiale de la jante 13 est par exemple compris entre 0,1 et 5, de préférence entre 0,25 et 1.
L'épaisseur radiale de l'assemblage feuilleté 15 est par exemple comprise entre 2 et 100 mm, de préférence entre 5 et 50 mm.
Le stator 3 entoure le rotor 7. Le stator 3 comprend un assemblage feuilleté 35 similaire à l'assemblage feuilleté 15 du rotor 7 mais présentant un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur du rotor 7. Le stator 3 comprend des bobinages 37 s'étendant axialement dans son assemblage feuilleté 35 à travers des passages axiaux 39.
Les bobinages 37 sont reliés de façon non représentée à des moyens d'alimentation électrique.
L'espace annulaire situé radialement entre l'assemblage feuilleté 15 du rotor 7 et l'assemblage feuilleté 35 du stator 3 constitue l'entrefer 40 du moteur 1.
Le carter 5 comprend une enveloppe 41 tubulaire et cylindrique entourant le stator 3. Le stator 3 est fixé sur la surface intérieure de l'enveloppe 41.
Le carter 5 est fermé axialement à ses extrémités par l'intermédiaire de deux flasques 43 annulaires sensiblement symétriques par rapport à un plan radial médian du moteur électrique 1.
Chaque flasque 43 comprend une couronne 45 extérieure annulaire radiale et une portion intérieure annulaire 47 tronconique s'étendant à partir de la zone de plus petit diamètre de la couronne 45 radialement vers l'intérieur, et axialement vers l'intérieur du carter 5.
La portion intérieure 47 de chaque flasque 43 converge par conséquent en direction de l'autre flasque 43, vers l'intérieur du carter 5.
Plus précisément, la portion intérieure 47 de chaque flasque 43 revient axialement en direction du rotor 7 de façon qu'elle est en saillie partiellement dans l'évidemment 26 correspondant.
La portion intérieure 47 présente au niveau de sa zone de plus petit diamètre un talon 49 annulaire qui entoure l'arbre 9. Des paliers 51 de guidage en rotation sont disposés radialement entre le talon 49 de chaque flasque 43 et l'arbre 9.
Des moyens d'étanchéité, par exemple des joints annulaires 53, sont disposés radialement entre chaque talon 49 et l'arbre 9, axialement de chaque côté du palier 51 correspondant. Les joints 53 assurent l'étanchéité entre le carter 5 et l'arbre 9 pour éviter la pollution de l'intérieur du carter 5.
Les paliers 51 et les moyens d'étanchéité 53 portés par le talon 49 sont en partie reçus dans les évidements 26 correspondants. La présence des évidements 26 permet ainsi de limiter l'encombrement axial du moteur électrique 1 dans son ensemble.
En fonctionnement, les bobinages 37 sont alimentés en énergie électrique avec un signal électrique d'excitation présentant un profil déterminé, par exemple un profil périodique du type sinusoïdal ou carré.
Les bobinages 37 créent un champ électromagnétique d'excitation variable à l'intérieur du stator 3. Les aimants permanents 17 soumis à ce champ électromagnétique d'excitation subissent des efforts dirigés circonférentiellement. Le rotor 7 est par conséquent entraîné en rotation autour de l'axe de l'arbre 9.
Un flux magnétique circule dans le moteur 1 du stator 3 vers les aimants 17 à travers l'entrefer 40, puis entre les aimants 17 à travers les premiers disques 29 de l'assemblage feuilleté 15 et la jante 13, puis retourne vers le stator 3 par l'entrefer 40.
Des courants électriques, du type courants de Foucault, tendent à se former dans le rotor 7 du fait du déplacement de celui-ci dans le champ électromagnétique.
Ces courants électriques se déplacent principalement axialement dans le rotor 7. La présence de l'assemblage feuilleté 15 permet d'éviter la formation de tels courants électriques et limite par conséquent les pertes électromagnétiques, en particulier les pertes par effet Joule.
Le signal d'excitation périodique peut être décomposé en fonction de sa forme en une pluralité de signaux sinusoïdaux comprenant un signal fondamental de plus grande amplitude et de plus basse fréquence et des signaux harmoniques d'amplitude moindre et de fréquences multiples de la fréquence du signal fondamental.
Le champ électromagnétique induit dans le rotor 7 peut de la même façon être décomposé en un champ électromagnétique induit par le signal fondamental et des champs magnétiques induits par les signaux harmoniques.
Le champ électromagnétique induit par le signal fondamental permet principalement l'entraînement en rotation du rotor 7.
Les champs électromagnétiques induits par les signaux harmoniques sont principalement à l'origine des pertes électromagnétiques.
La profondeur de pénétration radiale des champs électromagnétiques induits par chaque signal fondamental ou harmonique dépend du nombre d'aimants 17 répartis sur le pourtour de l'assemblage feuilleté 15 et de leur espacement suivant la direction circonférentielle.
La profondeur de pénétration radiale des champs électromagnétiques induits par chaque signal fondamental ou harmonique est en outre inversement proportionnelle à la fréquence de ceux-ci.
Les champs électromagnétiques induits par les signaux harmoniques possèdent par conséquent une profondeur de pénétration dans l'épaisseur radiale du rotor 7 inférieure à celle du champ électromagnétique induit par le signal fondamental.
L'épaisseur radiale de l'assemblage feuilleté 15 est choisie pour que, en fonctionnement, son épaisseur soit supérieure à la profondeur de pénétration des champs électromagnétiques induits par les signaux harmoniques.
L'épaisseur radiale de la jante 13 est prévue de façon que l'épaisseur radiale de l'assemblage feuilleté 15 ajoutée à celle de la jante 13 soit supérieure à la profondeur maximale de pénétration du champ électromagnétique induit par le signal fondamental.
Ainsi, l'assemblage 15 et la jante 13 permettent la circulation du flux magnétique du champ électromagnétique induit par le signal fondamental, circonférentiellement entre les aimants 17. L'assemblage feuilleté 15 assure le passage du flux magnétique des champ électromagnétiques induits par les signaux harmoniques circonférentiellement entre les aimants 17 tout en empêchant la propagation axialement de courants électriques résultants des champs électromagnétique induits par les signaux harmoniques. Ceci permet de limiter les pertes électromagnétiques dues aux signaux harmoniques.
Par exemple, dans un signal périodique en créneau, la fréquence fondamentale est égale à celle du signal en créneau et la première fréquence harmonique est cinq fois supérieure à la fréquence fondamentale. Par conséquent, la profondeur de pénétration du champ électromagnétique induit par le signal fondamental est cinq fois supérieure à la profondeur de pénétration du champ électromagnétique induit par le premier signal harmonique.
II est donc possible dans ce cas de prévoir un assemblage feuilleté 15 présentant une épaisseur radiale quatre fois inférieure à celle de la jante 13. De façon générale, la limitation de l'épaisseur radiale de l'assemblage feuilleté 15 permet de limiter le coût de fabrication du rotor 7.
La jante 13 massive, c'est-à-dire pleine et dépourvue de porosités, et réalisée entièrement en métal ou alliage métallique conducteur de champ magnétique présente une perméabilité magnétique et une saturation magnétique élevées, contrairement à un matériau poreux ou à une résine, même chargée de particule de fer. Ceci permet de boucler le circuit du flux magnétique dans le rotor 7 en limitant la résistance au passage du flux magnétique dans le rotor 7, et d'obtenir un moteur électrique présentant des performances améliorées, notamment en termes de vitesse de rotation maximale et de couple transmissible à l'arbre 9.
La jante 13 massive est en outre résistante et sa fabrication est aisée, contrairement par exemple à un matériau en nid d'abeille.
La jante 13 étant sensiblement tubulaire et reliée au moyeu 11 seulement sur une région axiale limitée de sa surface intérieure, le rotor 7 est léger tout en étant résistant, et en permettant la circulation de flux magnétiques.
Le moteur électrique 1 peut être utilisé dans des applications nécessitant des couples très importants. Par exemple, le moteur électrique 1 est employé pour l'entraînement de véhicules ferroviaires tels que des trains ou des tramways.
L'invention s'applique également aux rotors pour moteur électrique comprenant d'éléments d'entraînement magnétiques sous la forme d'aimants non permanents ou des bobinages.
Claims (12)
1. Rotor pour moteur électrique comprenant: - un moyeu (11) muni d'un alésage (21) pour son montage sur un arbre (9) ; - une jante (13) entourant le moyeu (11) ; - un assemblage feuilleté (15) entourant la jante (13) et fixé sur celle- ci, l'assemblage feuilleté (15) comprenant des disques annulaires (29) conducteurs de champ magnétique empilés axialement; et - des éléments magnétiques d'entraînement (17) répartis sur le pourtour extérieur de l'assemblage feuilleté (15) ; caractérisé en ce que la jante (13) est massive et constituée d'un métal ou d'un alliage métallique conducteur de champ magnétique pour permettre le passage à travers la jante (13) d'un flux magnétique circulant entre les éléments magnétiques d'entraînement (17) lors du fonctionnement d'un moteur électrique équipé du rotor.
2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu (11) est massif et constitué d'un métal ou d'un alliage métallique conducteur de champ magnétique.
3. Rotor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la jante (13) est venue de matière avec le moyeu (11).
4. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jante (13) et/ou le moyeu (11) sont constitués de fer ou d'acier conducteur de champ magnétique.
5. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments magnétiques d'entraînement (17) sont des aimants permanents.
6. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jante (13) est plus longue axialement que le moyeu (11), de sorte que le rotor présente à au moins une de ses extrémités axiales un évidement central (26) délimité radialement par la jante (13) et axialement par le moyeu (Il).
7. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyeu (11) comprend une portion centrale tubulaire (19) et un voile radial (23) reliant radialement la portion centrale tubulaire (19) à la jante (13).
8. Rotor selon la revendication 7, caractérisé en ce que la portion centrale tubulaire (19) est plus longue axialement que le voile radial (23).
9. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'assemblage feuilleté (15) présente une épaisseur radiale comprise entre 2 et 100 mm, de préférence entre 5 et 50 mm.
10. Rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport de l'épaisseur radiale de l'assemblage feuilleté et l'épaisseur radiale de la jante est compris entre 0,2 et 5, de préférence entre 0,25 et 1.
11. Moteur électrique comprenant un stator (3) et un rotor (7), caractérisé en ce qu'il comprend un rotor selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Moteur électrique selon la revendication 11 dépendante de la revendication 6, caractérisé en ce que le rotor (7) et le stator (3) sont reçus dans un carter (5), le stator (3) étant solidaire du carter (5), le rotor (7) étant solidaire d'un arbre (9), le moteur comprenant des paliers (51) de guidage en rotation disposés entre le carter (5) et l'arbre (9), au moins un palier (51) étant reçu au moins en partie dans l'évidement (26) du rotor (7).
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