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FR3116395A1 - Machine électrique tournante, manche à retour d’effort et système de propulsion associés - Google Patents

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FR3116395A1
FR3116395A1 FR2011673A FR2011673A FR3116395A1 FR 3116395 A1 FR3116395 A1 FR 3116395A1 FR 2011673 A FR2011673 A FR 2011673A FR 2011673 A FR2011673 A FR 2011673A FR 3116395 A1 FR3116395 A1 FR 3116395A1
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Yvan Lefèvre
Théo Carpi
Dominique Harribey
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Universite de Toulouse
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Toulouse III Paul Sabatier
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
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Abstract

La machine (1) électrique tournante polyphasée multipôle comprend un stator (3) et un rotor (2), le stator comprenant une portion de tore statorique (5) le long de laquelle les pôles de chaque bobinage sont répartis uniformément, et le rotor comprenant une portion de tore rotorique (4). Le rotor est magnétisé ou magnétisable de manière à être entraîné sans alimentation électrique du rotor. Référence : figure 1

Description

Machine électrique tournante, manche à retour d’effort et système de propulsion associés
La présente invention concerne les machines électriques tournantes, et plus particulièrement une machine électrique tournante comprenant un rotor et un stator comportant chacun une portion de tore, un manche à retour d’effort et un système de propulsion comprenant une telle machine.
Généralement une machine électrique tournante comprend des bobines formant par exemple des pôles statoriques, les bobines étant enserrées entre des têtes de bobines guidant le flux magnétique généré par les bobines.
La puissance de la machine électrique est notamment proportionnelle au flux magnétique généré par le passage d’un courant dans les bobines par exemple en cuivre.
Cependant, les têtes de bobines ont généralement une masse importante et occupent un espace important sans générer de flux magnétique réduisant la quantité de cuivre générant le flux magnétique.
De plus, le courant alimentant les bobines échauffe les têtes de bobines générant des pertes.
Ainsi les têtes de bobines dégradent la puissance massique de et le rendement de ladite machine électrique.
On pourra se référer au document CN107612261 qui divulgue un moteur électrique comprenant un stator comportant un noyau de fer en forme d'anneau et un ensemble de bobines enroulées autour du noyau, un rotor comportant un disque comportant des aimants, et un arbre rotatif solidaire du disque et passant par le centre du noyau.
Le rotor et le stator, qui ne comportent pas de tête de bobine, sont espacés par un entrefer de sorte que seule une face du rotor est située en face du stator, ce qui entraîne des pertes de flux magnétiques, diminuant les performances du moteur.
Le document intitulé « Design of a novel transverse flux machine » G. Kastinger, Robert Bosch GmbH et le document CN108809033 divulguent chacun une machine électrique comprenant trois unités motrices reliées chacune à une phase, chaque unité motrice comportant un stator circulaire comprenant deux disques de maintien englobant une bobine annulaire et un rotor circulaire comportant des aimants permanents logé au centre de la bobine annulaire.
Cependant, les disques de maintien des unités motrices augmentent la masse de la machine de sorte que la puissance massique de ladite machine diminue.
Le document EP1384306 divulgue une machine électrique comprenant un rotor comportant deux disques comportant chacun des aimants permanents, les disques enserrant un stator comportant des bobines enserrées entre des têtes de bobines.
Cependant, la présence de deux disques et des têtes de bobines augmentent la masse de la machine de sorte que la puissance massique de ladite machine diminue.
Les documents EP1193845 et EP1009092 divulguent une machine électrique comprenant un stator comportant un noyau toroïdal sur lequel sont enroulées des bobines et un rotor disposé au centre du noyau, les bobines et le rotor étant séparés par un entrefer.
Cependant, comme le rotor est disposé en face d’une partie du stator, les pertes de flux magnétiques diminuent les performances du moteur.
Le document intitulé «3D Hybird model of an ideal but true toroidal flux machine », T. Carpi, Y. Lefevre, J-F. Llibre divulgue un concept d’une machine électrique toroïdale permettant d’optimiser la puissance massique de ladite machine.
Il s’agit toutefois d’un modèle théorique.
Le document FR2839824 divulgue une machine électrique comportant un stator torique comprenant des bobines et un rotor torique logé dans le stator.
Le rotor comprend des électroaimants comportant des balais frottant sur deux rails conducteurs disposés dans le stator.
Cependant, les rails conducteurs et les balais augmentent la masse de la machine.
En outre, comme les balais s’usent, la machine nécessite des opérations de maintenance régulières pour assurer un niveau important de fiabilité.
Il est donc proposé de pallier tout ou partie des inconvénients précités et, en particulier, d’augmenter la puissance massique d’une machine électrique tournante sans augmenter l’encombrement de ladite machine. Un autre but de l’invention est de proposer une machine qui ne nécessite aucune opération régulière de maintenance.
Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet une machine électrique tournante polyphasée multipôle comprenant un stator et un rotor, le stator comprenant une portion de tore statorique le long de laquelle les pôles de chaque bobinage sont répartis uniformément, et le rotor comprenant une portion de tore rotorique.
Le rotor est magnétisé ou magnétisable de manière à être entraîné sans alimentation électrique du rotor.
Selon une caractéristique, le rotor comprend des aimants permanents répartis uniformément le long de la portion de tore rotorique et formant des pôles rotoriques.
Avantageusement, la portion de tore rotorique comprend des anneaux conducteurs répartis uniformément le long de de la portion de tore rotorique et entourant la portion de tore rotorique.
De préférence, la portion de tore rotorique est élaborée d’un seul bloc en un matériau ferromagnétique conducteur.
Selon une caractéristique, chaque pôle statorique comprend une bobine enroulée autour de la portion de tore statorique, et la portion de tore rotorique comprenant une section transversale comportant un évidemment central dans lequel est placé le stator.
De préférence, chaque pôle statorique comprend une bobine enroulée sur la surface intérieure de la portion de tore statorique comprenant une section transversale comportant un évidemment central dans lequel est placé le rotor.
Avantageusement, les portions de tore statorique et rotorique s’étendent de manière à former respectivement les tores statorique et rotorique, chaque pôle statorique comprenant une bobine enroulée autour du tore statorique, et le tore rotorique comprenant une section transversale comportant un évidemment central dans lequel est placé le stator.
De préférence, le tore rotorique comporte une ouverture circulaire s’étendant sur une périphérie extérieure du tore configurée pour accueillir des moyens de fixation du tore statorique à un support de ladite machine.
De préférence, la machine comprend le tore statorique et le tore rotorique comprennent chacun deux portions de tore, chaque pôle statorique comprenant une bobine enroulée autour du tore statorique, et le tore statorique comprenant une section transversale comportant un évidemment central dans lequel est placé le rotor.
Avantageusement, le tore statorique comprend une ouverture circulaire s’étendant sur une périphérie intérieure du tore configurée pour accueillir des deuxièmes moyens de solidarisation reliant un arbre de la machine au tore rotorique.
L’invention a également pour objet un manche à retour d’effort comprenant une machine électrique tournante polyphasée multipôle telle que définie précédemment.
L’invention a également pour objet un système de propulsion comprenant au moins une machine électrique tournante polyphasée multipôle telle que définie précédemment.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
illustrent un premier mode de réalisation d’une machine électrique tournante selon l’invention ;
est une vue en coupe selon de la ligne III-III de la machine de la ;
illustre un deuxième mode de réalisation de la machine électrique tournante selon l’invention ;
illustre un manche à retour selon l’invention ;
illustrent un troisième mode de réalisation de la machine électrique tournante selon l’invention ;
illustre un quatrième mode de réalisation de la machine électrique tournante selon l’invention ;
illustrent un exemple de procédé d’obtention du d’un la machine électrique tournante le quatrième mode de réalisation ; et
illustre un système de propulsion selon l’invention.
Les figures 1 à 3 illustrent un premier mode de réalisation d’une machine électrique tournante 1 polyphasée multipôle, du type à débattement limité et à rotor externe.
Il est à noter que la machine 1 peut être du type synchrone à aimants permanents, asynchrone comportant des anneaux conducteurs ou à rotor massif.
La machine 1 peut être à débattement limité ou du type machine électrique tournante.
Dans ce qui suit, la machine électrique tournante 1 est par exemple du type triphasé.
Cette machine comprend un rotor 2 tournant autour d’un axe A et un stator 3.
Le rotor 2 comprend par exemple quatre paires de pôles P1, P2, P3, P4 comportant chacun un pôle nord N1 à N4 et un pôle sud S1 à S4, et le stator 3 triphasé comprend par exemple deux paires de pôles par phase, chaque pôle statorique comprenant une bobine généralement en cuivre. Les phases statoriques sont par exemple reliées en étoile.
Une première phase comprend un bobinage comprenant quatre bobines P11, P12, P13 et P14, une deuxième phase comprend un bobinage comprenant quatre bobines P21, P22, P23 et P24 et une troisième phase comprend un bobinage comprenant quatre bobines P31, P32, P33 et P34.
Les bobines des trois phases sont identiques.
Bien entendu, la machine 1 peut comporter plus ou moins de trois phases, et le rotor 2 et le stator 3 peuvent comprendre un nombre différent de paires de pôles, chaque pôle du stator 3 pouvant comprendre deux bobines ou plus. En outre, les phases statoriques peuvent être reliées selon d’autres configurations qu’une configuration du type en étoile.
Les pôles nord et sud N1 à N4 et S1 à S4 de chaque paire de pôles P1 à P4 comprennent des aimants permanents.
Le rotor 2 comprend en outre une portion de tore rotorique 4 comprenant une section transversale comportant un évidemment central, les aimants des pôles rotoriques nord et sud N1 à N4 et S1 à S4 étant répartis uniformément le long de la portion du tore statorique 4 sur la surface intérieure de ladite portion de sorte que deux aimants adjacents ont chacun une polarité différente.
Le stator 3 comprend en outre une portion de tore statorique 5.
Les bobines P11, P12, P13, P14, P21, P22, P23, P24, P31, P32, P33 et P34 sont enroulées autour de la portion de tore statorique 5, lesdites bobines étant réparties uniformément le long de la portion de tore statorique 5.
La portion de tore rotorique 4 et la portion de tore statorique 5 sont élaborées par exemple à partir d’un matériau magnétique non-conducteur.
En variante, le rotor 2 et le stator 3 peuvent être feuilletés et réalisés à partir d’un matériau ferromagnétique.
Le rotor 2 et le stator 3 sont dimensionnés de sorte que le stator est placé dans l’évidemment central rotorique.
Lorsque les bobines statoriques sont alimentées, le rotor 2 se meut autour de l’axe fixe A.
Le stator 3 comprend en outre des moyens de fixation pour immobiliser le stator par rapport au rotor.
Les moyens de fixation comprennent par exemple des pattes de fixation 6 munies d’un trou de passage de vis.
La machine 1 ne comprend pas de tête de bobine réduisant la masse de la machine 1.
En outre, comme le stator 3 est placé dans le rotor 2, les pertes de flux magnétique statorique sont réduites de sorte que la force électromotrice augmente. On obtient ainsi une augmentation de la puissance et du couple développés par la machine 1 de sorte que la puissance massique de la machine 1 est optimale.
Afin d’augmenter encore plus la puissance massique de la machine 1, la portion de tore statorique 5 peut comprendre une section transversale comportant un évidemment central afin d’alléger le stator 14.
La illustre une coupe d’un deuxième mode de réalisation de la machine électrique tournante 1, du type à débattement limité et à rotor interne, comprenant un rotor 7 et un stator 8.
Le rotor 7 comprend une portion de tore rotorique 9 et des paires de pôles P1 à P4 répartis uniformément le long de la portion de tore rotorique 9, des aimants des paires de pôles étant fixés sur la périphérie extérieure de la portion de tore rotorique 9.
Le stator 8 comprend une portion de tore statorique 10 et des bobines P11, P12, P13, P14, P21, P22, P23, P24, P31, P32, P33 et P34 réparties uniformément le long de la portion de tore statorique 10, les bobines étant enroulées sur la surface intérieure de la portion de tore statorique 10 comprenant une section transversale comportant un évidemment central.
Le rotor 7 et le stator 8 sont dimensionnés de sorte que le stator est placé dans l’évidemment central statorique.
Les extrémités 11 de la portion de tore rotorique 9 permettent de transmettre un mouvement pendulaire lorsque les bobines du stator 8 sont alimentées.
Le stator 8 comprend en outre des moyens de fixation pour immobiliser le stator par rapport au rotor.
Les premier et deuxième modes de réalisation de la machine 1 sont par exemple intégrés dans un manche à retour d’effort 12 ( ), le rotor de la machine 1 générant les efforts appliqués sur le manche.
Bien entendu, les premier et deuxième modes de réalisation de la machine 1 peuvent assurer d’autres fonctions et être mis en œuvre pour d’autres applications.
Dans ce qui suit sont illustrés des modes de réalisation de la machine 1 dans laquelle les portions de tores statorique et rotorique s’étendent de manière à former respectivement les tores statorique et rotorique.
Les figures 6 et 7 illustrent respectivement une vue éclatée et une coupe radiale d’un troisième mode de réalisation de la machine 1 du type à rotor externe. Sur ces figures, on reconnaît le rotor 13 et le stator 14 de la machine.
Le rotor 13 comprend un tore rotorique 15 comprenant une section transversale comportant un évidemment central et des aimants 16 permanents de polarité nord et sud répartis uniformément sur la surface de l’évidemment central, ces aimants formant des paires de pôles du rotor 13.
Le tore rotorique 15 comporte trois sous-éléments toriques 17, 18, 19 et chaque aimant 16 est segmenté en trois sous-aimants 20, 21, 22 de sorte que lorsque les sous-éléments toriques et les sous-aimants sont assemblés, le tore rotorique 15 comporte une ouverture circulaire 23 s’étendant sur une périphérie extérieure dudit tore.
En variante, le tore rotorique 15 et les aimants 16 peuvent être segmentés en deux ou plus de trois éléments.
Le rotor 13 comprend en outre des moyens de solidarisation pour solidariser le rotor 13 à un arbre (non représenté) de la machine 1.
Les moyens de solidarisation comprennent par exemple un disque 24 supportant le tore rotorique 15 et un trou 25 central accueillant l’arbre de la machine 1 pour transmettre la puissance mécanique générée par la machine 1.
Le stator 14 comporte un tore statorique 26 et des bobinages comportant des bobines statoriques 27 généralement en cuivre, enroulées autour du tore statorique 26 pour former des pôles statoriques, les pôles étant répartis uniformément le long du tore statorique 26.
Chaque bobinage comporte un même nombre de pôles, le stator 14 comportant autant de bobinages que de phases de la machine 1.
Le rotor 13 et le stator 14 sont dimensionnés de sorte que le stator 14 est placé dans l’évidemment central rotorique.
La machine 1 comprend en outre des moyens de fixation du tore statorique sur un support (non représenté) de ladite machine, les moyens de fixation comprenant par exemple un pied de fixation 28 fixé au tore statorique 26 et passant par l’ouverture circulaire 23.
Comme le stator 14 est placé dans le rotor 13, l’ensemble du champ magnétique généré par les bobines statoriques 27 est capté par le rotor 13 de sorte que le rendement magnétique de la machine 1 augmente, la machine 1 générant plus de puissance massique pour un même encombrement qu’une machine tournante connue de l’état de la technique.
En outre, la machine 1 ne comporte pas de tête de bobine de sorte que l’ensemble des éléments en cuivre participe à la création du champ magnétique.
Afin d’augmenter encore plus la puissance massique de la machine 1, le tore statorique 26 peut comprendre une section transversale comportant un évidemment central permettant d’alléger le stator 14.
On se réfère à la qui illustre schématiquement un quatrième mode de réalisation de la machine 1 du type à rotor interne et sur laquelle le rotor 30 et le stator 31 de la machine sont représentés par transparence.
Le rotor 30 comprend deux portions de tore rotorique 32, 33 identiques formant un tore rotorique 34, et des aimants 35 permanents de polarité nord et sud répartis uniformément sur la périphérie du tore rotorique 34 de manière à former des paires de pôles du rotor 30.
Le stator 31 comprend deux portions de tore statorique 36, 37 identiques formant un tore statorique 38 et des bobinages.
Chaque portion de tore statorique 36, 37 comprend une section transversale comportant un évidemment central.
Les bobinages comportent des supports de bobines 39 disposés dans l’évidemment central statorique et supportant des bobines statoriques généralement en cuivre formant des pôles statoriques répartis uniformément le long du tore statorique 38.
Afin de simplifier la représentation de la machine 1, les bobines ne sont pas représentées.
Chaque bobinage statorique comporte un même nombre de pôles, le stator 31 comportant autant de bobinages que de phases de la machine 1.
Le rotor 30 est placé dans l’évidemment central statorique.
La segmentation du rotor 30 et du stator 31 selon une direction circonférentielle facilite la réalisation de la machine 1 comme cela est décrit dans ce qui suit.
En variante, le rotor 30 et le stator 31 peuvent être segmentés en plus de deux portions.
Le tore statorique 38 peut en outre comprendre une ouverture circulaire 40 s’étendant sur une périphérie intérieure du tore et dimensionnée pour accueillir des deuxièmes moyens de solidarisation reliant un arbre de la machine 1 au tore rotorique 34 pour transmettre la puissance mécanique fournie par la machine 1.
Les deuxièmes moyens de solidarisation peuvent par exemple comprendre un disque (non représenté) relié au tore rotorique selon un plan médian orienté selon une direction radiale médiane du tore rotorique, le disque comportant un trou central pour accueillir l’arbre de la machine 1.
La machine 1 peut en outre comprendre des deuxièmes moyens de fixation du tore statorique sur un support (non représenté) de ladite machine.
Les figures 9, 10 et 11 illustrent un exemple de procédé d’obtention du quatrième mode de réalisation de la machine 1.
On suppose que les deux portions de tore rotorique 32, 33 comportent chacune les aimants 35 permanents et les deux portions de tore statorique 36, 37 comportent chacune les supports de bobines 39 comprenant les bobines.
Les portions de tore rotorique 32, 33 sont insérées dans les portions de tore statorique 36, 37 respectives (figures 9, 10).
Puis les deux portions de tore rotorique 32, 33 et les deux portions de tore statorique 36, 37 sont solidarisées pour obtenir la machine 1 ( ).
Enfin, les bobines statoriques situées aux extrémités des portions de tore statorique 36, 37 sont reliées entre elles.
Les deux portions de tore rotorique 32, 33 et les deux portions de tore statorique 36, 37 sont par exemple solidarisées par collage, par l’intermédiaire de moyens de fixation comprenant par exemple des vis, par des techniques d’emboîtement ou d’emmanchement.
En variante, les aimants permanents rotoriques et sous-aimants peuvent être disposés différemment de manière à former les pôles rotoriques, par exemple selon des dispositions Halbach.
La illustre un exemple de système 41 de propulsion comprenant la machine 1 selon le troisième ou le quatrième mode de réalisation illustrés aux figures 6, 7, 8.
Le système 41 comprend par exemple un moteur de propulsion 42 pour un véhicule automobile, la machine 1 étant utilisée comme démarreur et générateur (connu sous les termes anglo-saxons « start and stop »).
En variante, le système peut comprendre une hélice de propulsion pour un avion ou un navire, l’hélice étant entraînée par la machine 1.
Dans les modes de réalisation décrits précédemment, le rotor est magnétisé en ce qu’il comprend des aimants permanents, la machine 1 étant du type synchrone à rotor non bobiné.
En variante, le rotor peut comprendre des anneaux conducteurs répartis uniformément le long de de la portion de tore rotorique et entourant la portion de tore rotorique, la machine 1 étant du type asynchrone comportant des anneaux conducteurs.
Les anneaux conducteurs sont par exemple réalisés en cuivre ou en aluminium.
Selon une autre variante, la portion de tore rotorique peut être élaboré d’un seul bloc à partir d’un matériau ferromagnétique conducteur pour former un rotor massif.
La portion de tore rotorique peut comprendre des rainures pour augmenter le couple développé par la machine 1.
Le rotor massif est simple à réaliser et permet d’atteindre de hautes vitesses par exemple une vitesse périphérique du rotor de l’ordre 300 m/s.
Le rotor de la machine 1 est magnétisé sous l’action du courant induit dans la cage d’écureuil sous l’effet du champ magnétique statorique. Il ne nécessite donc pas de moyen d’alimentation électrique, contrairement à l’état de la technique, de sorte qu’il ne soit pas nécessaire de prévoir un circuit d’alimentation pour magnétiser les pôles rotoriques simplifiant la conception de la machine 1, réduisant sa masse, fiabilisant la machine 1 et ne nécessitant pas d’opération de maintenance.
Dans les modes de réalisation décrits précédemment, la machine 1 fonctionne en mode moteur pour générer une puissance mécanique sur un arbre rotorique de la machine 1 à partir de la puissance électrique alimentant les bobines statoriques.
En variante, la machine 1 peut fonctionner en mode générateur pour générer une puissance électrique à partir de la puissance mécanique entraînant l’arbre rotorique de la machine 1.

Claims (12)

  1. Machine (1) électrique tournante polyphasée multipôle comprenant un stator (3, 8, 14, 31) et un rotor (2, 7, 13, 30, le stator comprenant une portion de tore statorique (5, 10, 26, 36, 37) le long de laquelle les pôles de chaque bobinage sont répartis uniformément, et le rotor comprenant une portion de tore rotorique (4, 9, 15, 32, 33), caractérisée en ce que le rotor est magnétisé ou magnétisable de manière à être entraîné sans alimentation électrique du rotor.
  2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle le rotor comprend des aimants permanents répartis uniformément le long de la portion de tore rotorique et formant des pôles rotoriques (P1, P2, P3, P4).
  3. Machine selon la revendication 1, dans laquelle la portion de tore rotorique comprend des anneaux conducteurs répartis uniformément le long de de la portion de tore rotorique et entourant la portion de tore rotorique.
  4. Machine selon la revendication 1, dans laquelle la portion de tore statorique est élaborée d’un seul bloc en un matériau ferromagnétique conducteur.
  5. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle chaque pôle statorique (P11, P12, P13, P21, P22, P23, P31, P32, P33) comprend une bobine enroulée autour de la portion de tore statorique (5), et la portion de tore rotorique (4) comprenant une section transversale comportant un évidemment central dans lequel est placé le stator (3).
  6. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle chaque pôle statorique (P11, P12, P13, P21, P22, P23, P31, P32, P33) comprend une bobine enroulée sur la surface intérieure de la portion de tore statorique (10) comprenant une section transversale comportant un évidemment central dans lequel est placé le rotor (8).
  7. Manche à retour d’effort (12) comprenant au moins une machine (1) électrique tournante polyphasée multipôle selon l’une des revendications 5 et 6.
  8. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les portions de tore statorique et rotorique s’étendent de manière à former respectivement les tores statorique et rotorique (15, 26), chaque pôle statorique comprenant une bobine enroulée autour du tore statorique (26), et le tore rotorique (15) comprenant une section transversale comportant un évidemment central dans lequel est placé le stator.
  9. Machine selon la revendication 8, dans laquelle le tore rotorique (15) comporte une ouverture circulaire (23) s’étendant sur une périphérie extérieure du tore configurée pour accueillir des moyens de fixation (28) du tore statorique à un support de ladite machine.
  10. Machine selon l’une quelconques des revendications 1 à 4, comprenant le tore statorique (38) et le tore rotorique (34) comprennent chacun deux portions de tore (36, 37, 32, 33), chaque pôle statorique comprenant une bobine, les bobines étant enroulées autour du tore statorique, et le tore statorique comprenant une section transversale comportant un évidemment central dans lequel est placé le rotor (30).
  11. Machine selon la revendication 10, dans laquelle le tore statorique (38) comprend une ouverture circulaire (40) s’étendant sur une périphérie intérieure du tore configurée pour accueillir des deuxièmes moyens de solidarisation reliant un arbre de la machine au tore rotorique.
  12. Système de propulsion (41) comprenant au moins une machine (1) électrique tournante polyphasée multipôle selon l’une quelconques des revendications 8 à 11.
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Citations (13)

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