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WO2024208971A1 - Machine électrique synchrone à inducteur à griffes fixe - Google Patents

Machine électrique synchrone à inducteur à griffes fixe Download PDF

Info

Publication number
WO2024208971A1
WO2024208971A1 PCT/EP2024/059193 EP2024059193W WO2024208971A1 WO 2024208971 A1 WO2024208971 A1 WO 2024208971A1 EP 2024059193 W EP2024059193 W EP 2024059193W WO 2024208971 A1 WO2024208971 A1 WO 2024208971A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
claw
inductor
stator
air gap
ferromagnetic
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/059193
Other languages
English (en)
Inventor
Philippe Farah
Original Assignee
Philippe Farah
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philippe Farah filed Critical Philippe Farah
Publication of WO2024208971A1 publication Critical patent/WO2024208971A1/fr

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/22—Synchronous generators having windings each turn of which co-operates alternately with poles of opposite polarity, e.g. heteropolar generators
    • H02K19/24—Synchronous generators having windings each turn of which co-operates alternately with poles of opposite polarity, e.g. heteropolar generators with variable-reluctance soft-iron rotors without winding
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/145—Stator cores with salient poles having an annular coil, e.g. of the claw-pole type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H02K1/246—Variable reluctance rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/103—Motors having windings on the stator and a variable reluctance soft-iron rotor without windings

Definitions

  • TITLE Synchronous electric machine with fixed claw inductor
  • the technical field of the invention is that of synchronous machines.
  • the present invention relates to a synchronous machine with armature and stator inductor.
  • the synchronous machine comprises, like any electric motor, a rotor and a stator, mainly the rotor forms the inductor and the stator forms the armature.
  • two ways of making an inductor of a synchronous electric machine are known, those wound and those with magnets.
  • the inductor may have an advantage in being wound. Indeed, a machine with a wound iron core can produce a higher induction than those with magnets which are also more expensive and thermally limited by their characteristics than a coil.
  • a synchronous electric machine comprising a magnet inductor will be more expensive, more thermally limited and less efficient (torque) particularly at high rotation speed than a machine compared to an electric machine comprising a wound inductor.
  • a first family of synchronous electric machine has a radial air gap, the air gap volume of which between a stator comprising coils forming the armature and the rotor forming an inductor (with magnet or wound) is of cylindrical shape surrounding the axis of rotation of the rotor.
  • a second family of synchronous electric machine has an axial air gap, the air gap volume of which between a stator comprising coils forming the armature and the rotor forming the inductor (with magnet or wound) is in the shape of a disk perpendicular to the axis of rotation of the rotor.
  • the flux is mainly radial called radial field in a radial air gap machine and is mainly axial called axial field in an axial air gap machine but it is also known the synchronous machines with claw rotor whose flux includes radial and axial components (whether with radial or axial air gap).
  • These claw rotor machines have flux loops not contained in a plane. In other words, each of the loops is three-dimensional, called a left curve, as opposed to a plane curve.
  • alternators or alternator-starters comprising a rotor inductor comprising a field coil and two half-pole pieces comprising claws. The two pole pieces are assembled together to enclose the coil by means of the claws.
  • the stator armature comprises coils wound in slots of several slotted laminations. The coils of the armature convert the flux variation when the rotor inductor rotates into an induced voltage, thus generating electric current.
  • the invention provides a solution to the problems discussed above, by having a stator claw inductor and a stator armature.
  • One aspect of the invention relates to a synchronous electrical machine comprising: a first claw stator inductor comprising a ferromagnetic claw body comprising a number Pe of poles and an inductor coil wound in the ferromagnetic body, a first stator armature comprising a number Pa of poles different from the number Pe, a ferromagnetic rotor comprising: an axis of rotation (X) a first set of ferromagnetic parts comprising a number Ns of parts regularly distributed around the axis of rotation, the number Ns is equal to the sum of or the difference between Pa/2 and Pe/2, the set of ferromagnetic parts being located between the first claw stator inductor and the first stator armature.
  • the synchronous electric machine has a wound stator claw inductor which combines several advantages:
  • the advantage of the coil is that it allows for a higher inductance than with magnets
  • the synchronous electric machine according to the invention has the advantages of a claw synchronous machine without its disadvantages.
  • the number Ns of ferromagnetic parts in the rotor (which is either the sum or the difference with the number of poles Pa of the armature and the number of poles Pe of the inductor (Pa being different from Pe) allows the rotor to modulate the flux between the armature stator and the stator claw inductor to either rotate the rotor in motor mode or generate current in the stator armature in generator mode.
  • the synchronous electric machine according to one aspect of the invention may have one or more complementary characteristics among those of the following paragraphs, considered individually or according to all technically possible combinations.
  • the ferromagnetic rotor is located axially between the first stator armature and the first claw stator inductor.
  • the air gap is axial.
  • the magnetic flux produced by the stator armature and the stator inductor is modulated by the set of ferromagnetic parts and passes axially through the air gap.
  • the electric machine comprises a second inductor of identical shape to the first claw inductor and comprising an external diameter smaller than the internal diameter of the first claw inductor, in which the first claw inductor surrounds the second claw stator inductor.
  • each internal claw of the first inductor is radially contiguous with an external claw of the second inductor and in that each external claw of the first inductor is radially contiguous with an internal claw of the second inductor.
  • the first set of ferromagnetic parts is located concentrically between the first stator armature and the first claw stator inductor.
  • the air gap is radial.
  • the magnetic flux produced by the stator armature and the stator inductor is modulated by the set of ferromagnetic parts and axially crosses the air gap radially.
  • the first claw stator inductor surrounds the first set of ferromagnetic parts of the ferromagnetic rotor surrounding the stator armature.
  • the first stator armature surrounds the first set of ferromagnetic parts of the ferromagnetic rotor surrounding the claw stator inductor.
  • the first stator armature is a claw armature. This makes it possible to use the entire coil and therefore to have better efficiency.
  • the claw stator armature comprises a first block comprising a first pole base and a second pole base and a coil between the first and second pole bases.
  • the machine further comprises: a second inductor of identical shape to the first inductor, a second stator armature comprising air gap portions, of identical shape to the first claw stator armature, and in that the rotor further comprises a second set of ferromagnetic parts identical to the first set of ferromagnetic parts forming a first air gap with the second inductor and being opposite the air gap portions of the second stator armature forming an air gap between them.
  • identical shape is meant the geometric shape but not the dimensions, thus a first inductor may be larger in size than the second inductor.
  • the machine further comprises: a third inductor of identical shape to the first inductor, a third stator armature with claws of identical shape to the first block comprising air gap portions and and in that the rotor further comprises a third set of ferromagnetic parts identical to the first set of ferromagnetic parts, forming an air gap with the third inductor and being opposite the air gap portions of the third stator armature forming an air gap between them.
  • Such a machine has the advantage of being claw-type and having an armature that can be supplied by or restore a three-phase alternating voltage. In fact, each armature can thus form a phase.
  • the machine further comprises: a second claw stator inductor of identical shape to the first claw stator inductor and a second claw stator armature of identical shape to the first claw stator armature, a second rotor mechanically decoupled from the first rotor comprising a set of ferromagnetic parts located between the second claw stator inductor and the second claw stator armature, in which either the two claw stator armatures or the two claw inductors are in one piece by sharing their base.
  • the two rotors are coaxial and in the case of a radial air gap, the two rotors are parallel to each other by having their axis distant from each other.
  • the first armature has a salient pole.
  • it comprises a winding comprising different coils forming a multi-phase system.
  • the armature comprises teeth having first air gap walls and second air gap walls opposite the first air gap walls by means of a central wall, a winding of the armature comprising coils each wound in a corresponding tooth around the central wall between the first and second air gap walls, the synchronous electric machine further comprising: a second inductor of identical shape to the first inductor and in that the rotor further comprises a second set of ferromagnetic parts identical to the first set of ferromagnetic parts, forming an air gap with the second inductor and being facing the second air gap walls of the stator armature forming an axial air gap between them.
  • the machine further comprises a second and third inductor identical to the first inductor, a second and third stator armature with claws identical to the first armature comprising air gap portions and in that the rotor further comprises a second and third set of ferromagnetic parts identical to the first set of ferromagnetic parts, each respectively forming an air gap with the second and third inductor and being opposite the air gap portions respectively of the second and third stator armature forming an air gap between them.
  • the ferromagnetic claw body of the claw inductor comprises a base and claws, wherein each claw comprises an intermediate portion extending perpendicularly from the base and an air gap portion extending from the intermediate portion parallel to the base, the inductor coil being wound in a zone formed between the base, the intermediate portion and the air gap portion, and wherein the claw inductor further comprises inter-claw-base magnets per claw, each located between the base and a free end of the intermediate portion of the corresponding claw.
  • the inductor comprises inter-claw magnets located in each space formed between two contiguous claws of different polarity.
  • the first ferromagnetic body of the claw stator inductor comprises a first polar base and a second polar base and the inductor coil is located between the first and second polar bases.
  • the electric machine comprises a cooling liquid circuit, in which the inductor is immersed, in particular in a dielectric liquid.
  • a cooling liquid circuit in which the inductor is immersed, in particular in a dielectric liquid.
  • the ferromagnetic claw body comprises a material formed from compressed powder.
  • FIG. 1 A shows a schematic representation of a synchronous electric machine according to a first example of a first embodiment.
  • FIG. 1 B shows a schematic representation of a synchronous electric machine according to a second example of a first embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a radial section of the synchronous electric machine according to the first example of a first embodiment.
  • FIG. 3 shows an exploded schematic representation of an example of a claw stator inductor of the synchronous electric machine according to the first example of a first embodiment.
  • FIG. 4 shows a schematic representation in a partial three-dimensional view of another example of the claw stator inductor of the synchronous electric machine according to the first example of a first embodiment.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a radial section of the synchronous electric machine according to the second example of a first embodiment.
  • FIG. 6 shows a schematic representation in a three-dimensional view of an example of a claw stator inductor of the synchronous electric machine according to the first example of a first embodiment.
  • FIG. 7 shows a schematic representation along a radial section of a synchronous electric machine according to a third example of the first embodiment.
  • FIG. 8 shows a schematic representation along a radial section of a synchronous electric machine according to a fourth example of the first embodiment.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a synchronous electric machine section according to a first example of a second embodiment.
  • FIG. 10A shows an exploded schematic representation of a first example of a claw stator inductor of the synchronous electric machine according to the first example of the second embodiment.
  • FIG. 10B shows a schematic representation of a ferromagnetic claw body and inter-claw magnets of a second example of a claw stator inductor of the synchronous electric machine according to the first example of the second embodiment.
  • FIG. 10C shows a schematic representation of a ferromagnetic claw body and inter-claw-base magnets of a third example of a claw stator inductor of the synchronous electric machine according to the first example of the second embodiment.
  • FIG. 10D shows a schematic representation of a ferromagnetic claw body, inter-claw-base magnets and inter-claw magnets of a fourth example of a claw stator inductor of the synchronous electric machine according to the first example of the second embodiment.
  • FIG. 1 1 shows a schematic representation of an example of a stator armature of the synchronous electric machine according to the first example of the second embodiment.
  • FIG. 12 shows a schematic representation in a three-dimensional view of an example of a ferromagnetic rotor of the synchronous electric machine according to the first example of the second embodiment.
  • FIG. 13A shows a schematic representation of a synchronous electric machine according to a second example of the second embodiment.
  • FIG. 13B shows a schematic representation of a synchronous electric machine according to a third example of the second embodiment.
  • FIG. 13C shows a schematic representation of a section of a tooth of an armature of the synchronous electric machine according to the third example of the second embodiment.
  • FIG. 14 shows a schematic representation of a radial section of a synchronous electric machine according to a fourth example of the second embodiment.
  • FIG. 15 shows a schematic representation of a radial section of a synchronous electric machine according to a fifth example of the second embodiment.
  • FIG. 16 shows a schematic representation of a synchronous electric machine section according to a sixth example of the second embodiment.
  • FIG. 17 shows a schematic representation of a double claw inductor of a synchronous electric machine according to the sixth example of the second embodiment.
  • rotor an element which rotates on itself according to its own axis of rotation.
  • stator element By a stator element is meant a static element which is therefore immobile relative to the axis of rotation of the rotor.
  • the invention relates to a synchronous electric machine M1, M2 of which different examples of two different embodiments will be described below.
  • Figures 1A to Figure 8 show a schematic representation of the synchronous electric machine M1 or a part thereof according to examples of the first embodiment and Figures 9 to Figure 17 show a schematic representation of the synchronous electric machine M2 or a part thereof according to examples of the second embodiment.
  • the synchronous electric machine M1, M2 comprises at least: a first claw stator inductor 1, 4 comprising a ferromagnetic claw body 11, 41 comprising a number Pe of poles and an inductor coil 10, 40 wound in the ferromagnetic body 11, 41, a first stator armature 2, 5 comprising a number Pa of poles different from the number Pe, a ferromagnetic rotor 3, 6 comprising: an axis of rotation a first set of ferromagnetic parts 30, 60 comprising a number Ns of parts regularly distributed around the axis of rotation, the number Ns is equal to the sum of or the difference between Pa/2 and Pe/2, the set of ferromagnetic parts 30, 60 being located between the first claw stator inductor 1, 4 and the first stator induced 2, 5.
  • the electrical machine M1, M2 comprises at least two air gaps, a first air gap between the first stator inductor and claws 1, 4 and the ferromagnetic rotor 3, 6 and a second air gap between the first stator armature 2, 5 and the ferromagnetic rotor 3, 6.
  • the air gaps are radial and in the second embodiment the air gaps are axial.
  • the first set of ferromagnetic parts 30 is located concentrically between the first stator armature 2 and the claw stator inductor 1
  • the first set of ferromagnetic parts 60 is located axially between the first stator armature 5 and the claw stator inductor 4.
  • the ferromagnetic claw body of the claw inductor comprises a base and claws, wherein each claw comprises an intermediate portion extending from the base perpendicular to the base and an air gap portion extending from the intermediate portion parallel to the base, the inductor coil wound in an area formed between the base, the intermediate portion and the air gap portion.
  • FIG. 1 A shows a schematic representation of an axial section of a first synchronous machine M1 according to a first example of a first embodiment.
  • stator armature 2 surrounds the ferromagnetic rotor 3 surrounding the claw stator inductor 1.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a radial section of the synchronous electric machine M1 according to the first example of a first embodiment.
  • the stator armature 2 is an armature comprising a winding 20 wound in a sheet metal pack 21.
  • the winding 20 comprises three coils 20u, 20v, 20w each forming a phase of a three-phase system.
  • the winding can comprise more than three coils, for example five or six forming for example a double three-phase system.
  • the coils 20u, 20v, 20w are wound in notches of the sheet metal pack 21.
  • the winding is concentric, but could be according to another type of winding such as distributed for example wavy or distributed wavy.
  • the rotor 3 comprises 8 ferromagnetic parts 30 and the claw inductor 1 of the machine comprises an inductor coil 10 corrugated in a ferromagnetic claw body 11 which has three claws per base (i.e. three north claws and three south claws) and.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exploded view of a claw stator inductor 1 of the synchronous electric machine M1 according to a second example of a first embodiment.
  • the claw stator inductor 1 comprises in this case a ferromagnetic claw body 11 comprising a first base comprising a first base 115a and first claws 11a of a first polarity each extending axially from the base 115a and a second polar base comprising a second base 115b and second claws 11b of the other polarity each extending axially from the second base 115b towards the first base 115a between two first claws 11a.
  • the first claws 11a have a south polarity (this depends on the direction of the current flowing in the inductor coil 10) and the second claws have a north polarity.
  • the two bases 115a, 115b have a crown shape each comprising a core having an orifice in axial contact with each other.
  • the claws 11a, 11b each comprise an intermediate portion 114a, 114b extending from the base 115a, 115b and an air gap portion 113a, 113b facing the ferromagnetic rotor 3 not shown here.
  • the air gap portion 113a, 113b comprises an external surface facing the ferromagnetic parts 30, together forming the radial air gap (in the shape of a cylinder). The external diameter of the claws 11a, 11b is therefore measured at this external surface of the air gap portion 113a, 113b.
  • the inductor coil 10 is located axially in the ferromagnetic claw body 11 between the first and second pole bases.
  • the claw stator inductor 1 further comprises inter-claw magnets 13 between the claws 11a, 11b of each pole base for increase in a known manner the efficiency of the claw stator inductor 1. Since the claw stator inductor 1 is stationary relative to the axis of rotation, the inter-claw magnets 13 are not subject to centrifugal force and are therefore simpler to interpose than in the claw rotor inductors of the prior art.
  • the claw stator inductor 1 further comprises a fixed shaft 12 on which bearings can be mounted to support the ferromagnetic rotor 3.
  • Figure 4 shows another example of a claw stator inductor 1 comprising the fixed shaft 12, the inductor coil 10 wound in the ferromagnetic body 11 between the claws 11a, 11b, of each polarity, the ferromagnetic body 11 here comprising a plurality of sheet metal packs 110, only two of which are shown.
  • Each sheet metal pack forms a first claw 11a and a second claw 11b (a north polarity and a south polarity) which are opposite each other.
  • Each sheet of a sheet stack 110 comprises an axial base 115 surrounding the fixed shaft 12, a first claw portion and a second claw portion each forming a part respectively of the first and second claws 11a, 11b, each extending from a corresponding end (opposite one another) of the base 115.
  • Each claw 11a, 11b comprises an intermediate part 114a, 114b extending from the end of the base 115 and an air gap part 113a, 113b facing the ferromagnetic rotor 3 not shown here.
  • the sheets of the sheet stack are intertwined towards each other by being folded against each other so that each claw is formed.
  • the first sheet of a pack of sheets 1 10 comprises: a first air gap part forming a portion of a first claw juxtaposed to another claw of another pack of sheets and a second air gap part forming a portion of a second claw juxtaposed to the first part of the last sheet of the first claw of the pack of sheets.
  • each air gap portion 1 13 of each claw comprises a projection towards the rotor 3 (in this example towards the outside) but could also be flat. Ferromagnetic parts may then have an internal groove partly surrounding these projections.
  • Figure 1B and Figure 5 show a schematic representation of a respectively axial and radial section of a first MT synchronous machine according to a second example of a first embodiment, in which the claw stator inductor 1’ surrounds the ferromagnetic rotor 3 surrounding the stator armature 2’.
  • the ferromagnetic rotor 3 may be identical to that of the first example.
  • Figure 6 shows a schematic representation according to a three-dimensional view of an example of the claw stator inductor 1’ of the synchronous electric machine MT according to the second example of a first embodiment.
  • each claw 11a, 11b comprises an air gap portion 113’ comprising an internal surface facing the ferromagnetic parts 30 of the rotor 3.
  • the internal diameter of the claw stator inductor 1’ is measured between two internal surfaces of this air gap portion 113’.
  • the stator ferromagnetic body 11 of the claw stator inductor 1’ comprises a yoke 11c and a first polar base comprising the first claws 11a of a first polarity, for example North, and a second polar base comprising the second claws 11b of an opposite polarity, in this example South.
  • the first polar base is thus axially fitted against the other polar base, each having their base surrounded by the yoke 11c.
  • Each first claw 1 1 a of the first polar base is located angularly between two second claws 1 1 b of the second polar base.
  • stator ferromagnetic body 11 of the claw stator inductor 1’ may comprise packs of sheets as in the example of FIG. 4 except in that the air gap parts are towards the inside, that is to say comprises an internal surface facing the ferromagnetic parts 30 of the rotor 3.
  • the number Ns of ferromagnetic parts 30 is equal to 1 1 , visible in figure 5.
  • the stator armature 2' comprises in this example a sheet metal pack 20 whose notches are open towards the outside.
  • the winding 20 is thus wound in the external notches, and can comprise, as in the previous example, three coils.
  • stator armature 2, 2' is a salient pole armature (formed by teeth between the notches each filled by one or more sections of the coil) but can also be claw-shaped.
  • FIG. 7 schematically represents an axial section of a synchronous electric machine M1 ” according to a third example of the first embodiment in which the armature is a stator armature with 2u claws.
  • the inductor of the synchronous electric machine M1 ” as well as its ferromagnetic rotor 3 according to this third example is identical to that of the first example.
  • the claw stator armature 2u is similar to the claw inductor of the second example in that it comprises in this example a single coil 20u' (single phase) wound in an armature body 21u comprising a first pole base 21a and a second pole base 21b axially nested against each other such that each claw of the first pole base 21a is located angularly between two claws of the second pole base 21b.
  • Each claw is shown either in dotted line or has a dotted portion to improve understanding.
  • Each claw comprises an air gap portion 23 having an inner surface facing the air gap parts 30 of the rotor 3.
  • the inner diameter of the claw stator armature 2” is measured between the inner surfaces of the air gap portions 2.
  • the two pole bases 21 a, 21 b each comprise a base portion axially joined to each other forming an outer base 210.
  • the first pole base 21 a and the second pole base 21 b may be identical and are simply axially nested against each other while being angularly offset by one claw.
  • the coil 20u' is therefore located axially between the first and second pole bases 21 a, 21 b between the inner air gap portions 23 of each claw and the outer base 210 of each pole base surrounding the armature coil 20u'.
  • the armature body 21 u can also be formed from a pack of sheets as in the example of the inductor in figure 4.
  • the armature body can also be formed from a single block with the claws bent towards each other.
  • the ferromagnetic body of the claw stator inductor 2u is identical to the claw stator inductor of the second example, that is to say comprises a yoke connecting the first polar base 21 a comprising the claws of a first polarity for example North to the second polar base 21 b comprising the claws of an opposite polarity, in this example South.
  • the inductor is the 2” claw stator armature of the third example and the claw stator armature is the 1 claw stator inductor (i.e. a variant of the second and third examples combined).
  • FIG. 8 schematic representation of a synchronous electric machine M1’” according to a fourth example of the first embodiment identical to the third example of this first embodiment except in that: the machine further comprises a second and third armature 2v, 2w identical to the first armature 2u, two other claw stator inductors 1v, 1w identical to the first claw stator inductor 1u of the third example, and in that the ferromagnetic rotor 3 comprises two other sets of ferromagnetic parts 30v, 30w identical to the first set of ferromagnetic parts 30u.
  • the second and third armatures 2v, 2w respectively comprise a first and second armature body 21v, 21w identical to the first armature body 21u of the third example, and respectively a second and third other coil 20v’, 20w’ each mounted in the second and third second and third armature bodies 21v, 21w.
  • the first and second armature bodies 21v, 21w comprise air gap portions facing the respectively second and third set of ferromagnetic parts 30v, 30w.
  • This synchronous electric machine M1’ makes it possible to have three armature coils 20u’, 20v’, 20w’ each able to be supplied in motor mode or restored in alternator mode (AC generator) a three-phase voltage.
  • the first, second and third sets of ferromagnetic parts 30u, 30v, 30w or the air gap parts of the first, second and third claw stator armature 2u, 2v, 2w are angularly offset from each other according to the number of ferromagnetic parts or respectively claws.
  • these are the claws of the first, second, third claw stator inductors 1 u, 1 v, 1 w which are angularly offset from the air gap parts of the first, second third claw stator armature 2u, 2v, 2w relative to each other according to the number of ferromagnetic parts or claws respectively.
  • the synchronous electric machine is different from the fourth example in that the claw stator inductor 1 comprises only the first ferromagnetic body 11 extending axially along the entire length of the rotor 3 with a single inductor coil 10.
  • the synchronous electric machine is different from the fourth example in that the claw stator inductor 1 surrounds the rotor 3 surrounding the three claw armatures 2u, 2v, 2w, (having the same shape as the three armatures of the fourth embodiment).
  • the air gaps are radial between the rotor and the armature on the one hand and the rotor and the inductor on the other hand.
  • a synchronous electric machine will now be described according to a second embodiment identical to the first example except in that the air gaps between the rotor and the armature on the one hand and the rotor and the inductor on the other hand are axial.
  • the various options and characteristics of the examples described above can be applied to the first example when this does not concern the geometric shape of the armature, the rotor and the inductor involving an axial air gap.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a section of a synchronous electric machine M2 according to a first example of a second embodiment.
  • the synchronous electric machine M2 comprises a first claw stator inductor 4 comprising a ferromagnetic claw body 41 comprising a number Pe of poles and an inductor coil 40 wound in the ferromagnetic claw body 41.
  • claw stator inductors 4A, 4B, 4C, 4D will be described in FIGS. 10A to 10D which may be the first claw stator inductor 4.
  • FIG.10A shows a schematic representation in a three-dimensional view of a first implementation of a 4A claw stator inductor. exploded view of the synchronous electric machine M2 according to a first example of a second embodiment.
  • the inductor coil 40 is schematically represented by circles, suitable for being located in the ferromagnetic claw body 41.
  • the ferromagnetic claw body 41 is represented transparently.
  • the ferromagnetic claw body 41 comprises a crown-shaped base 415 (comprising a central orifice for supporting a rotor shaft using a bearing) but could be a (solid) disk.
  • the ferromagnetic claw body 41 comprises external claws 41A extending from the external perimeter of the base 415 having a first polarity, for example South and internal claws 41B extending from the internal perimeter of the base 415 of the other polarity, in this example North (the polarity is according to the direction of the current flowing in the inductor coil 40).
  • each external and internal claw 41 A, 41 B comprises an intermediate part 414a, 414b extending from the base 415, radially towards the rotor 6 and an air gap part 413a, 413b facing the first set of ferromagnetic parts 60 together forming an axial air gap.
  • the air gap portion 413a of an external claw 41A extends from the intermediate portion 414a inward, in this case decreasing its width, while the air gap portion 413b of an internal claw 41B extends from the intermediate portion 114b outward, in this case increasing its width.
  • FIG. 1 OB shows a schematic representation according to a three-dimensional view of a second implementation of a claw stator inductor 4B of the synchronous electric machine M2 according to the first example of the second embodiment.
  • the claw stator inductor 4B according to this second implementation is identical to the first implementation except in that it comprises inter-claw magnets 43 located in each space formed between two contiguous claws 41 A, 41 B of different polarity.
  • each inter-claw magnet 43 is located between an air gap portion 413a of an external claw 41 A, and an air gap portion 413b of an external claw 41 B.
  • FIG.10C shows a schematic representation according to a three-dimensional view of a third implementation of a 4C claw stator inductor of the synchronous electric machine M2 according to the first example of the second embodiment of embodiment.
  • the claw stator inductor 4C is identical to the first implementation except in that it comprises an inter-claw-base magnet 45 per claw.
  • Each inter-claw-base magnet 45 is located between a free end of the air gap portion 413a, 413b of an external claw 41A or internal claw 41B, and the base 415.
  • FIG.l OD shows a schematic representation according to a three-dimensional view of a fourth implementation of a 4D claw stator inductor of the synchronous electric machine M2 according to the first example of the second embodiment.
  • the 4D claw stator inductor is identical to the first implementation, except in that it comprises an inter-claw-base magnet 45 per claw and an inter-claw magnet 43 between each claw.
  • the ferromagnetic body with claws 11, 41 comprises a material formed from compressed powder.
  • a powder with such magnets has the particularity of increasing the capacity of the ferromagnetic body before saturation.
  • FIG.1 1 shows a schematic representation according to a three-dimensional view of an example of a stator armature 5 of the synchronous electric machine M2.
  • the stator armature 5 comprises an armature body 51 with salient poles comprising a base 510 in the form of a crown and a plurality of teeth 51 1 forming notches between them (here numbering 12 teeth and notches).
  • Each tooth 51 1 comprises a central wall 514 extending axially from the base 510 and an air gap wall 516 extending from the central wall 514 opposite the first set of ferromagnetic parts 60 together forming an axial air gap.
  • the air gap wall 516 in this case extends circumferentially on either side of the central wall 514 partially closing the notches axially.
  • the armature body 51 can be formed of several sheets wound concentrically inside each other or of a sheet wound like a spiral.
  • the stator armature 5 comprises in this example a winding 50 in this case concentric comprising a plurality of coils 50u, 50v, 50w, in this case a three-phase winding comprising first coils 50u, second coils 50v, and third coils 50w, each coil being wound around a tooth 51 1 of the armature body 51.
  • the stator armature 5 comprising a number Pa of poles different from the number Pe poles.
  • the winding is therefore wound with a ratio of 0.5 notch per pole and per phase, i.e. a number Pa poles equal to 8.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of an example of the ferromagnetic rotor 6 of the synchronous electric machine M2 according to a three-dimensional view.
  • the ferromagnetic rotor 6 is in this case internal and comprises a rotation shaft 61 along its axis of rotation X (not visible in FIG. 12, but visible in FIG. 9).
  • the rotor 6 can, according to another example, be external.
  • the ferromagnetic rotor 6 comprises the first set of ferromagnetic parts 60 regularly distributed around the axis of rotation X, each ferromagnetic part is mounted on a crown 62 secured to the rotation shaft 61 of the rotor 6.
  • the number Ns of ferromagnetic parts 60 is equal to the sum of or the difference between Pa/2 and Pe/2, here 10 in number, i.e. Pa/2 + Pe/2, but could also be 2 in number (the difference).
  • the set of ferromagnetic parts 60 being located axially between the first claw stator inductor 4 and the first stator armature 5.
  • FIG. 13A shows a schematic representation of a synchronous electric machine M20 according to a second example of the second embodiment.
  • the synchronous electric machine M20 is identical to that of the first example of this second embodiment except: in that it further comprises a second inductor 4' identical to the first inductor 4, in this case as one among the different examples shown in one of FIGS. 10A to 10D of the first example; in that the rotor 6' further comprises a second set of ferromagnetic parts 60' identical to the first set of ferromagnetic parts 60, forming an axial air gap with the second inductor 4' and in that it comprises a second stator armature 5' identical to the first stator armature 5, in this case as that shown in FIG. figure 1 1 of the first example, opposite the second set of ferromagnetic parts 60' forming an axial air gap between them.
  • the second inductor 4’ has its base 415 in the form of a crown against the base 415 of the first inductor 4’ with the air gap parts 413a, 413b of each internal and external claw 41b, 41a facing the second set of ferromagnetic parts 60’ together forming an axial air gap.
  • the salient pole armature body 51 of the two inductors 4, 4’ may be in one piece.
  • the coils of the second stator armature 5’ can be coupled in parallel to the corresponding coils of the first stator armature 5.
  • the rotation shaft 61 of the rotor 6’ passes through the second inductor 4’ and the first inductor 4.
  • the second set of ferromagnetic parts 60’ can be decoupled from the first set of ferromagnetic parts 60 and thus form a second rotor.
  • FIG. 13B shows a schematic representation of an electric machine M21 according to a third example of the second embodiment.
  • each tooth 511' comprises a second air gap wall 516' opposite the first air gap wall 516 by means of the central wall 514 of the through-flux stator armature 5”.
  • the teeth 511' may be connected to each other, by a non-ferromagnetic part, for example by a resin.
  • this 5” stator armature is devoid of a yoke.
  • Each coil of each tooth 51 'of the 5” stator armature each produces a flux passing from the first to the second air gap wall 516. In other words, the flux passes from the first inductor 4 to the second inductor 4' via the ferromagnetic parts of the rotor and the armature 5'.
  • stator armatures 5, 5’ have salient poles but can have claws as in the third example of the first embodiment (except in that the armature has an axial air gap.
  • FIG. 14 shows a schematic representation of a synchronous electric machine section M2’ according to a fourth example of the embodiment identical to the first example of this second embodiment except that the stator armature 5u is claw-type.
  • the stator armature 5u is similar to the claw-type stator inductor 4 except that it has a different number of claws.
  • the synchronous electric machine M2’ is single-phase.
  • the synchronous electric machine M2’ can be multi-phase, in which case it comprises several armatures and inductors as well as several sets of ferromagnetic parts.
  • FIG. 15 shows a schematic representation of a synchronous electric machine section M20' according to a fifth example of the second embodiment similar to the synchronous electric machine M2' but multiphase in this case three-phase.
  • the synchronous electric machine M20' is therefore identical to the fourth embodiment example except in that it comprises: a second and a third claw stator armature 5v, 5w identical to the first claw stator armature 5u of the fourth example of this embodiment, respectively comprising a second and third other coils 50v, 50w each mounted in the second and third armature body 51v, 51w, a second and third claw inductor 4v, 4w identical to the first claw stator inductor 4u of the fourth example of this embodiment, respectively comprising a second and third other inductor coils 40v, 40w each mounted in the second and third ferromagnetic body 41v, 41w, and in that the rotor 6" comprises a second and third set of ferromagnetic parts 60v, 60w identical to the
  • the first and second claw inductors 4u, 4v are monobloc and the second and a third claw stator armature 5v, 5w are monobloc, that is to say that they can comprise a common base.
  • the different inductors and the different armatures are stacked axially one after the other while keeping a rotor having two sets of ferromagnetic parts offset from each other axially.
  • FIG. 16 shows a schematic representation of a synchronous electric machine section M2” according to a sixth example of the second embodiment identical to the synchronous electric machine M2' according to the first example except in that it further comprises a second claw stator inductor 4” comprising an external diameter smaller than the internal diameter of the first claw inductor 4 and in that the first claw inductor 4 surrounds the second claw stator inductor 4”.
  • FIG. 17, shows an axial view of the first and second claw inductors 4, 4”.
  • each internal claw 41 B of the first inductor 4 is radially contiguous with an external claw 41 A of the second inductor 4” and in that each external claw 41 A of the first inductor 4 is radially contiguous with an internal claw 41 B of the second inductor 4”.
  • a Claw Inductor may exhibit magnetic flux leakage, particularly when the inner diameter is much smaller than the outer diameter.
  • the axial air gap solution exhibits geometric asymmetries between the inner claws 41B and the outer claws 41A.
  • the intermediate portions 414b are narrower (measured in the circumferential direction) on the inner claws 41B that are on the inner diameter side than the intermediate portions 414a of the outer claws 41A that are on the outer diameter side.
  • the inner claws 41B will therefore tend to saturate much faster than the outer claws 41A, thereby introducing even harmonics into the Electromotive Force induced in the multi-phase or single-phase Stator (and therefore unwanted Torque Ripples).
  • the two concentric inductors in this sixth example make it possible to deal with these leaks and the problem of asymmetry of the North and South poles, by supplying the two inductor coils 40u, 40u’ in the opposite direction.
  • the machine comprises a second claw armature of identical shape to that of the fourth example surrounded by the first claw armature like the claw inductor of this sixth embodiment.
  • the second claw stator armature then comprises an external diameter smaller than the internal diameter of the first claw stator armature.
  • the synchronous machine can be three-phase comprising a third armature surrounded by the second armature.

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Abstract

Un aspect de l'invention concerne une machine électrique synchrone (M1, M1', M1'', M1''', M2, M2', M20, M21, M20') comprenant : - un premier inducteur statorique à griffes (1, 1', 4, 4') comprenant un corps ferromagnétique à griffes (11, 41) comprenant un nombre Pe de pôles, - un premier induit statorique (2, 2', 2u, 5, 5', 5u) comprenant un nombre Pa pôles différent du nombre Pe, - un rotor ferromagnétique (3, 6, 6') comprenant : - un axe de rotation (X) - un premier ensemble de pièces ferromagnétiques (30, 30u, 60, 60u) comprenant un nombre Ns de pièces régulièrement réparties autour de l'axe de rotation (X), le nombre Ns est égale à la somme de ou la différence entre Pa/2 et Pe/2, l'ensemble de pièces ferromagnétiques (30, 30u, 60, 60u) étant situé entre le premier inducteur statorique à griffes (1, 1', 4, 4') et le premier induit statorique.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Machine électrique synchrone à inducteur à griffes fixe
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[0001] Le domaine technique de l’invention est celui des machines synchrones.
[0002] La présente invention concerne une machine synchrone à induit et inducteur statorique.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
[0003] La machine synchrone comprend comme tout moteur électrique un rotor et un stator, principalement le rotor forme l’inducteur et le stator forme l’induit. Dans l'état de la technique, il est connu deux façons de faire un inducteur de machine électrique synchrone, ceux bobiné et ceux à aimants. L'inducteur peut avoir un avantage à être bobiné. En effet, une machine à noyau de fer bobiné peut produire une induction plus élevée que ceux à aimants qui sont en outre plus chers et limité thermiquement par leurs caractéristiques qu’une bobine. Ainsi à iso volume, une machine électrique synchrone comprenant un inducteur à aimant sera plus cher, plus limité thermiquement et moins performant (couple) particulièrement à haute vitesse de rotation qu’une machine par rapport à une machine électrique comprenant un inducteur bobiné.
[0004] Il est connu aussi principalement deux grandes familles d’entrefer dans les machines électriques.
[0005] Une première famille de machine électrique synchrone est à entrefer radial, dont le volume d'entrefer entre un stator comprenant des bobines formant l’induit et le rotor formant un inducteur (à aimant ou bobiné) est de forme cylindrique entourant l’axe de rotation du rotor.
[0006] Une deuxième famille de machine électrique synchrone est à entrefer axial dont le volume d'entrefer entre un stator comprenant des bobines formant l’induit et le rotor formant l’inducteur (à aimant ou bobiné) est de forme d’un disque perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor.
[0007] Le flux est principalement radial appelé à champ radial dans une machine à entrefer radial et est principalement axial appelé à champ axial dans une machine à entrefer axial mais il est connu aussi les machines synchrones à rotor à griffes dont le flux comprend des composantes radiales et axiales (que ce soit à entrefer radial ou axial). Ces machines à rotor à griffes ont des boucles de flux non contenue dans un plan. Autrement dit, chacune des boucles est tridimensionnelle, appelée courbe gauche, par opposition à courbe plane. Par exemple, il existe des alternateurs ou alterno-démarreur comprenant un inducteur rotor comprenant une bobine inductrice et deux demi-pièces polaires comprenant des griffes. Les deux pièces polaires sont assemblées ensemble pour enfermer la bobine par le biais des griffes. L’induit stator comprend des bobines bobinées dans des encoches de plusieurs tôles encochées. Les bobines de l'induit convertissent la variation de flux lorsque l'inducteur rotor tourne en tension induite générant ainsi du courant électrique.
[0008] Le fait d’avoir une bobine et deux pièces polaires à griffes emboîtées l’une sur l’autre, a l’avantage de facilement fabriquer le rotor et donc diminue le coût tout en ayant moins de pertes puisqu’on utilise toute la bobine. Cependant comme dans les rotors inducteurs à aimant, les griffes sont soumises à une déformation élastique par la force centrifuge obligeant à avoir un entrefer suffisant important selon les tolérances de fabrication du diamètre interne de l’induit et le diamètre externes des griffes. Or plus l’entrefer est important plus les performances de la machine électriques synchrone diminuent. En outre le rotor inducteur bobiné nécessite des balais et deux bagues pour alimenter la bobine du rotor inducteur. Cependant comme expliqué plus haut l’avantage de faire varier le flux inducteur, permet soit d’avoir une force et donc un couple plus élevé (à basse vitesse) ou quand le courant inducteur est réduit, permet d’abaisser les pertes magnétiques à haute vitesse pour une même dimension de la machine électrique.
[0009] Il existe donc un besoin d’avoir une architecture de machine électrique synchrone ayant à la fois l’avantage d’un inducteur bobiné tout en ayant moins d’inconvénient qu’une machine électrique à rotor à griffes.
RESUME DE L’INVENTION
[0010] L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en ayant un inducteur à griffes statorique et un induit statorique.
[0011] Un aspect de l’invention concerne une machine électrique synchrone comprenant : un premier inducteur statorique à griffes comprenant un corps ferromagnétique à griffes comprenant un nombre Pe de pôles et une bobine d’inducteur bobinée dans le corps ferromagnétique, un premier induit statorique comprenant un nombre Pa pôles différent du nombre Pe, un rotor ferromagnétique comprenant : un axe de rotation (X) un premier ensemble de pièces ferromagnétiques comprenant un nombre Ns de pièces régulièrement réparties autour de l’axe de rotation, le nombre Ns est égale à la somme de ou la différence entre Pa/2 et Pe/2, l’ensemble de pièces ferromagnétiques étant situé entre le premier inducteur statorique à griffes et le premier induit statorique.
[0012] Grâce à l’invention, la machine électrique synchrone a un inducteur à griffes statorique bobiné qui combine plusieurs avantages :
L’avantage de la bobine permettant d’avoir une inductance élevée qu’avec des aimants ;
L’ avantage d’être dépourvu de bagues et de balais ;
L’avantage de pouvoir diminuer l’entrefer total entre les griffes et le rotor puisque le rotor comprend uniquement des pièces ferromagnétiques (sans forme de griffe).
L’avantage d’être dépourvu de chignon et donc d’utiliser la totalité de la bobine et donc des ampères tours de la bobine inducteur pour chaque paire de pôles, et ainsi produire un champ magnétique avec nettement moins de pertes Joule qu’avec un chignon pour produire le flux magnétique.
[0013] Autrement, la machine électrique synchrone selon l’invention comporte les avantages d’une machine synchrone à griffes sans ses inconvénients.
[0014] Le nombre Ns de pièces ferromagnétiques dans le rotor (qui est soit la somme soit la différence avec le nombre de pôle Pa de l’induit et le nombre de pôle Pe de l’inducteur (Pa étant différent de Pe) permet au rotor de moduler le flux entre l’induit statorique et l’inducteur à griffes statorique pour soit faire tourner le rotor en mode moteur soit engendrer du courant dans l’induit statorique en mode générateur.
[0015] Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, la machine électrique synchrone selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi celles des paragraphes suivants, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
[0016] Selon un mode de réalisation le rotor ferromagnétique est situé axialement entre le premier induit statorique et le premier inducteur statorique à griffes. Ainsi dans ce cas, l’entrefer est axial. Le flux magnétique produit par l’induit statorique et l’inducteur statorique est modulé par l’ensemble de pièces ferromagnétiques est traverse axialement l’entrefer.
[0017] Selon un exemple de ce mode de réalisation, la machine électrique comprend un deuxième inducteur de forme identique au premier inducteur à griffes et comprenant un diamètre externe inférieur au diamètre interne du premier inducteur à griffe, dans laquelle le premier inducteur à griffe entoure le deuxième inducteur statorique à griffe. En particulier chaque griffe interne du premier inducteur est radialement contigu avec une griffe externe du deuxième inducteur et en ce que chaque griffe externe du premier inducteur est radialement contigüe avec une griffe interne du deuxième inducteur.
[0018] Selon un mode de réalisation qui est une variante du mode de réalisation précédent, le premier ensemble de pièces ferromagnétiques est situé concentriquement entre le premier induit statorique et le premier inducteur statorique à griffes. Ainsi dans ce cas, l’entrefer est radial. Le flux magnétique produit par l’induit statorique et l’inducteur statorique est modulé par l’ensemble de pièces ferromagnétiques est traverse axialement l’entrefer radialement.
[0019] Selon un exemple de ce mode de réalisation, le premier inducteur statorique à griffes entoure le premier ensemble de pièces ferromagnétiques du rotor ferromagnétique entourant l’induit statorique.
[0020] Selon une variante de cet exemple de ce mode de réalisation, le premier induit statorique entoure le premier ensemble de pièce ferromagnétique du rotor ferromagnétique entourant l’inducteur statorique à griffes. [0021] Selon un mode de réalisation, le premier induit statorique est un induit à griffes. Cela permet d’utiliser toute la bobine et donc d’avoir un meilleur rendement.
[0022] Selon un exemple, l’induit statorique à griffes comprend un premier bloc comprenant une première base polaire et une deuxième base polaire et une bobine entre la première et la deuxième base polaire.
[0023] Selon un mode de réalisation, la machine comprend en outre : un deuxième inducteur de forme identique au premier inducteur, un deuxième induit statorique comprenant des parties d’entrefers, de forme identique au premier induit statorique à griffes, et et en ce que le rotor comprenant en outre un deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques formant un premier entrefer avec le deuxième inducteur et étant en vis-à-vis avec les parties d’entrefers du deuxième induit statorique formant entre eux un entrefer.
[0024] Par de forme identique, on entend la forme géométrique mais pas les dimensions, ainsi un premier inducteur peut être plus grand en taille que le deuxième inducteur.
[0025] Selon une mise en oeuvre de cet exemple de ce mode de réalisation, la machine comprend en outre : un troisième inducteur de forme identique au premier inducteur, un troisième induit statorique à griffes de forme identique au premier bloc comprenant des parties d’entrefers et et en ce que le rotor comprend en outre un troisième ensemble de pièces ferromagnétiques identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques, formant un entrefer avec le troisième inducteur et étant en vis-à-vis avec les parties d’entrefers du troisième induit statorique formant entre eux un entrefer. [0026] Une telle machine à l’avantage d’être à griffe et d’avoir un induit pouvant être alimenter par ou restituer, une tension alternative triphasé. En effet chaque induit peut former ainsi une phase.
[0027] Selon un exemple de ce mode de réalisation, la machine comprend en outre : un deuxième inducteur statorique à griffe de forme identique au premier inducteur statorique à griffe et un deuxième induit statorique à griffes de forme identique au premier induit statorique à griffe, un deuxième rotor découplé mécaniquement du premier rotor comprenant un ensemble de pièces ferromagnétiques situé entre le deuxième inducteur statorique à griffe et le deuxième induit statorique à griffes, dans lequel soit les deux induits statoriques à griffes soit les deux inducteurs à griffes sont monobloc en partageant leur embase. Dans le cas d’un entrefer axial, les deux rotors sont coaxiaux et dans le cas d’entrefer radial, les deux rotors sont parallèles l’un par rapport à l’autre en ayant leur axe distant l’un de l’autre.
[0028] Selon une variante de ce mode de réalisation, le premier induit est à pôle saillant. Par exemple il comprend un bobinage comprenant différentes bobines formant un système multi-phasé.
[0029] Selon un mode de réalisation qui est une variante du mode de réalisation précédent, l’induit comprend des dents ayant des premières parois d’entrefer et des deuxièmes parois d’entrefer opposée aux premières parois d’entrefer par le biais d’une paroi centrale, un bobinage de l’induit comprenant des bobines chacune bobinée dans une dent correspondante autour de la paroi centrale entre les première et deuxième parois d’entrefer, la machine électrique synchrone comprenant en outre : un deuxième inducteur de forme identique au premier inducteur et en ce que le rotor comprend en outre un deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques, formant un entrefer avec le deuxième inducteur et étant en vis-à-vis avec les deuxièmes parois d’entrefer de l’induit statorique formant entre eux un entrefer axial.
[0030] Selon un mode de réalisation, la machine comprend en outre un deuxième et troisième inducteur identique au premier inducteur, un deuxième et troisième induit statorique à griffes identique au premier induit comprenant des parties d’entrefers et et en ce que le rotor comprend en outre un deuxième et troisième ensemble de pièces ferromagnétiques identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques, formant chacun respectivement un entrefer avec le deuxième et troisième inducteur et étant en vis-à-vis avec les parties d’entrefers respectivement du deuxième et troisième induit statorique formant entre eux un entrefer.
[0031] Selon un mode de réalisation, le corps ferromagnétique à griffes de l’inducteur à griffe comprend une embase et des griffes, dans lequel chaque griffe comprend une partie intermédiaire s’étendant de façon perpendiculaire à partir de l’embase et une partie d’entrefer s’étendant de la partie intermédiaire de façon parallèle à l’embase, la bobine d’inducteur étant enroulée dans une zone formée entre l’embase, la partie intermédiaire et la partie d’entrefer, et dans lequel l’inducteur à griffe comprend en outre des aimants inter-griffe-embase par griffes, situé chacun entre l’embase et une extrémité libre de la partie intermédiaire de la griffe correspondante. Cela permet d’augmenter le niveau de saturation magnétique de la griffe et donc d’avoir un courant inducteur plus important avant saturation et donc la possibilité d’avoir plus de couple. C’est-à-dire qu’une griffe sans aimant sera plus rapidement saturée magnétiquement que la même griffe avec aimant.
[0032] Selon un mode de réalisation, l’inducteur comprend des aimants inter-griffes situés dans chaque espace formé entre deux griffes contiguës de polarité différentes.
[0033] Selon un mode de réalisation, le premier corps ferromagnétique de l’inducteur statorique à griffes comprend une première base polaire et une deuxième base polaire et la bobine inducteur est située entre la première et la deuxième base polaire.
[0034] Selon un mode de réalisation, la machine électrique comprend un circuit à liquide de refroidissement, dans lequel l’inducteur est immergé, notamment dans un liquide diélectrique. Cela permet d’être refroidi beaucoup plus facilement qu’une structure à inducteur tournant, en effet cette technique de refroidissement est directe, offrant ainsi des performances plus élevées qu’une structure non ou moins refroidie.
[0035] Selon un mode de réalisation, le corps ferromagnétique à griffes comprend une matière formée à base de poudre compressée.
[0036] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0037] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
[0038] [Fig. 1 A] montre une représentation schématique d’une machine électrique synchrone selon un premier exemple d’un premier mode de réalisation.
[0039] [Fig. 1 B] montre une représentation schématique d’une machine électrique synchrone selon un deuxième exemple d’un premier mode de réalisation.
[0040] [Fig. 2] montre une représentation schématique d’une section radiale de la machine électrique synchrone selon le premier exemple d’un premier mode de réalisation.
[0041] [Fig. 3] montre une représentation schématique en éclatée, d’un exemple d’un inducteur statorique à griffes de la machine électrique synchrone selon le premier exemple d’un premier mode de réalisation.
[0042] [Fig. 4] montre une représentation schématique selon une vue tridimensionnelle partielle, d’un autre exemple de l’inducteur statorique à griffes de la machine électrique synchrone selon le premier exemple d’un premier mode de réalisation.
[0043] [Fig. 5] montre une représentation schématique d’une section radiale de la machine électrique synchrone selon le deuxième exemple d’un premier mode de réalisation.
[0044] [Fig. 6] montre une représentation schématique selon une vue tridimensionnelle, d’un exemple d’un inducteur statorique à griffes de la machine électrique synchrone selon le premier exemple d’un premier mode de réalisation.
[0045] [Fig. 7] montre une représentation schématique selon une section radiale d’une machine électrique synchrone selon un troisième exemple du premier mode de réalisation.
[0046] [Fig. 8] montre une représentation schématique selon une section radiale d’une machine électrique synchrone selon un quatrième exemple du premier mode de réalisation.
[0047] [Fig. 9] montre une représentation schématique d’une section machine électrique synchrone selon un premier exemple d’un deuxième mode de réalisation. [0048] [Fig. 10A] montre une représentation schématique en éclaté d’un premier exemple d’un inducteur statorique à griffes de la machine électrique synchrone selon le premier exemple du deuxième mode de réalisation.
[0049] [Fig. 10B] montre une représentation schématique d’un corps ferromagnétique à griffes et d’aimants inter-griffes d’un deuxième exemple d’un inducteur statorique à griffes de la machine électrique synchrone selon le premier exemple du deuxième mode de réalisation.
[0050] [Fig. 10C] montre une représentation schématique d’un corps ferromagnétique à griffes et d’aimants inter-griffe-embase d’un troisième exemple d’un inducteur statorique à griffes de la machine électrique synchrone selon le premier exemple du deuxième mode de réalisation.
[0051] [Fig. 10D] montre une représentation schématique d’un corps ferromagnétique à griffes, d’aimants inter-griffe-embase et d’aimants inter-griffes d’un quatrième exemple d’un inducteur statorique à griffes de la machine électrique synchrone selon le premier exemple du deuxième mode de réalisation.
[0052] [Fig. 1 1 ] montre une représentation schématique d’un exemple d’un induit statorique de la machine électrique synchrone selon le premier exemple du deuxième mode de réalisation.
[0053] [Fig. 12] montre une représentation schématique selon une vue tridimentionelle d’un exemple d’un rotor ferromagnétique de la machine électrique synchrone selon le premier exemple du deuxième mode de réalisation.
[0054] [Fig. 13A] montre une représentation schématique d’une machine électrique synchrone selon un deuxième exemple du deuxième mode de réalisation.
[0055] [Fig. 13B] montre une représentation schématique d’une machine électrique synchrone selon un troisième exemple du deuxième mode de réalisation.
[0056] [Fig. 13C] montre une représentation schématique d’une coupe d’une dent d’un induit de la machine électrique synchrone selon le troisième exemple du deuxième mode de réalisation.
[0057] [Fig. 14] montre une représentation schématique d’une section radiale machine électrique synchrone selon un quatrième exemple du deuxième mode de réalisation.
[0058] [Fig. 15] montre une représentation schématique d’une section radiale machine électrique synchrone selon un cinquième exemple du deuxième mode de réalisation.
[0059] [Fig. 16] montre une représentation schématique d’une section machine électrique synchrone selon un sixième exemple du deuxième mode de réalisation.
[0060] [Fig. 17] montre une représentation schématique d’un double inducteur à griffe d’une machine électrique synchrone selon le sixième exemple du deuxième mode de réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE
[0061] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
[0062] Par rotor, on entend un élément qui tourne sur lui-même selon son propre axe de rotation.
[0063] Par un élément statorique, on entend un élément statique qui est donc immobile par rapport à l’axe de rotation du rotor.
[0064] L’invention concerne une machine électrique synchrone M1 , M2 dont différents exemples de deux modes de réalisation différent vont être décrit dans la suite.
[0065] Les figures 1 A à la figure 8 montrent une représentation schématique de la machine électrique synchrone M1 ou d’une partie de celle-ci selon des exemples du premier mode de réalisation et les figures 9 à la figure 17 montrent une représentation schématique de la machine électrique synchrone M2 ou d’une partie de celle-ci selon des exemples du deuxième mode de réalisation.
[0066] Dans les deux modes de réalisation, la machine électrique synchrone M1 , M2 comprend au moins : un premier inducteur statorique à griffes 1 , 4 comprenant un corps ferromagnétique à griffes 1 1 , 41 comprenant un nombre Pe de pôles et une bobine d’inducteur 10, 40 bobinée dans le corps ferromagnétique 1 1 , 41 , un premier induit statorique 2, 5 comprenant un nombre Pa pôles différent du nombre Pe, un rotor ferromagnétique 3, 6 comprenant : un axe de rotation un premier ensemble de pièces ferromagnétiques 30, 60 comprenant un nombre Ns de pièces régulièrement réparties autour de l’axe de rotation, le nombre Ns est égale à la somme de ou la différence entre Pa/2 et Pe/2, l’ensemble de pièces ferromagnétiques 30, 60 étant situé entre le premier inducteur statorique à griffes 1 , 4 et le premier induit statorique 2, 5.
[0067] Dans les deux modes de réalisation, la machine électrique M1 , M2 comprend au moins deux entrefers, un premier entrefer entre le premier inducteur statorique à griffes 1 , 4 et le rotor ferromagnétique 3, 6 et un deuxième entrefer entre le premier induit statorique 2, 5 et le rotor ferromagnétique 3, 6.
[0068] Dans le premier mode de réalisation, les entrefers sont radiaux et dans le deuxième mode de réalisation les entrefers sont axiaux. Autrement dit, dans le premier mode de réalisation, le premier ensemble de pièces ferromagnétiques 30 est situé concentriquement entre le premier induit statorique 2 et l’inducteur statorique à griffes 1 , tandis que dans le deuxième mode de réalisation, le premier ensemble de pièces ferromagnétiques 60 est situé axialement entre le premier induit statorique 5 et l’inducteur statorique à griffes 4.
[0069] Dans les différents exemples des deux modes de réalisation, le corps ferromagnétique à griffes de l’inducteur à griffe comprend une embase et des griffes, dans lequel chaque griffe comprend une partie intermédiaire s’étendant de l’embase de façon perpendiculaire à l’embase et une partie d’entrefer s’étendant de la partie intermédiaire de façon parallèle à l’embase, la bobine d’inducteur enroulée dans une zone formée entre l’embase, la partie intermédiaire et la partie d’entrefer.
[0070] [Fig. 1 A] montre une représentation schématique d’une section axiale d’une première machine synchrone M1 selon un premier exemple d’un premier mode de réalisation.
[0071] Dans ce premier exemple, l’induit statorique 2 entoure le rotor ferromagnétique 3 entourant l’inducteur statorique à griffes 1 .
[0072] [Fig. 2] montre une représentation schématique d’une section radiale de la machine électrique synchrone M1 selon le premier exemple d’un premier mode de réalisation.
[0073] Dans cet exemple du premier mode de réalisation, l’induit statorique 2 est un induit comprenant un bobinage 20 bobiné dans un paquet de tôle 21 . Le bobinage 20 comprend trois bobines 20u, 20v, 20w formant chacune une phase d’un système triphasé. Bien entendu le bobinage peut comprendre plus que trois bobines, par exemple cinq ou six formant par exemple un double système triphasé.
[0074] Les bobines 20u, 20v, 20w sont bobinées dans des encoches du paquet de tôles 21 . En l’occurrence, le bobinage est concentrique, mais pourrait être selon un autre type de bobinage tel que distribué par exemple ondulé ou ondulé réparti. [0075] Dans cet exemple, le premier induit statorique 2 comprend un nombre Pa pôles, en l’occurrence au nombre de 10 soit 5 paires de pôles = Pa/2.
[0076] Dans cet exemple, le rotor 3 comporte 8 pièces ferromagnétiques 30 et l’inducteur à griffe 1 de la machine comporte une bobine d’inducteur 10 ondulée dans corps ferromagnétique à griffes 1 1 qui est au nombre de trois griffes par base (soit trois griffes nord et trois griffes sud) et.
[0077] [Fig. 3] montre une représentation schématique d’une vue éclatée d’un inducteur statorique à griffes 1 de la machine électrique synchrone M1 selon un deuxième exemple d’un premier mode de réalisation.
[0078] L’inducteur statorique à griffes 1 comprend en l’occurrence un corps ferromagnétique à griffes 1 1 comprenant une première base comprenant une première embase 115a et des premières griffes 1 1 a d’une première polarité s’étendant chacune de l’embase 1 15a axialement et une deuxième base polaire comprenant une deuxième embase 115b et des deuxième griffes 11 b de l’autre polarité s’étendant axialement chacune de la deuxième embase 115b vers la première embase 115a entre deux premières griffes 1 1 a. Par exemple, les premières griffes 11 a ont une polarité sud (cela dépend du sens du courant circulant dans la bobine d’inducteur 10) et les deuxièmes griffes ont une polarité Nord. Les deux embases 1 15a, 115b ont une forme de couronne comprenant chacun un noyau ayant un orifice en contact axiale l’un avec l’autre. Les griffes 1 1 a, 1 1 b comprennent chacune une partie intermédiaire 114a, 1 14b s’étendant de l’embase 115a, 1 15b et une partie d’entrefer 1 13a, 1 13b en vis-à-vis du rotor ferromagnétique 3 non représenté ici. La partie entrefer 113a, 1 13b comprend une surface externe faisant face aux pièces ferromagnétiques 30, formant ensemble l’entrefer radial (en forme de cylindre). Le diamètre externe des griffes 1 1 a, 11 b est donc mesurée au niveau de cette surface externe de la partie entrefer 1 13a, 113b. La bobine d’inducteur 10 est située axialement dans le corps ferromagnétique à griffes 1 1 entre la première et la deuxième base polaire. La première et la deuxième base polaire comprend chacune Pe/2 griffes, ici en l’occurrence 6 griffes, formant chacune un pôle soit dans cet exemple l’inducteur statorique à griffes 1 comprend un nombre Pe de pôles =12 soit 6 paires de pôles.
[0079] Dans cet exemple, l’inducteur statorique à griffes 1 comprend en outre des aimants inter-griffes 13 entre les griffes 1 1 a, 1 1 b de chaque base polaire pour augmenter de façon connue le rendement de l’inducteur statorique à griffes 1 . Comme l’inducteur statorique à griffes 1 est immobile par rapport à l’axe de rotation, les aimants inter-griffes 13 ne subissent pas de force centrifuge et donc sont plus simples à interposer que dans les inducteurs rotoriques à griffes de l’art antérieur.
[0080] L’inducteur statorique à griffes 1 comprend en outre un arbre fixe 12 sur lequel peuvent être monté des paliers pour supporter le rotor ferromagnétique 3.
[0081] Dans le cas où la machine électrique synchrone M1 comprend l’inducteur statorique à griffes de la figure 3 et l’induit de la figure 2, le rotor ferromagnétique doit donc comprendre un nombre Ns = 5 + 6 = 1 1 de pièces ferromagnétiques 30.
[0082] La figure 4 représente un autre exemple d’inducteur statorique à griffes 1 comprenant l’arbre 12 fixe, la bobine d’inducteur 10 enroulée dans le corps ferromagnétique 1 1 entre les griffes 1 1 a, 1 1 b, de chaque polarité, le corps ferromagnétique 1 1 comprenant ici une pluralité de paquets de taules 1 10, dont seulement deux sont représentées. Chaque paquet de tôles forme une première griffe 11 a et une deuxième griffe 1 1 b (une polarité nord et une polarité sud) qui sont opposées l’une à l’autre. Chaque tôle d’un paquet de tôles 110 comprend une embase axiale 1 15 entourant l’arbre fixe 12, une première portion de griffe et une deuxième portion de griffe formant chacune une partie respectivement de la première et deuxième griffes 1 1 a, 1 1 b, s’étendant chacune d’une extrémité (opposée l’une à l’autre) correspondante de l’embase 1 15. Chaque griffe 1 1 a, 1 1 b comprend une partie intermédiaire 1 14a, 1 14b s’étendant de l’extrémité de l’embase 1 15 et une partie d’entrefer 113a, 1 13b en vis-à-vis du rotor ferromagnétique 3 non représenté ici. Les tôles du paquet de tôles sont entrecroisées l’une vers l’autre en étant pliées les unes contre les autres pour que chaque griffe soit formée.
[0083] Ainsi la première tôle d’un paquet de tôles 1 10 comprend : une première partie d’entrefer formant une portion d’une première griffe juxtaposée à une autre griffe d’un autre paquet de tôles et une deuxième partie d’entrefer formant une portion d’une deuxième griffe juxtaposée à la première partie de la dernière tôle de la première griffe du paquet de tôles.
[0084] Dans cet exemple, optionnellement, chaque partie d’entrefer 1 13 de chaque griffe comprend une saillie vers le rotor 3 (dans cet exemple vers l’extérieur) mais pourrait aussi être plane. Les pièces ferromagnétiques peuvent alors avoir une gorge interne entourant en partie ces saillies.
[0085] La figure 1 B et la figure 5 montre une représentation schématique d’une section respectivement axiale et radiale d’une première machine synchrone MT selon un deuxième exemple d’un premier mode de réalisation, dans lequel l’inducteur statorique à griffes 1 ’ entoure le rotor ferromagnétique 3 entourant l’induit statorique 2’.
[0086] Le rotor ferromagnétique 3 peut être identique à celui du premier exemple.
[0087] La figure 6 montre une représentation schématique selon une vue tridimensionnelle d’un exemple de l’inducteur statorique à griffes 1 ’ de la machine électrique synchrone MT selon le deuxième exemple d’un premier mode de réalisation.
[0088] Dans ce deuxième exemple, chaque griffe 1 1 a, 11 b, comprend une partie entrefer 1 13’ comprenant une surface interne en vis-à-vis des pièces ferromagnétique 30 du rotor 3. Le diamètre interne de l’inducteur statorique à griffes 1 ’ est mesurée entre deux surface interne de cette partie entrefer 113’. Dans cet exemple le corps ferromagnétique 11 statorique de l’inducteur statorique à griffes 1 ’ comprend une culasse 1 1 c et une première base polaire comprenant les premières griffes 1 1 a d’une première polarité par exemple Nord et une deuxième base polaire comprenant les deuxièmes griffes 1 1 b d’une polarité opposée, dans cet exemple Sud. La première base polaire est ainsi emboîtée axialement contre l’autre base polaire en ayant chacune leur embase entourée par la culasse 1 1 c. Chaque première griffe 1 1 a de la première base polaire est située angulairement entre deux deuxièmes griffes 1 1 b de la deuxième base polaire.
[0089] Bien entendu, le corps ferromagnétique 1 1 statorique de l’inducteur statorique à griffes 1 ’ peut comprendre des paquets de tôles comme dans l’exemple de la figure 4 sauf en ce que les parties entrefers sont vers l’intérieur, c’est-à-dire comprend une surface interne en vis-à-vis des pièces ferromagnétique 30 du rotor 3.
[0090] Dans cet exemple, l’inducteur statorique à griffes 1 ’ comprend huit pôles soit le nombre Pe de pôles est égale à 8.
[0091] Dans cet exemple, le nombre Ns de pièces ferromagnétiques 30 est égale à 1 1 , visible sur la figure 5. [0092] L’induit statorique 2’ comprend dans cet exemple un paquet de tôle 20 dont les encoches sont ouvertes vers l’extérieure. Le bobinage 20 est ainsi bobiné dans les encoches extérieures, et peut comprendre comme dans l’exemple précédent trois bobines. Dans cet exemple les encoches sont aux nombres de 42, soit 7 paires de pôles, Pa/2= 7, Ns = 11 et Pe/2 égale à 4.
[0093] Dans les deux exemples décrit précédemment, l’induit statorique 2, 2’ est un induit à pôle saillant (formé par des dents entre les encoches remplie chacune par une ou des sections de la bobine) mais peut aussi être à griffes.
[0094] [Fig. 7] représente schématiquement une section axiale d’une machine électrique synchrone M1 ” selon un troisième exemple du premier mode de réalisation dans lequel l’induit est un induit statorique à griffes 2u. L’inducteur de la machine électrique synchrone M1 ” ainsi que son rotor ferromagnétique 3 selon ce troisième exemple est identique à celui du premier exemple.
[0095] L’induit statorique à griffes 2u est similaire à l’inducteur à griffes du deuxième exemple en ce qu’il comprend dans cet exemple une seule bobine 20u’ (monophasé) enroulée dans un corps d’induit 21 u comprenant comprend une première base polaire 21 a et une deuxième base polaire 21 b emboîtée axialement l’une contre l’autre tel que chaque griffe de la première base polaire 21 a est située angulairement entre deux griffes de la deuxième base polaire 21 b. Chaque griffe est représentée soit en trait point soit comporte une partie en pointillé pour améliorer la compréhension. Chaque griffe comprend une partie entrefer 23 ayant une surface interne faisant face aux pièces d’entrefer 30 du rotor 3. Le diamètre interne de l’induit statorique à griffes 2” est mesurée entre les surfaces internes des partie entrefer 2. Les deux bases polaires 21 a, 21 b comprennent chacune une portion d’embase accolée axialement l’une avec l’autre formant une embase externe 210. La première base polaire 21 a et la deuxième base polaires 21 b peuvent être identique et sont simplement emboîtée axialement l’une contre l’autre en étant décalée angulairement d’une griffe. La bobine 20u’ est donc située axialement entre la première et la deuxième base polaire 21 a, 21 b entre les parties entrefer interne 23 de chaque griffe et l’embase externe 210 de chaque base polaire entourant la bobine d’induit 20u’. Bien entendu le corps d’induit 21 u peut aussi être formé d’un paquet de tôles comme dans l’exemple de l’inducteur de la figure 4. Le corps d’induit peut aussi être formé d’un seul bloc en ayant les griffes pliées l’une vers l’autre. [0096] Selon un autre exemple, le corps ferromagnétique de l’induit statorique à griffes 2u est identique à l’inducteur statorique à griffes du deuxième exemple, c’est à dire comprend une culasse reliant la première base polaire 21 a comprenant les griffes d’une première polarité par exemple Nord à la deuxième base polaire 21 b comprenant les griffes d’une polarité opposé, dans cet exemple Sud.
[0097] Selon un autre exemple de ce premier monde de réalisation non représenté, l’inducteur est l’induit statorique à griffes 2” du troisième exemple et l’induit statorique à griffes est l’inducteur statorique à griffes 1 (soit une variante du deuxième et troisième exemple combinée).
[0098] [Fig. 8] représentation schématique d’une machine électrique synchrone M1 ’” selon un quatrième exemple du premier mode de réalisation identique au troisième exemple de ce premier mode de réalisation sauf en ce que : la machine comprend en outre un deuxième et troisième induit 2v, 2w identique au premier induit 2u, deux autres inducteurs statoriques à griffes 1 v, 1w identique au premier inducteur statorique à griffes 1 u du troisième exemple, et en ce que le rotor ferromagnétique 3 comprend deux autres ensembles de pièces ferromagnétiques 30v, 30w identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques 30u.
[0099] Ainsi, le deuxième et troisième induit 2v, 2w comporte respectivement un premier et deuxième corp d’induit 21 v, 21 w identique au premier corps d’induit 21 u du troisième exemple, et respectivement une deuxième et troisième autre bobine 20v’, 20w’ chacune montée dans le deuxième et troisième deuxième et troisième corps d’induit 21 v, 21 w. Le premier et deuxième corp d’induit 21 v, 21 w comporte des parties d’entrefer en vis-à-vis du respectivement deuxième et troisième ensemble de pièces ferromagnétiques 30v, 30w. Cette machine électrique synchrone M1 ’” permet d’avoir trois bobines d’induit 20u’, 20v’, 20w’ pouvant chacune être alimentée en mode moteur ou restituée en mode alternateur (générateur alternatif) une tension triphasée.
[00100] Les premier, deuxième et troisième ensembles de pièces ferromagnétiques 30u, 30v, 30w ou les parties d’entrefers du premier, deuxième troisième induit statorique à griffes 2u, 2v, 2w sont décalés angulairement les uns par rapport aux autres selon le nombre de pièces ferromagnétiques ou respectivement de griffes. Selon un autre exemple, ce sont les griffes des premier, deuxième, troisième inducteurs statoriques à griffes 1 u, 1 v, 1 w qui sont décalés angulairement des parties d’entrefers du premier, deuxième troisième induit statorique à griffes 2u, 2v, 2w les uns par rapport aux autres selon le nombre de pièces ferromagnétiques ou respectivement de griffes.
[00101] Selon un autre exemple non représenté, la machine électrique synchrone est différente du quatrième exemple en ce que l’inducteur statorique à griffes 1 comprend seulement le premier corps ferromagnétique 1 1 s’étendant axialement tout le long du rotor 3 avec une seule bobine d’inducteur 10.
[00102] Selon un autre exemple non représenté, la machine électrique synchrone est différente du quatrième exemple en ce que l’inducteur statorique à griffes 1 entoure le rotor 3 entourant les trois induits à griffes 2u, 2v, 2w, (ayant la même forme que les trois induits du quatrième mode de réalisation).
[00103] Dans les différents exemples de ce premier mode de réalisation les entrefers sont radiaux entre d’une part le rotor et l’induit et d’autre part le rotor et l’inducteur. Il va maintenant être décrit une machine électrique synchrone selon un deuxième mode de réalisation identique au premier exemple sauf en ce que les entrefers entre d’une part le rotor et l’induit et d’autre part le rotor et l’inducteur sont axiaux. Les différentes options et caractéristiques des exemples décrits précédemment peuvent s’appliquer au premier exemple lorsque cela ne concerne pas la forme géométrique de l’induit, du rotor et l’inducteur impliquant un entrefer axial.
[00104] [Fig. 9] montre une représentation schématique d’une section d’une machine électrique synchrone M2 selon un premier exemple d’un deuxième mode de réalisation.
[00105] La machine électrique synchrone M2 comprend un premier inducteur statorique à griffes 4 comprenant un corps ferromagnétique à griffes 41 comprenant un nombre Pe de pôles et une bobine d’inducteur 40 bobinée dans le corps ferromagnétique à griffes 41. Quatre différent exemples d’inducteurs statoriques à griffes 4A, 4B, 4C, 4D vont être décrits dans les figures 10A à 10D pouvant être le premier inducteur statorique à griffes 4.
[00106] [Fig.10A] montre une représentation schématique selon une vue tridimensionnelle d’une première mise en oeuvre d’un inducteur statorique à griffes 4A en éclaté de la machine électrique synchrone M2 selon un premier exemple d’un deuxième mode de réalisation.
[00107] La bobine d’inducteur 40 est représentée schématiquement par des cercles, apte à être située dans le corps ferromagnétique à griffes 41. Le corps ferromagnétique à griffes 41 est représenté de façon transparente. Le corps ferromagnétique à griffes 41 comprend une embase 415 en forme de couronne (comprenant un orifice central pour supporter à l’aide d’une palier un arbre du rotor) mais pourrait être un disque (plein). Le corps ferromagnétique à griffes 41 comprend des griffes externes 41 A s’étendant du périmètre externe de l’embase 415 ayant une première polarité par exemple Sud et des griffes internes 41 B s’étendant du périmètre interne de l’embase 415 de l’autre polarité, dans cet exemple Nord (la polarité est selon sens du courant circulant dans la bobine d’inducteur 40). Dans cet exemple, le nombre de griffes externes 41 A est égale à 6 et le nombre de griffes internes 41 B est égale à 6 soit un nombre Pe de pôles égale à 12 (la somme des griffes internes et externes). Chaque griffe externe et interne 41 A, 41 B comprend une partie intermédiaire 414a, 414b s’étendant de l’embase 415, radialement vers le rotor 6 et une partie d’entrefer 413a, 413b en vis-à-vis du premier ensemble de pièces ferromagnétiques 60 formant ensemble un entrefer axial. La partie d’entrefer 413a d’une griffe externe 41 A s’étend de la partie intermédiaire 414a vers l’intérieur, en l’occurrence en diminuant sa largeur, alors que la partie d’entrefer 413b d’une griffe interne 41 B s’étend de la partie intermédiaire 1 14b vers l’extérieur, en l’occurrence en augmentant sa largeur.
[00108] [Fig.l OB] montre une représentation schématique selon une vue tridimensionnelle d’une deuxième mise en oeuvre d’un inducteur statorique à griffes 4B de la machine électrique synchrone M2 selon le premier exemple du deuxième mode de réalisation. L’inducteur statorique à griffes 4B selon cette deuxième mise en oeuvre est identique à la première mise en oeuvre sauf en ce qu’il comprend des aimants inter-griffes 43 situés dans chaque espace formé entre deux griffes 41 A, 41 B contiguës de polarité différentes. Autrement dit chaque aimant inter-griffes 43 est situé entre une partie entrefer 413a d’une griffe externe 41 A, et une partie entrefer 413b d’une griffe externe 41 B.
[00109] [Fig.10C] montre une représentation schématique selon une vue tridimensionnelle d’une troisième mise en oeuvre d’un inducteur statorique à griffes 4C de la machine électrique synchrone M2 selon le premier exemple du deuxième mode de réalisation. L’ inducteur statorique à griffes 4C est identique à la première mise en oeuvre sauf en ce qu’il comprend un aimant inter griffe-embase 45 par griffe. Chaque aimant inter griffe-embase 45 est situé entre une extrémité libre de la partie entrefer 413a, 413b d’une griffe externe 41 A ou griffe interne 41 B, et l’embase 415.
[00110] [Fig.l OD] montre une représentation schématique selon une vue tridimensionnelle d’une quatrième mise en oeuvre d’un inducteur statorique à griffes 4D de la machine électrique synchrone M2 selon le premier exemple du deuxième mode de réalisation. L’ inducteur statorique à griffes 4D est identique à la première mise en oeuvre, sauf en ce qu’il comprend un aimant inter griffe-embase 45 par griffe et un aimant inter-griffes 43 entre chaque griffe.
[00111] Selon une particularité d’une de ces mises en oeuvre, le corps ferromagnétique à griffes 1 1 , 41 comprend une matière formée à base de poudre compressé. Une telle poudre avec de tel aimants à la particularité d’augmenter la capacité du corps ferromagnétique avant saturation.
[00112] [Fig.1 1 ] montre une représentation schématique selon une vue tridimensionnelle d’un exemple d’un induit statorique 5 de la machine électrique synchrone M2.
[00113] En l’occurrence dans ce premier exemple, l’induit statorique 5 comprend un corps d’induit 51 à pôles saillant comprenant une embase 510 en forme de couronne et une pluralité de dent 51 1 formant entre elle des encoches (ici au nombre de 12 dents et encoches).
[00114] Chaque dent 51 1 comprend une paroi centrale 514 s’étendant axialement de l’embase 510 et une paroi d’entrefer 516 s’étendant de la paroi centrale 514 en vis-à-vis du premier ensemble de pièces ferromagnétiques 60 formant ensemble un entrefer axial. La paroi d’entrefer 516 en l’occurrence s’étend circonférentiellement de part et d’autre de la paroi centrale 514 fermant en partie les encoches axialement. Le corps d’induit 51 peut être formé de plusieurs tôles enroulées concentriques les unes dans les autres ou d’une tôle enroulée comme une spirale. L’induit statorique 5 comprend dans cet exemple un bobinage 50 en l’occurrence concentrique comprenant une pluralité de bobines 50u, 50v, 50w, en l’occurrence un bobinage triphasé comprenant des premières bobines 50u, des deuxièmes bobines 50v, et des troisièmes bobines 50w, chaque bobine étant enroulée autour d’une dent 51 1 du corps d’induit 51 . L’induit statorique 5 comprenant un nombre Pa de pôles différents du nombre Pe pôles.
[00115] Ici le bobinage est donc bobiné avec un ratio de 0.5 encoche par pôle et par phase soit un nombre Pa pôles égale à 8.
[00116] [Fig. 12] montre une représentation schématique d’un exemple du rotor ferromagnétique 6 de la machine électrique synchrone M2 selon une vue tridimensionnelle. Le rotor ferromagnétique 6 est en l’occurrence interne et comprend un arbre de rotation 61 suivant son axe de rotation X (non visible sur la figure 12, mais visible sur la figure 9). Bien entendu le rotor 6 peut selon un autre exemple être externe.
[00117] Le rotor ferromagnétique 6 comprend le premier ensemble de pièces ferromagnétiques 60 régulièrement réparties autour de l’axe de rotation X, chaque pièce ferromagnétique est montée sur une couronne 62 solidaire de l’arbre de rotation 61 du rotor 6. Le nombre Ns de pièces ferromagnétiques 60 est égale à la somme de ou la différence entre Pa/2 et Pe/2, ici au nombre de 10 soit Pa/2 + Pe/2, mais pourrait aussi être au nombre de 2 (la différence). L’ensemble de pièces ferromagnétiques 60 étant situé axialement entre le premier inducteur statorique à griffes 4 et le premier induit statorique induit statorique 5.
[00118] [Fig. 13A] montre une représentation schématique d’une machine électrique synchrone M20 selon un deuxième exemple du deuxième mode de réalisation.
[00119] Dans ce deuxième exemple, la machine électrique synchrone M20 est identique à celui du premier exemple de ce deuxième mode de réalisation sauf : en ce qu’elle comprend en outre un deuxième inducteur 4’ identique au premier inducteur 4, en l’occurrence comme un parmi les différents exemples représentés sur une des figures 10A à 10D du premier exemple ; en ce que le rotor 6’ comprend en outre un deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques 60’ identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques 60, formant un entrefer axial avec le deuxième inducteur 4’ et en ce qu’il comprend un deuxième induit statorique 5’ identique au premier induit statorique 5, en l’occurrence comme celui représenté sur la figure 1 1 du premier exemple, en vis-à-vis du deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques 60’ formant entre eux un entrefer axial.
[00120] Le deuxième inducteur 4’ a son embase 415 en forme de couronne contre l’embase 415 du premier inducteur 4’ en ayant les parties d’entrefer 413a, 413b de chaque griffe interne et externe 41 b, 41 a en vis-à-vis du deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques 60’ formant ensemble un entrefer axial. Le corps d’induit 51 à pôles saillant des deux inducteurs 4, 4’ peut être monobloc.
[00121] Les bobines du deuxième induit statorique 5’ peuvent être couplées en parallèle aux bobines correspondantes du premier induit statorique 5.
[00122] L’arbre de rotation 61 du rotor 6’ traverse le deuxième inducteur 4’ et le premier inducteur 4.
[00123] Selon un exemple non représenté, le deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques 60’ peut être découplé du premier ensemble de pièces ferromagnétiques 60 et former ainsi un deuxième rotor.
[00124] [Fig. 13B] montre une représentation schématique d’une machine électrique M21 selon un troisième exemple du deuxième mode de réalisation.
[00125] Dans ce troisième exemple, la machine électrique synchrone M21 est identique à celui du deuxième exemple de ce deuxième mode de réalisation sauf : l’induit statorique est un induit statorique 5” à flux traversant, similaire au premier induit statorique 5 du premier exemple sauf en ce qu’il est dépourvu d’embase et en ce que chaque dent 511 ’ représenté selon une section sur la figure 13C, comprend une deuxième paroi d’entrefer 516 en vis-à-vis du deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques 60’ formant entre eux un entrefer axial et en ce que le deuxième inducteur à griffes 4’ est à l’opposé axialement du premier inducteur à griffes 4.
[00126] Ainsi dans cet exemple le rotor 6’ est identique à celui du deuxième exemple.
[00127] Ainsi, chaque dent 511 ’ comprend une deuxième paroi d’entrefer 516’ opposé à la première paroi d’entrefer 516 par le biais de la paroi centrale 514 de l’induit statorique à flux traversant 5”. Les dents 51 1 ’ peuvent être reliées les unes aux autres, par une pièce non ferromagnétique, par exemple par une résine. Autrement dit, cet induit statorique 5” est dépourvue de culasse. Chaque bobine de chaque dent 51 ’ de l’induit statorique 5” produit chacune un flux traversant de la première à la deuxième paroi d’entrefer 516. Autrement dit le flux passe du premier inducteur 4 au deuxième inducteur 4’ par le biais des pièces ferromagnétique du rotor et de l’induit 5’.
[00128] Ainsi l’induit statorique à flux traversant 5” est situé axialement entre le premier et deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques 60, 60’ du rotor 6’, lesquels sont située axialement entre le premier et deuxième inducteur à griffes 4, 4’.
[00129] Dans ces différents exemples, les induits statoriques 5, 5’ sont à pôles saillant mais peuvent être à griffes comme dans le troisième exemple du premier mode de réalisation (sauf en ce que l’induit est à entrefer axial.
[00130] Dans ces deux exemples, le fait d’avoir un rotor ayant deux ensembles de pièces ferromagnétique décalés axialement l’un de l’autre permet de réduire la force axiale sur le rotor. En effet, dans chaque cas la résultante de la force axiale représentée par des flèches F exercée sur le premier ensemble de pièce ferromagnétique, par le premier induit et le premier inducteur est dans le sens opposé à la résultante de la force axiale exercée sur le deuxième ensemble de pièce ferromagnétique, par le deuxième induit et le deuxième inducteur.
[00131] [Fig. 14] montre une représentation schématique d’une section machine électrique synchrone M2’ selon un quatrième exemple du mode de réalisation identique au premier exemple de ce deuxième mode de réalisation sauf en ce que l’induit statorique 5u est à griffes. Dans ce quatrième mode de réalisation, l’induit statorique 5u est similaire à l’inducteur à statorique à griffes 4 sauf en ce qu’il comporte un nombre de griffes différents. Dans cet exemple, la machine électrique synchrone M2’ est monophasée.
[00132] Bien entendu la machine électrique synchrone M2’ peut être multi phasée, dans ce cas elle comporte plusieurs induits et inducteurs ainsi que plusieurs ensembles de pièces ferromagnétiques.
[00133] [Fig. 15] montre une représentation schématique d’une section machine électrique synchrone M20’ selon un cinquième exemple du deuxième mode de réalisation similaire à la machine électrique synchrone M2’ mais multiphasées en l’occurrence triphasé. [00134] La machine électrique synchrone M20’ est donc identique au quatrième exemple mode de réalisation sauf en ce qu’elle comprend : un deuxième et un troisième induit statorique à griffes 5v, 5w identique au premier induit statorique à griffes 5u du quatrième exemple de ce mode de réalisation, comprenant respectivement une deuxième et troisième autres bobines 50v, 50w chacune montée dans le deuxième et troisième deuxième et troisième corps d’induit 51 v, 51 w, un deuxième et troisième inducteur à griffes 4v, 4w identique au premier inducteur statorique à griffes 4u du quatrième exemple de ce mode de réalisation, comprenant respectivement une deuxième et troisième autres bobines d’inducteur 40v, 40w chacune montée dans le deuxième et troisième deuxième et troisième corps ferromagnétique 41 v, 41 w, et en ce que le rotor 6” comprend un deuxième et troisième ensemble de pièces ferromagnétiques 60v, 60w identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques 60u du quatrième exemple de ce mode de réalisation, les ensembles de pièces ferromagnétiques 60u, 60v, 60w étant monté solidaire de l’arbre rotor 61 .
[00135] En l’occurrence, le premier et deuxième inducteur à griffes 4u, 4v, sont monobloc et le deuxième et un troisième induit statorique à griffes 5v, 5w sont monobloc, c’est-à-dire qu’ils peuvent comprendre une embase commune. Dans ces différents exemples les différents inducteurs et les différents induits sont empilées axialement les uns après les autres en gardant un rotor ayant deux ensembles de pièces ferromagnétiques décalés l’un de l’autre axialement.
[00136] [Fig. 16] montre une représentation schématique d’une section machine électrique synchrone M2” selon un sixième exemple du deuxième mode de réalisation identique à machine électrique synchrone M2’ selon le premier exemple sauf en ce que elle comprend en outre un deuxième inducteur statorique à griffe 4” comprenant un diamètre externe inférieur au diamètre interne du premier inducteur à griffe 4 et en ce que le premier inducteur à griffe 4 entoure le deuxième inducteur statorique à griffe 4”. La figure 17, représente une vue axiale du premier et deuxième inducteur à griffe 4, 4”. En particulier chaque griffe interne 41 B du premier inducteur 4 est radialement contiguë avec une griffe externe 41 A du deuxième inducteur 4” et en ce que chaque griffe externe 41 A du premier inducteur 4 est radialement contiguë avec une griffe interne 41 B du deuxième inducteur 4”.
[00137] Un Inducteur à Griffes peut présenter des fuites de flux magnétiques, et ce particulièrement quand le diamètre Intérieur est beaucoup plus faible que le diamètre extérieur. La solution à entrefer axial présente des dissymétries géométriques entre les griffes internes 41 B et les griffes externes 41 A. Comme on peut le voir sur les figures 10A à 10D, les partie intermédiaire 414b sont moins large (mesurer dans le sens circonférentielle) sur les griffes internes 41 B qui sont du côté diamètre intérieur que les parties intermédiaire 414a des griffes externes 41 A qui sont du côté diamètre extérieur. Les griffes internes 41 B auront donc tendance à saturer beaucoup plus vite que les griffes externes 41 A, introduisant ainsi des harmoniques pairs dans la Force Électromotrice induite au Stator multi-phases ou monophasé (et donc des Ondulations de Couple non désirées). Les deux inducteurs concentriques de ce sixième exemple permettent de se parer à ces fuites et au problème de dissymétrie des pôles Nord et Sud, en alimentant les 2 bobines d’inducteur 40u, 40u’ dans le sens opposé.
[00138] Bien entendu cet exemple peut s’appliquer avec deux induits à griffes de façon similaire à l’induit à griffe du quatrième exemple à la place de l’induit à griffe à pole saillant 5.
[00139] Selon un autre exemple non représenté, la machine comprend un deuxième induit à griffe de forme identique à celui du quatrième exemple entouré par le premier induit à griffe comme l’inducteur à griffe de ce sixième mode de réalisation. Le deuxième induit statorique à griffes comprend alors un diamètre externe inférieur au diamètre interne du premier induit statorique à griffes. Selon encore un autre exemple non représenté la machine synchrone peut être triphasé comportant un troisième induit entouré par le deuxième induit.
[00140] Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1 ] Machine électrique synchrone (M1 , M1 ’, M1 ”, M1 ’”, M2, M2’, M20, M21 , M20’) comprenant :
- un premier inducteur statorique à griffes (1 , 1 ’, 4, 4’) comprenant : o un corps ferromagnétique à griffes (1 1 , 41 ) comprenant un nombre Pe de pôles et o une bobine d’inducteur (10) bobinée dans le corps ferromagnétique,
- un premier induit statorique (2, 2’, 2u, 5, 5’, 5u) comprenant un nombre Pa pôles différent du nombre Pe,
- un rotor ferromagnétique (3, 6, 6’) comprenant : o un axe de rotation (X) o un premier ensemble de pièces ferromagnétiques (30, 30u, 60, 60u) comprenant un nombre Ns de pièces régulièrement réparties autour de l’axe de rotation (X), le nombre Ns est égale à la somme de ou la différence entre Pa/2 et Pe/2, l’ensemble de pièces ferromagnétiques (30, 30u, 60, 60u) étant situé entre le premier inducteur statorique à griffes (1 , 1 ’, 4, 4’) et le premier induit statorique (2, 2’, 2u, 5, 5’, 5u).
[Revendication 2] Machine électrique (M2, M2’, M20, M21 , M20’) synchrone selon la revendication précédente, dans lequel le premier ensemble de pièces ferromagnétiques (60, 60u) est situé axialement entre le premier induit statorique (5, 5’, 5u) et le premier inducteur statorique à griffes (4, 4’).
[Revendication 3] Machine électrique synchrone (M2”) selon la revendication 2, comportant un deuxième inducteur statorique à griffe (4”) de forme identique au premier inducteur à griffe (4u) et comprenant un diamètre externe inférieur au diamètre interne du premier inducteur à griffe, dans laquelle le premier inducteur à griffe entoure le deuxième inducteur statorique à griffe (4”).
[Revendication 4] Machine électrique synchrone (M1 , M1 ’, M1 ”, M1 ’”) selon la revendication 1 dans lequel le premier ensemble de pièces ferromagnétiques (30, 30u) est situé concentriquement entre le premier induit statorique (2, 2’, 2u) et le premier inducteur statorique à griffes (1 , 1 ’)
[Revendication s] Machine électrique synchrone (M1 , M1 ”, M1 ’”) selon la revendication 4 dans lequel l’induit statorique (2, 2u) entoure le premier ensemble de pièces ferromagnétiques (30, 30u) du rotor ferromagnétique (3) entourant l’inducteur statorique à griffes (1 , 1 u).
[Revendication 6] Machine électrique synchrone (MT) selon la revendication 4, dans lequel le premier inducteur statorique à griffes (1 ’) entoure le premier ensemble de pièces ferromagnétiques (30) du rotor ferromagnétique (3) entourant l’induit statorique (2’).
[Revendication 7] Machine électrique synchrone (M1 ”, M1 ’”, M2’, M20’) selon l'une quelconque des revendications dans lequel le premier induit statorique (2u, 5u) est un induit à griffes.
[Revendication s] Machine électrique synchrone (MT”, M20, M21 , M20’) selon l’une des revendications précédentes comprenant en outre :
- un deuxième inducteur (1 v, 4’, 4v, 4”) de forme identique au premier inducteur (1 u, 4, 4u) et un deuxième induit statorique (2v, 5’, 5v, 5”) comprenant des parties d’entrefers, de forme identique au premier induit statorique,
- en ce que le rotor (3, 6) comprend en outre un deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques (30v, 60’, 60v, 60”) identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques (30u, 60, 60u), formant un entrefer avec le deuxième inducteur (1 v, 4’, 4v) et étant en vis-à-vis avec les parties d’entrefers du deuxième induit statorique formant entre eux un entrefer.
[Revendication 9] Machine électrique synchrone (M2) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’induit (5”) comprend des dents (51 ) ayant des premières parois d’entrefer (516) et des deuxièmes parois d’entrefer (516’) opposée aux premières parois d’entrefer (516) par le biais d’une paroi centrale (514), un bobinage de l’induit comprenant des bobines (50u, 50v) chacune bobinée dans une dent (51 ) correspondante autour de la paroi centrale (514) Tl entre les première et deuxième parois d’entrefer (516, 516’), la machine électrique synchrone (M21 ) comprenant en outre :
- un deuxième inducteur (4’) de forme identique au premier inducteur ( 4) et
- en ce que le rotor (6) comprend en outre un deuxième ensemble de pièces ferromagnétiques (60’) identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques (60), formant un entrefer avec le deuxième inducteur (4’) et étant en vis-à-vis avec les deuxièmes parois d’entrefer (516’) de l’induit statorique (5”) formant entre eux un entrefer axial.
[Revendication 10] Machine électrique triphasé (M1 ’”, M20’) synchrone (M1 ’”, M20’) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant en outre :
- un deuxième et troisième inducteur (1 v, 1 w, 4v, 4w) identique au premier inducteur (1 u, 4u),
- un deuxième et troisième induit statorique à griffes (2v, 2w) identique au premier induit (2u) comprenant des parties d’entrefers et et en ce que le rotor (3) comprend en outre un deuxième et troisième ensemble de pièces ferromagnétiques (30v, 30w) identique au premier ensemble de pièces ferromagnétiques (30u), formant chacun respectivement un entrefer avec le deuxième et troisième inducteur (1 v, 1w) et étant en vis-à-vis avec les parties d’entrefers respectivement du deuxième et troisième induit statorique (2v, 2w) formant entre eux un entrefer.
[Revendication 1 1 ] Machine électrique synchrone selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’inducteur (1 , 4’) comprend des aimants inter-griffes (13, 43) situés dans chaque espace formé entre deux griffes (1 1 a,
1 1 b, 41 A, 41 B) contiguës de polarité différentes.
[Revendication 12] Machine électrique synchrone selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le corps ferromagnétique à griffes (1 1 , 41 ) de l’inducteur à griffe (4”, 4’”) comprend une embase (415) et des griffes (41 A, 41 B), dans lequel chaque griffe (41 A, 41 B) comprend une partie intermédiaire (414a, 414b) s’étendant de l’embase (415) de façon perpendiculaire à l’embase (415) et une partie d’entrefer (413a, 413b) s’étendant de la partie intermédiaire (414a, 414b) de façon parallèle à l’embase (415), la bobine d’inducteur (40) étant enroulée dans une zone formée entre l’embase (, 415), la partie intermédiaire (414a, 414b) et la partie d’entrefer
(413a, 413b) de chaque griffe (4”, 4’”), et dans lequel l’inducteur à griffe (4”, 4’”) comprend en outre un aimant inter-griffe-embase (45) par griffes, situé chacun entre l’embase (415) et une extrémité libre de la partie intermédiaire (414a, 414b) de la griffe (41 A, 41 B) correspondante.
[Revendication 13] Machine électrique synchrone selon l’un des revendications précédentes , dans lequel le corps ferromagnétique à griffes (1 1 , 41 ) comprend une matière formée à base de poudre compressée.
[Revendication 14] Machine électrique synchrone selon l’un des revendications précédentes, comprenant un circuit à liquide de refroidissement, dans lequel l’inducteur est immergé, notamment dans un liquide diélectrique.
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