FR3011142A1 - Stator ameliore pour machine a aimants permanents a commutation de flux - Google Patents

Abstract

Un stator d'une machine électrique à commutation de flux (12) comprenant un arrangement annulaire de modules (16) en forme de U séparés par des aimants permanents primaires (17), chaque module (16) en forme de U comprenant deux branches (18) chacune adjacente à un aimant permanent primaire (17) distinct, chaque aimant permanent primaire (17) formant avec la branche (18) adjacente de chaque module (16) adjacent une dent principale (30) s'étendant vers la circonférence interne du stator, les dents principales (30) étant séparées par des logements primaires (20) formés par l'espace interne de chaque module (16), le stator (12) comprenant des dents secondaires (22) aptes à définir des logements secondaires (23) Le stator (12) comprend des aimants permanents secondaires (24) disposés dans les logements secondaires (23).

Description

Stator amélioré pour machine à aimants permanents à commutation de flux La présente invention concerne un moteur électrique amélioré, et plus particulièrement une machine électrique à aimants permanents à commutation de flux. Les machines électriques à aimants permanents à commutation de flux, noté par la suite machine FSPM pour « flux-switching permanent magnet » en anglais, sont connues dans le domaine des moteurs électriques et ont été utilisées pour de nombreuses applications. Comme cela est illustré sur la figure 1, une machine FSPM 1 comprend généralement un moteur synchrone comportant un simple rotor 2 sans balais, « brushless » en anglais, coopérant avec un stator 3. Le rotor 2 comprend un arrangement annulaire de dents 4 s'étendant vers l'extérieur, c'est-à-dire vers le stator 3, depuis sa surface externe et le stator 3 comprend un arrangement annulaire de dents 5 s'étendant vers l'intérieur, c'est-à-dire vers le rotor 2. Chaque dent 5 de stator comprend des aimants permanents 6 magnétiquement polarisés de sorte que la polarisation magnétique des aimants permanents 6 s'alterne le long de la circonférence du stator 3. Enfin, des enroulements 7 de stator sont prévus autour de chaque dent 5 de stator 3.

Des moteurs électriques de ce genre sont particulièrement avantageux pour fournir une densité de couple importante avec une haute efficacité tout en conservant une construction simple et fiable. En particulier, la structure du rotor est relativement robuste et peu coûteuse à fabriquer. De plus, ces machines sont semblables aux machines à reluctance commutatives ce qui les rend plus appropriées pour des opérations à haute vitesse que des machines électriques à aimants permanents montés sur la surface du rotor. Cependant, les machines FSPM telles que représentées sur la figure 1 ont l'inconvénient de fournir un couple mécanique faible pour une tension donnée. En effet, le rendement des telles machines FSPM est faible en ce qui concerne le couple mécanique délivré par rapport à la tension imposée en entrée de la machine. De fait, la tension requise en entrée pour un couple spécifique requis est très élevée. Cela a pour conséquence d'augmenter la taille de la batterie utilisée pour alimenter la machine FSPM. Ces problèmes de rendement sont principalement dus aux forts couplages magnétiques selon l'axe quadratique dans les machines FSPM. Pour améliorer les performances des machines électriques, différentes solutions sont déjà connues. Le document GB 2 485 301 décrit un stator comprenant un couvercle circonférentiel de stator déplaçable par rapport au stator pour réduire les fuites de flux magnétique vers le cadre du moteur. En particulier, le mouvement de la portion magnétique du couvercle de stator vers les aimants permanents du stator résulte en une interaction de flux magnétique entre les aimants permanents et la portion magnétique du couvercle de stator qui aide à améliorer les performances du moteur. Le document EP 2 045 900 présente un stator avec des extrémités libres de dents inclinées au niveau de l'interface avec l'air afin de faciliter la formation de bobine en augmentant la taille du logement et la génération de couple. Le document US 2010/0072832 présente un stator avec une configuration alternée des bobinages de stator autour des pôles de manière à blinder les bobinages de stator, « armature windings » en anglais, les uns des autres à l'aide de l'interposition des dents de stator et de manière à réduire ainsi l'induction mutuelle d'un bobinage d'induction avec le bobinage d'induction voisin le plus proche. Le document GB 2 480 229 décrit un stator comprenant des dents supplémentaires servant de séparateurs pour prévenir une mise en défaut de la machine en blindant chaque bobine de stator des bobines de stator voisines à l'aide d'une dent séparatrice. Les séparateurs induisent pour chaque pôle un profil d'induction propre plus important que le profil d'induction mutuelle avec les autres pôles.

Le document CN 10 197 431 présente un stator ayant des logements secondaires ouverts et libres utilisés pour augmenter la taille des logements primaires et augmenter l'inductance des bobinages d'induction.

Cependant, dans les solutions connues divulguées dans les documents ci-dessus, aucune tentative n'a été faite pour réduire la composante quadratique d'une transformée dans un système triphasé du couplage de flux magnétique de manière à augmenter le couple mécanique généré pour une valeur tension donnée par rapport à l'état de la technique. Généralement, il est plus simple d'appliquer une régulation sur un signal constant que sur des signaux sinusoïdaux. Pour cela, une transformée des systèmes triphasés telle que la transformée de Park est généralement utilisée pour projeter un système triphasé sur un espace bidimensionnel et se retrouver dans un repère tournant équivalent. Il est ainsi possible de transposer les trois courants et les trois tensions sinusoïdales du stator relatives aux trois phases d'un système triphasé dans un espace où les trois signaux sinusoïdaux de courant ou de tension s'expriment sous la forme de deux signaux constants de courant ou de tension avec une composante sur l'axe direct Xd et une composante sur l'axe en quadrature Xq. Pour cela, le repère de Park s'appuie sur un repère lié au champ tournant, soit dans le cas de la machine synchrone à un repère lié au rotor. Dans l'espace bidimensionnel de Park, c'est la composante quadratique Iq du courant de la machine électrique qui génère un couple électromagnétique qui est transformé en un couple mécanique pour le déplacement le véhicule. Par conséquent, une réduction de la composante quadratique du couplage magnétique entre le stator et le rotor permet d'augmenter la composante quadratique Iq du courant générant le couple mécanique de déplacement du véhicule. L'invention propose un stator amélioré d'une machine synchrone à aimants permanents à commutation de flux dans lequel le couplage de flux selon l'axe quadratique de la machine synchrone peut être réduit, et ainsi fournir une machine synchrone à aimants permanents à commutation de flux ayant un rendement de couple mécanique par rapport à la tension d'entrée plus important. Selon un premier aspect de l'invention, il est proposé dans un mode de réalisation un stator d'une machine synchrone à commutation de flux comprenant un arrangement annulaire de modules en forme de U séparés par des aimants permanents primaires, chaque module en forme de U comprenant deux branches chacune adjacente à un aimant permanent primaire distinct, chaque aimant permanent primaire formant avec la branche adjacente de chaque module adjacent une dent principale s'étendant vers la circonférence interne du stator, les dents principales étant séparées par des logements primaires formés par l'espace interne de chaque module, le stator comprenant des dents secondaires aptes à définir des logements secondaires.

Selon une caractéristique générale de l'invention, le stator comprend des aimants permanents secondaires disposés dans les logements secondaires. Le couple délivré d'une machine FSPM à dents multiples peut être calculé à partir de l'expression : 3 T --N(qiIq11 -'q I ) (1) 2 r d Avec T le couple de sortie, AT, le nombre de pôles du rotor, 1Pd la composante directe du couplage de flux magnétique, /g la composante quadratique du courant, la composante quadratique du couplage de flux magnétique, et Id la composante directe du courant.

En négligeant la chute de résistance des bobinages, l'équation de phase de la machine peut être donnée par : v w 2 \-10 5 r ph _ L"'''d ' (2) Avec Vph la phase de la tension, et co la vitesse de rotation électrique.

Les aimants permanents secondaires montés dans les logements secondaires permettent de réduire la composante quadratique du couplage de flux de la machine électrique sans affecter la composante directe du couplage de flux, augmentant ainsi le rendement de la machine, c'est-à-dire le couple mécanique délivré par la machine par rapport à la tension d'entrée de la machine. De plus, en remplissant les logements secondaires, avec des aimants permanents dans le cas présent, la surface interne du stator, soit le périmètre circulaire interne du stator, présentant une résistance à l'air est réduite et rendue plus régulière. Cela réduit le bruit aérodynamique généré par la machine FSPM à dents multiples. De préférence, chaque module comprend deux dents secondaires, chacune des dents secondaires étant apte à définir avec une dent principale un logement secondaire. Un logement secondaire s'étendant à partir d'une dent principale vers la dent principale opposée formée par le même module en forme de U, la taille du logement primaire peut être augmentée et ainsi l'enroulement des bobinages peut être facilité.

De préférence, les aimants permanents secondaires disposés dans les logements secondaires ont une polarisation magnétique radiale. La polarisation radiale du champ magnétique des aimants permanents secondaires permet de réduire la composante quadratique du couplage de flux magnétique. De préférence, les deux aimants permanents secondaires disposés de part et d'autre d'un aimant permanent primaire possèdent des sens de polarisation magnétique opposés. Par exemple, si un aimant permanent primaire est polarisé magnétiquement selon une direction circulaire horaire, c'est-à-dire une polarisation circulaire droite, l'aimant permanent secondaire à sa gauche, c'est-à-dire en amont, appartenant au même pôle de stator, c'est-à-dire à la même dent principale, est polarisé radialement vers l'intérieur et l'aimant permanent secondaire à sa droite, soit en aval, appartenant au même pôle de stator, c'est-à-dire à la même dent principale, est polarisé radialement vers l'extérieur. La polarisation magnétique des aimants permanents secondaires sera inversée dans le cas d'un aimant permanent primaire polarisé circulairement dans un sens antihoraire, c'est-à-dire une polarisation circulaire gauche.

De préférence, les aimants permanents secondaires comblent tout l'espace des logements secondaires de sorte que la portion du périmètre circonférentiel interne du stator exposée à l'air soit minimisée.

Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une machine électrique à aimants permanents à commutation de flux à dents multiples comprenant un stator tel que défini ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation, nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une machine électrique à aimants permanents à commutation de flux selon l'état de la technique ; - la figure 2 illustre, de manière schématique, une machine électrique à aimants permanents à commutation de flux selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 présente schématiquement une vue d'un module en forme de U de la machine illustrée sur la figure 2. Sur la figure 2 est représentée schématiquement une machine synchrone à aimants permanents à commutation de flux, notée machine FSPM par la suite, selon un mode de réalisation de l'invention. La machine FSPM 10 comprend un rotor 11 et un stator 12. Le rotor 11 forme un élément entraîné destiné à tourner autour d'un axe et à transmettre un couple mécanique aux roues à l'aide d'un arbre de transmission. Le stator 12 forme un élément d'entraînement, ou élément moteur, destiné à être maintenu fixe et à générer un champ électromagnétique apte à faire tourner le rotor 11. Le rotor 11 comprend une portion annulaire centrale 13 et un arrangement annulaire de dents périphériques 14 disposées sur la surface circulaire externe 15 de la portion annulaire centrale 13. Les dents périphériques 14 s'étendent en saillie vers l'extérieur selon une direction radiale depuis le périmètre circulaire externe 15 de la portion annulaire centrale 13 vers le stator 12.

Le stator 12 comprend un arrangement annulaire de modules 16 stratifiés en forme de U et d'aimants permanents primaires 17, deux modules 16 adjacents étant séparés l'un de l'autre par un aimant permanent primaire 17. Les modules 16 en forme de U comprennent deux branches 18 s'étendant dans une direction radiale vers le périmètre circulaire interne 12i du stator 12, c'est-à-dire vers le rotor 11. La figure 3 présente une vue d'un module 16 stratifié en forme de U de la figure 2. Les deux branches 18 du module 16 sont séparées l'une de l'autre par une portion intermédiaire 19 s'étendant entre les deux branches 18 selon une direction curviligne. Chaque branche 18 comprend une extrémité libre 18a et une extrémité de base 18b solidaire de la portion intermédiaire 19. Les deux branches 18 et la portion intermédiaire 19 définissent un logement primaire 20 destiné à recevoir des enroulements compacts 21 bobinés autour d'un pôle 30, ou dent, du stator 12, un pôle 30 de stator comprenant un aimant permanent primaire 17 et la branche 18 adjacente de chacun des deux modules 16 adjacents comme cela est illustré sur la figure 2.

L'extrémité libre 18a de chaque branche 18 comprend une branche additionnelle 22, ou dent secondaire, formant un logement secondaire 23. Chaque branche additionnelle 22 comprend une première portion 22a et une seconde portion 22b. La première portion 22a s'étend en saillie de la branche 18 en direction de la branche opposée 18 du même module 16 en forme de U. La première portion 22a est relativement perpendiculaire à la branche 18 à partir de laquelle elle s'étend. La seconde portion 22b s'étend en saillie de la première portion 22a dans une direction relativement parallèle à la branche 18 à partir de laquelle la première portion 22a s'étend, c'est-à-dire dans une direction relativement perpendiculaire à la première portion 22a, et vers le périmètre circulaire interne 12i du stator 12, c'est-à-dire dans une direction opposée à la portion intermédiaire 19 du module 16. L'espace ainsi formé entre l'extrémité libre 18a, la première portion 22a et la seconde portion 22b de la branche additionnelle 22 correspond au logement secondaire 23. Comme illustré sur la figure 2, le stator 12 comprend un aimant permanent secondaire 24 disposé dans chaque logement secondaire 23.

Chaque aimant permanent secondaire 24 remplit entièrement l'espace du logement secondaire 23 correspondant, réduisant ainsi la portion du périmètre circulaire interne 12i du stator 12 exposé et apte à résister à l'air. Les aimants permanents secondaires 24 permettent d'augmenter le couple mécanique délivré par la machine FSPM 10 pour une tension donnée par rapport à l'état de la technique en réduisant la composante quadratique du couplage de flux magnétique entre le stator 12 et le rotor 11. Comme cela est illustré par les flèches indiquées à l'intérieur de chaque aimant permanent primaire 17, les aimants permanents primaires 17 sont magnétiquement polarisés selon une direction circulaire en alternant les sens de polarisation entre deux aimants permanents primaires 17 successifs. Un aimant permanent primaire 17 ayant une polarisation circulaire droite sera donc entouré de part et d'autre par deux aimants permanents primaires 17 ayant une polarisation circulaire gauche. Pour réduire la composante quadratique du couplage magnétique de flux, les aimants permanents secondaires 24 sont magnétiquement polarisés selon une direction radiale comme cela est indiqué illustré sur la figure 2 par les flèches à l'intérieur des aimants permanents secondaires 24. Dans le mode de réalisation illustré, deux aimants permanents secondaires 24 disposés de part et d'autre d'un aimant permanent primaire 17 ont des sens de polarisation magnétique opposés.

Par conséquent, en considérant un pôle de stator 30 donné, si un aimant permanent primaire 17 est polarisé magnétiquement selon une direction circulaire horaire droite l'aimant permanent secondaire 18 disposé avant, dans le sens horaire, appartenant à la même dent principale 30 est polarisé radialement vers l'intérieur, c'est-à-dire vers le rotor 11, et l'aimant permanent secondaire 18 après appartenant au même pôle de stator 30 est polarisé radialement vers l'extérieur, c'est-à-dire à l'opposé du rotor 11. La polarisation magnétique des aimants permanents secondaires 18 sera inversée dans le cas d'un aimant permanent primaire 17 ayant une polarisation circulaire gauche. L'invention fournit un stator amélioré d'une machine synchrone à aimants permanents à commutation de flux dans lequel le couplage de flux selon l'axe quadratique de la machine synchrone peut être réduit, et fournit également une machine synchrone à aimants permanents à commutation de flux ayant un rendement de couple mécanique par rapport à la tension d'entrée plus important.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1. Stator d'une machine électrique à commutation de flux (12) comprenant un arrangement annulaire de modules (16) en forme de U séparés par des aimants permanents primaires (17), chaque module (16) en forme de U comprenant deux branches (18) chacune adjacente à un aimant permanent primaire (17) distinct, chaque aimant permanent primaire (17) formant avec la branche (18) adjacente de chaque module (16) adjacent une dent principale (30) s'étendant vers la circonférence interne du stator, les dents principales (30) étant séparées par des logements primaires (20) formés par l'espace interne de chaque module (16), le stator (12) comprenant des dents secondaires (22) aptes à définir des logements secondaires (23), caractérisé en ce que le stator (12) comprend des aimants permanents secondaires (24) disposés dans les logements secondaires (23).
2. 2. Stator (12) selon la revendication 1, dans lequel chaque module (16) comprend deux dents secondaires (22), chacune des dents secondaires (22) étant apte à définir avec une dent principale (30) un logement secondaire (23).
3. 3. Stator (12) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les aimants permanents secondaires (24) disposés dans les logements secondaires (23) ont une magnétisation radiale.
4. 4. Stator (12) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les deux aimants permanents secondaires (24) disposés de part et d'autre d'un aimant permanent primaire (17) possèdent des sens de magnétisation opposés.
5. 5. Stator (12) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les aimants permanents secondaires (24) comblent tout l'espace des logements secondaires (23).
6. 6. Machine électrique à aimants permanents à commutation de flux à dents multiples (10) comprenant un stator (12) selon l'une des revendications 1 à 5.