CA2191128A1

CA2191128A1 - Machine electrique a courant alternatif polyphase sans collecteur

Info

Publication number: CA2191128A1
Application number: CA002191128A
Authority: CA
Inventors: Pierre Couture; Bruno Francoeur
Original assignee: Individual
Current assignee: Hydro Quebec
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1996-06-06
Also published as: EP0795229A1; AU3865695A; US5753991A; WO1996017429A1; JPH11500897A; AR000493A1; CN1157675A; TW280964B; TR199501515A2; MX9700858A; BR9508702A

Abstract

La machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur comprend une armature de rotor ayant une surface pourvue d'encoches et de parties en saillie parallèles disposées en alternance. Chacune de ces encoches a une ouverture sur la surface du stator qui est substantiellement aussi large que la partie la plus large de l'encoche correspondante. La machine comprend également une armature de rotor ayant une surface pourvue d'aimants ayant des sections de surface respectives faisant face aux encoches et aux parties en saillie. Toutes les sections de surface des aimants produisent une densité de flux magnétique ayant une composante d'amplitute moyenne Br(.theta.) perpendiculaire à la surface correspondante du stator et qui est substantiellement définie par l'équation (I), où La(.theta.) est défini par l'équation (II) où .theta. est une position angulaire en radians par rapport à une position de référence sur l'armature de rotor. Br(.theta.) est une composante d'amplitude moyenne à la position angulaire .theta.. Lv(.theta.) est la distance d'écart entre les parties en saillie et la surface de l'armature de rotor à la position angulaire .theta.. Mr(.theta.) est une composante de l'induction résiduelle des aimants à la position angulaire .theta., Mr(.theta.) étant perpendiculaire à la surface correspondante du stator et alternant avec une période correspondant à 4.pi./K. K est un nombre pair représentant toutes les sections de surface et C est une constante arbitraire. La présente invention concerne également une méthode pour opérer la machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur.

Description

WO9fi/17429 2T9112~ }'CT1C~951~0651 .
IQ~CHINE ~T.Rr~TQrJE A COURANT ATTR~lJa'rTli POLYPHASÉ
SANS rf~r~T~T~y rRrrR
.
DnmA; n~ de l' i nv~ntion 5 La présente invention concerne une machine électrique a courant alternatif polyphasé ayant une armature de stator et une armature de rotor.
Description de l'~rt Ant~5ri~1lr Il existe dans l'art antérieur une machine rotative cylindrique ayant un rotor extérieur et un stator intérieur. Dans ce type de machine, des aimants sont fixés sur la paroi interne de la tête de cylindre d'acier de la machine. Ces aimants produisent un champ magnétique 15 qui est CAnA~ autour d'une série de con~ e--rs au moyen de parties d'acier en saillie. Des courants electriques circulent à travers les conducteurs et r~5A~ ont avec le champ magnétique produit par les aimants, pour ainsi induire un couple de rotation. En contrôlant ces courants 20 électriques, il est possible de contrôler la grandeur et le sens du couple de rotation.
Il existe aussi dans l'art antérieur le brevet américain No 5, 327, 034 (COUTURE et al . ), délivré le 5 juillet 1994. Le moteur-roue électrique montré dans ce 25 brevet est plus particulièrement utilise comme un système d'entr~ î n L où le moteur est contenu dans une roue . Le rotor entraîne directement sans contact électrique une jante ~U~JpnL Lc~llL un pneu. Le stator est fixé à une partie centrale de la roue. La performance en opération de cette 30 machine dépend, d'une part, de la géométrie du circuit ~^~nét;que employée et, d'autre part, de la caractéristique de chacun des champs magnétiques produits par les courants électriques et par les aimants. Plusieurs facteurs doivent être pris en conci~5ration pour dét~rm;n~r la performance 35 d'une telle machine electrique.
Premièrement, nous devons considérer l'effet de la

2 1 9 ~ 1 2 8 PCT~CA95/00651 .

force du champ maqnétique produit par le courant dans les du~;Lt:uLD sur la distribution de la densite de flux dans l'armature de stator. Le circuit magnétique du stator est composé de lamelles de métal ayant uhe courbe de 5 magnétisation non lineaire. Cette courbe montre une p~:L ' h; 1 i té initiale élev~e jusqu'à ce qu'elle atteigne un certain niveau de force magnétique où elle tombe à une valeur équivalente a la peL '-h; lité de l'air. La distribution de la densité de flux dans les lamelles de 10 métal résulte de l'addition de la force des champs magnétiques produits par le courant dans les GonAl~rtellrs et par les aimants, en tenant compte de la courbe de magnétisation. Lors~aue la machine est en opération dans la région de haute perméabilité de la courbe de 15 magnétisation, la densite de flux augmente proportionnellement avec l'accroiF~ L du courant dans les conducteurs pour ainsi faire augmenter le couple de rotation résultant. Dans ce cas, le champ magnetique résultant de la somme des deux souPces est maintenu en 2~ dessous du seuil de saturation dans toutes les regions du circuit magnétique. Le courant dans les conducteurs peut être augmenté jusqu'à un niveau où la force magnétique totale va au-dela du seuil de saturation et où la densité
de flux ne suit plus de façon proportionnelle. Ce ~ survient dans les regions du circuit magnetique où les deux forces magnétiques sont cumulatives. A ce moment, le couple de rotation est sujet à une distorsion, cesse d'augmenter de facon linéaire et tend à se saturer avec l'accr~; FF' L du courant dans les conducteurs .
Deuxièmement, la fluctuation de la densite de flux dans les lamelles de metal du stator est un facteur qui produit des pertes liées aux effets d~hystérésis et aux courants de Foucault. Ces pertes sont proportionnelles aux harmoniques contenus dans la densité de flux.
Troisièmement, le couple de détente produit par l'attraction entre chacun des aimants et les parties en WO961174t9 2 1 ~ l 1 2 8 PCr1CA95100651 saillie pendant la rotation du rotor doit être pris en considération. De plus, les harmoniques de couple générés par le produit des courants de conducteurs avec le champ magnétique des aimants s'a joutent au couple de détente .
Quatrièmement, le puuLctllLage de r~ sA~e de l'espace rl i ~pnn i hle dans les ~nCo~ hP~ par les conducteurs de cuivre inf luence le poids de la machine et la conductivité thermique entre les conducteurs de cuivre et l'acier .
Cinquièmement, la géométrie du circuit magnétique doit être employée pour cAnAl i ~Pr de façon maximale la densité de flux sans atteindre cepPn~Ant la saturation, pour ainsi minimiSPr le poids total de la machine.
Nous constatons donc que, lorsque la machine est en 15 opération, plusieurs f acteurs survenant en même temps doivent être considérés pour améliorer l'efficacité de la machine. Tous ces facteurs influencent de façon i LclllLe les performances de la machine lorsque celle-ci est employée comme moteur-roue.
Il existe dans l'art antérieur, un livre de J.R.
HENDERSIIOT Jr. intitulé "Design of ~rushless rPr~nPnt magnet motorsn qui propose différentes géométries permettant d'Pl ;minPr partiellement les problèmes mentionnés ci-dessus. Dans ce livre, certaines règles sont proposées pour la conception d'une machine à aimants avec un rotor extérieur. Le rotor est fait d'une tête de cylindre cylindrique munie d'aimants de forme rectangulaire. Le stator est fait de parties en saillie obliques qui devient d'un pas d'encoche le long de leur longueur axiale respective par rapport au rotor. Les parties en saillie du stator doivent être munies d'extrémités recouLl.ées recouvrant partiellement les encoches afin de peL L~L~: une ouverture minimale nPrpccA i re pour insérer les conducteurs un par un dans l'encoche CoLL~,~L,., ,-9Ante. Les extrémités recourbées doivent avoir une épaisseur relativement uniforme afin WO 96117429 2 1 ~ I 1 2 8 PCTICA95/00651 d'~nr~-h~r la saturation par le champ magnétique des aimants .
Dans ce type de machine, la partie oblique de chaque encoche du stator réduit le couple de détente. Cette 5 encoche oblique induit un ~hrh~e~ge yL~Lessif du couple de détente le long de la longueur de chacune des parties en saillie du stator de facon à ce que, globalement, tous les harmoniques soient annulés. L'encoche oblique a été
utilisée dans l'appareil décrit dans le brevet américain No 10 5,327,034. Cette solution peut sembler simple, mais d'un point de vue pratique, elle augmente la complexité de la construction. De plus, cette solution est difficile à
réaliser dans le cas ou la longueur axiale du stator le long de l'axe de rotation est relativement courte. Grâce 15 aux extrémités Le:-uull,ées, il egt possible de rAnAli~-~r une partie substantielle du champ magnétique tout en m;n;m;~Ant la quantité d'aimants n~ ires pour produire un champ magnétique autour des conducteurs. C~r~n~nt~ à
cause de ces mêmes extrémités re~uulJées, les conducteurs 20 doivent être inserés dans l'encoche ~oLr~ oll~Ante un par un. Ainsi, l'emploi de o r~n~ tellrs de section l~ Lvc:L ,ale rectangulaire est presque; -~5ihle parce qu'il est très difficile d'empiler les conducteurs en ordre dans 1 ' encoche . Également, à cause de ces extremités 25 Lecuu~Lées, il est; _s~;hle d'utiliser des conducteurs larges ayant une coupe transversale rectangulaire.
De plus, à cause des extrémités recourbées, il y a une augmentation de la force du champ magnétique généré
par les courants de conducteurs, produisant ainsi une 30 fuite du flux magnétique induit par les extrémités rc:cuuLLées d'une même encoche. En ajoutant la force du champ magnétique générée par les aimants, la force du champ totale dans les régions où ce champ est cumulatif atteint, à un bas niveau de courant, le seuil de 35 saturation. La partie linéaire de la courbe du couple versus le courant de la machine est limitée à une valeur WO96/17429 2 1 9 1 1 28 Pc~r/cA95/00651 .

de courant basse.
Il existe également dans l'art antérieur un article de IEEE No 0018-9464/88/1100-2901 LLc-l,L une machine linéaire ayant un stator sans partie en biais par rapport 5 au rotor. Dans ce type de machine, un aimant Ieu~,ln~ulaire ayant une magnétisation uniforme est employé. Cet aimant est utilisé avec un stator sans partie en biais qui est muni de parties en saillie dépourvues d'Pn~Q~!hP~ avec des extrémités r ~:cuuL~,ées. La largeur w de l'aimant est égale a (n+0.14)p où n est un entier et p représente le pas d'encoche. Le ratio y/p, qui représente la largeur y d'une partie en saillie du stator sur le pas polaire p, est égale à 0,5. Dans ce type de machine, la ~ ~nte fnnr~ ~ale du couple de 15 détente est Pl i m; nPe . La ~ f ' ~ale du couple de réluctance d'une partie en saillie, qui quitte par un des côtés de l'aimant cuLL~-L,ol-~lAnt, annule la ~ Ante f ondamentale du couple de réluctance de la partie en saillie qui suit, cette seconde ~r~nte fnnr~ ~ale 20 arrivant a l'aimant par son autre côté. Ainsi, il reste seulement les harmoniques de couple de basse amplitude.
Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque le ratio y/p est de 0,5. Avec cette solution, la 1ull~LLuuLion de la machine est simplifiée, mais tous les effets negatifs 25 mentionnés ci-haut ne sont pas r51 iTm;n~T~. Il est à noter que le flux produit par une des parties en saillie du stator évolue selon une forme trapézoïdale durant la rotation. Cette forme est due a la forme rectangulaire des aimants. La densité de flux dans les projections et 30 dans les parties restantes du stator ~ ld plus d'un harmonigue. Chaque harmonique induit un courant de Foucault qui génère une perte qui s'ajoute à la perte totale de la machine. Ces pertes s'additionnent aux pertes dues à la u, --Ante f~n~lAT tale. Aussi, la forme du 35 flux capté par les enroulements dépend de la facon dont le stator a été enroulé. Avec un enroulement simple, c'est-à-Wo 96117429 2 1 ~ 1 1 2 8 PCr1~A95100651 dire une phase par encoche par pôle, il y a présenced'hc~L ;~ q de flux ClUi causent une ondulation de couple si les courants dans les phases sont sinusoidaux. Il est toujours poqqihl~ de réduire l'ondulation en augmentant le 5 nombre dtpnrorh~q par pôle et en employant des enroulements qui s'imbriquent l'un dans l'autre pour filtrer les harmoniques de f lux mais, dans ce cas, la complexité
de l'assemblage est augmentée. Finalement, le ratio y/p limite les géométries possibles.
Il existe également dans l'art antérieur, un dc_ L
intitulé "A Novel High Power Density Pl::LIIIallell~ Magnet llotor Drive For Electric VehiclesV publié dans le compte rendu du Symposium EVS ll, 1992. Cette machine est pourvue d'aimants rectangulaires et utilise une autre technique 15 pour prévenir le couple de détente. Ces aimants rectangulaires sont collés à la paroi interne du rotor.
Le stator comprend des parties en saillie avec des extremités ~t:cuuLl,ées qui couvL~llL partiellement les c~nro~!hc~q. Les ~nror.h~c sont remplies avec des conducteurs 20 circulaires. La proportion du nombre de pôles du rotor par rapport au nombre d~r-n~-~rh~q du stator est de ll/lO.
L'objet de ce qui est proposé dans ce (lnl_ L est de réduire le couple de détente. La proportion du nombre de 25 pôles du rotor par rapport au nombre de pôles du stator entraîne une division. Le couple résultant de la somme des couples induits par chacun des pôles de rotor sur le stator est uniforme. Mais les problèmes de perte dans la lamelle de métal associés aux harmoniques de fIux sont 30 toujours présents. Lorsque la machine est en opération sous charge, pour obtenir un couple de charge uniforme, les uuuLallLs dans les enroulements doivent être de forme trapézoïdale. Ces harmoniques de courant produisent une perte additionnelle due a l'effet de peau (effet kelvin).
35 Il est à noter que cette machine utilise également des parties en saillie avec des encoches munies d'extrémités WO 96/17429 2 ~ ~ ~ 1 7 ~ PCT/CA9S/006SI

L ~CUUL l,~es .
Il existe également dans l'art antérieur le brevet américain No 3,604,961. La machine décrit dans ce brevet est de type à courant continu et utilise un stator avec 5 des pôles ayant des aimants permanents formés de façon à
réduire le couple de détente lorsque l'armature de rotor tourne. La machine a un rotor muni de parties en saillie et d ' ~nrorh~c 6ans extrémités recouL l,~es . Les poles de stator CUUVL~ une partie périphérique du rotor avec un 10 entrefer constant. Le couple de détente de la machine résulte de la variation de la pe~ ~hi 1 i té induite par la succession des F-nrorh~ et des parties en saillie du rotor passant devant chacun des pôles du stator. Un pôle produit un couple de détente alternatif avec des maxima 15 positifs et négatifs ayant la même grandeur. Dans une machine ~Lalld~d de ce type, les pôles sont distancés l'un de l'autre de 180 électrique. Les maxima positifs et négatifs du couple de détente produit par chacun des pôles contribuent à l'augmentation du couple de détente global.
20 Il est possible de déphaser un pôle sur deux d'un angle donné de façon a ce que le maximum positif de la moitié
des pôles cuL~ -d~ au maximum négatif de l'autre moitié.
Ainsi, la somme des couples de detente produits par une moitié des pôles annule la somme des couples de détente 25 produits par l'autre moitié. La géométrie des pôles proposés consiste à enlever une partie de chacun des pôles. Les parties enlevées sont adjacentes d'un pôle à
l'autre. Ainsi, il est possible d'obtenir le déphasage d'un pôle sans déphaser physiquement le pôle en entier. Grâce 30 à cette méthode, la ~;-,Il,,LLu~;Lion du moteur est simplifiée.
r.,p,,n,lf,nt, a cause du profil plat des pôles, des harmoniques de flux sont produits le long des parcours magnétiques, ce qui augmente les pertes dans le fer.
Il existe aussi dans l'art antérieur les brevets 35 américains suivants Nos 5,162,684; 5,206,556: 5,170,084;
et 5,204,560. Tous ces brevets montrent des moyens pour WO 96/l7429 2 1 9 1 1 2 ~ PCI'I~:A9S/006SI

produire un flux substantiellement ~iml~oi~lAl dans un pôle de l'armature rotative d'une machine à courant continu munie de collecteurs . Ce f lux sinusoïdal est produit par des aimants montés sur 17armature de stator. En opération, cette méthode permet de réduire le couple de détente.
CPp~n~lAnt, chacune des r-t~hi nf~c: décrites dans ces brevets emploie des collecteurs, ce qui augmente la complexité de ces r--h i n~c et demande plus d'entretien .
Il existe aussi dans l'art antérieur les brevets américains suivants Nos 4,940,912; 4,994,702; 4,341,969;
5,142,179; 4,980,594; 4,876,472; 5,105,113; 3,234,416; et 2,695,370. Aucun de ces brevets ne résout, dans un même temps, le problème du couple de détente et le problème des pertes dans le fer Accoci ~c à la production d'harmoniques .
Un premier objet de la présente invention est de proposer une machine électrique a courant alternatif polyphasé sans collecteur ayant une courbe du couple par rapport au courant qui est linéaire à l'intérieur d'une large bande de courant.
Un deuxième objet de la présente invention est de proposer une machine électrique a courant alternatif polyphasé sans collecteur qui a de faibles pertes dues à
la distorsion harmonique de la densité de flux dans l'armature du stator.
Un troisième objet de la présente invention est de proposer une machine électrique a courant alternatif polyphasé sans collecteur ayant un faible couple de détente entre l'armature du rotor et l'armature du stator, sous charge et à vide.
,cnMMATRF DE L' TRVRNTION
La présente invention propose une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur comprenant:
une armature de stator ayant une surface pourvue d'encoches et de parties en saillie parallèles 19i qpQC~C.C

21~1 128 en alternance, chacune desdites ~nt~orhp~ ayant une UUVC:LLULC: sur ladite surface, chacune desdites uuveLLuL~s etant :,u~:,L~IILiellement aussi large que la partie la plus large de l'encoche coLLe~ Ante; et 5 une armature de rotor ayant une surf ace pourvue de moyens de magnétisation permanents ayant des sections de 6urface respectives faisant face auxdites encoches et parties en saillie, chacune desdites sections de surface faisant face à un nombre desdites ~nrorhP~ cuLL~ Ant à un nombre de phases de ladite machine, toutes lesdites sections de surf ace desdits moyens de magnétisation produisant une densité de flux magnétique ayant une composante d'amplitude moyenne Br(~) perpendiculaire à la surface corrP~pon~lAnte du stator, qui est 15 ~iulJ:,Lcu~Liellement définie par l'équation suiYante:
Br(~3)=Mr (~3) La(~) / ` ( où L,(~) est défini par l'équation suivante:
a ¦ y~(~) ( 2 ) ¦
où ~3 est une position angulaire en radians par rapport à
une position de référence sur ladite armature de rotor;
Br(~) est ladite ~ -aAnte d'amplitude moyenne à ladite 20 position An~llA;re ~; Lv(~3) est une distance d'écart entre lesdites parties en saillie et ladite surface de ladite armature de rotor à ladite position angulaire ~; Mr(~) est une - te d'induction résiduelle desdits moyens de magnétisation à ladite position angulaire ~3, Mr(~) étant 25 perpendiculaire à la surface cuL~ Ante de l'armature du stator, Mr(~3) alternant selon une période coLLe,,~ulldant à 47~/K; K est un nombre pair représentant toutes lesdites sections de surf ace; et C est une constante arbitraire;
ainsi, en opération, ladite armature de rotor est couplée 30 magnétiquement à ladite armature de stator et permet de w096/17429 2 1 9 1 1 2 8 PCT/CA9SiO0651 .

réduire les pertes dues à la distorsion harmonique de la densité de flux magnétique dans ladite C~LlllClLULe de stator, d'avoir une courbe de couple par rapport au courant qui est linéaire à l'intérieur d'une large bande de courant et de 5 réduire le couple de détente entre ladite armature de stator et ladite armature de rotor.
La présente invention propose également une méthode d'opération d'une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur, c, ~:.lant les étapes de:
coupler magnétiquement une armature de stator pourvue d'enroulements avec une armature de rotor, l'armature de stator ayant une surface pourvue d'encoches et de parties en saillie parallèles disposées en alternance, chacune desdites encoches ayant une UUVt:~ ~UL~
15 sur ladite surface, chacune desdites UUV~LLuL~s étant substanti~ L aussi large que la partie la plus large de 1'encoche U CILL~ Le, l'aLI~ICILUL~: de rotor ayant une surface pourvue de moyens de magnétisation permanents ayant des sections de surface respectives faisant face 20 auxdites ~ - u~ et parties en saillie, chacune desdites sections de surface faisant face à un nombre desdites ~ncorh~c CuLL~ nt à un nombre de phases de la machine, toutes lesdites sections de surf ace desdits moyens de magnétisation produisant une densité de flux 25 magnétique ayant une, --~nte d'amplitude moyenne B~
perpendiculaire a la surface ~oLL~ nte de 1'~LIIICILUL~:
du stator, qui est ~uI,:,L~lllLiellement définie par l'é~uation suivante:
Br(~3)=Mr(~ L3(~)/L;(a) où L,(~) est défini par l'équation suivante:
[ CL~ I~) ( K ~3 ) ]
30 où ~ est une position angulaire en radians par rapport à

Wo 96ll7429 ;~ ~ 9 1 I Z ~3 PCr~A951006SI
.

une position de référence sur ladite armature de rotor;
Br (~ ) est ladite u -~nte d'amplitude moyenne a ladite position angulaire ~; L~ ( ~ ) est une distance d'écart entre lesdites parties en saillie et ladite surface de ladite 5 ~LIuclLuLe: de rotor à ladite position angulaire ~3; Mr(~3 ) est une ~ ~e de l'induction résiduelle desdits moyens de magnétisation à ladite position angulaire ~, Mr(~) étant perpendiculaire à la surface ~oLL~ ol.dante de l'armature du stator, Mr(~) alternant selon une période cuLLt~u-ldant 10 à 4~/K; K est un nombre pair rc:~L~:se-lLant toutes lesdites sections de surf ace; et C est une constante arbitraire; et alimenter les enroulements du stator, ainsi, en opération, ladite armature de rotor est couplée magnétiquement à
ladite dLIuaLuL~ de stator tout en réduisant les pertes 15 dues à la distorsion harmonique de la densité de flux magnétique à l'intérieur de ladite armature de stator, en ayant une courbe de couple par rapport au courant qui est linéaire à l'intérieur d'une large bande de courant et en réduisant le couple de détente entre ladite armature de 20 stator et ladite armature de rotor.
Les objets, avantages et autres caractéristiques de la présente invention seront mieux compris à la lecture non limitative qui suit de modes de réalisation préférés de l'invention, fait en se référant aux dessins annexés 25 décrits ci-après.
RRR~ IR.~il 'K I 1'l l~ ,r)R! FI~'rrRR.C
La figure l est une vue partielle de côté en coupe 30 des armatures de stator et de rotor d'une machine électrique à courant alternatif polyph~sé sans collecteur selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention;
La figure 2 est une vue partielle de côté en coupe 35 des armatures de stator et de rotor d'une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur WO 96/17429 2 7 9 1 7 2 8 PCr~A9S/00651 .

selon un deuxième mode de realisation préféré de l'invention;
La fiqure 3 est une vue partielle de côté en coupe des armatures de stator et de rotor d'une machine 5 électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon un troisieme mode de réalisation préféré de la présente invention;
La figure 4 est une vue partielle de côté en coupe des aL.,Ic~LuLes de stator et de rotor d'une machine lO électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon un quatrieme mode de réalisation préféré de la présente invention;
La f igure 5 est une vue partielle de côté en coupe des armatures de stator et de rotor d'une machine 15 électrique a courant alternatif polyphasé sans collecteur selon un cinquième mode de réalisation preféré de la présente invention;
La figure 6 est une vue partielle de côté en coupe des aLlllCLLUL~:S de stator et de rotor d'une machine 20 électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon un sixième mode de réalisation préféré de la presente invention;
La figure 7 est une vue partielle de côté en coupe des aLll~ClLUL~:S de stator et de rotor d'une machine 25 électrique a courant alternatif polyphasé sans collecteur selon un septieme mode de réalisation préféré de la présente invention;
La figure 8 est une vue partielle de côté en coupe des armatures de stator et de rotor d'une machine 30 électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon un huitiame mode de réalisation préféré de la présente invention;
La f igure 9 est une vue partielle de côté en coupe des armatures de stator et de rotor d'une machine 35 électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon un neuvieme mode de réalisation préféré de la WO96/17429 2 1 9 1 1 28 PCr1CA95100651 présente invention;
La figure lO est une vue partielle en coupe transversale le long des lignes X-X LL~es à la figure l selon un mode de réalisation préféré de l'invention;
La f igure ll es~ une vue partielle en coupe transversale le long des lignes X-X montrées à la figure selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention; et La figure 12 est un diagramme LLa11~ la relation entre le courant I et le couple T lorsque la machine est en opération.
DTi.TATT.T.RR l~R.~ DR.'~ T~':
Il est à noter que pour les besoins de la présente description, les mêmes numéros de reférence sont utilisés pour désigner des éléments similaires dans les figures.
La f igure l montre une vue partielle de côté en coupe des armatures de stator et de rotor d'une machine électrique a courant alternatif polyphasé sans collecteur.
Cette machine comprend une armature de stator 2 ayant une surface pourvue d'encoches 8 et de parties en saillie 7 parallèles et ~ pos~-~c en alt~rn~nre. Chacune des ~nr~rhf~ 8 a une UUVL LUL~: 40 sur la surface de l'armature de stator 2 . Chacune des UUVeL LuLes 40 est ~,ul,:,~dl~iellement aussi large que la partie la plus large de l'encoche UUL ~ y~n~dlI~e 8.
La machine comprend également une allllaLUL~: de rotor l ayant une surface 44 pourvue de moyens de magnetisation pPrr-n~nts 3 ayant des sections de surface 42 respectives faisant face aux ~ncorh~c 8 et aux parties en saillie 7.
Chacune de ces sections de surface 42 fait face a un nombre d'~nrorh~c 8 corr~cpon~nt au nombre de phases de la machine. Préférablement, dans le présent cas, chacune des sections de surface 42 fait face à trois encoches 8. Il s'agit donc d'une machine triphasée.

Wo 96/17429 2 1 7 1 ~ 2 8 PCT/CA95100651 Toutes les sections de surface 42 des moyens de ~-gn~tication 3 produisent une densité de flux magnétique ayant une cr-rQs 1nte d'amplitude moyenne Br(~) perpendiculaire à la surface coL~ u..dante du stator 2, 5 laquelle est substantiellement définie par l'équation suivante:
Br~3)=Mr (~ L~3) /L (~) où L,(~) est défini par l'équation suivante:
[ ~ ( 2 )~
où ~3 est une position ~n~ i re en radians par rapport à
une position de reférence sur l'armature de rotor l. Br(~) lO est la ~ e d'amplitude moyenne à la position angulaire ~. L~(~) est une distance d'écart entre les parties en saillie 7 et la surface 44 de l'armature de rotor l à la position angulaire ~3. Mr(~) est la c~mros~nte d'induction residuelle des moyens de magnetisation 3 à la 15 position angulaire ~. Mr(~) est perpendiculaire à la surface co~L~ uu..dc~ e sur le stator 2. M,(~) alterne selon une période uuLL~Lrr~ nt à 47r/K. K est un nombre pair représentant toutes les sections de surface 42 et C est une constante arbitraire.
Grace aux caractéristiques mentionnées ci-haut, il est possible d'obtenir une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur ayant une courbe du couple par rapport au courant qui est lineaire dans une large bande de courant.
Il est aussi possible d'obtenir une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur qui a de faibles pertes dues à la distorsion harmonique de la densite de f lux dans l'armature de stator .
Il est également possible d'obtenir une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur Wo96/17429 2 ~ Pcr1cA95100651 .

ayant, pour des modes d'opération sous charge et à vide, un couple de détente faible entre l'armature de rotor et l'armature de stator.
Aussi, il est possible d'obtenir une machine 5 électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur pouvant utiliser des bobines de conducteurs de section carrée enroulées sur l'armature de stator 2.
Préf érablement, l'armature de stator 2 a une f orme cylindrique. La surface pourvue d'~ uuul,es 8 et de parties 10 en saillie 7 parallèles forme à la surface externe de 1I~LIIICILUL~ de stator 2. L'armature de rotor 1 a une forme cylindrique. La surface 44 pourvue des moyens de magnétisation permanents f orme une surf ace interne de l'armature de rotor 1.
Préférablement, la .;, -nte d'amplitude moyenne ~r( ~3 ) est une GomroSAnte radiale . Chacune des encoches 8 a une section rectangulaire. Les moyens de magnétisation permanents ~ llrlent une série d'aimants permanents 3 faits d'un matériau homogène. Chacun de ces aimants 3 a 20 une épaisseur, par rapport à la position angulaire ~, déterminée substantiellement par LA ( ~ ) . Chacune des parties en saillie 7 se termine de façon carrée.
En opération, la méthode d'opération de la machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur 25 illustrée à la figure 1, ~ d les é~apes de coupler magnétiquement l'armature de stator 2 pourvue des enroulements 6 avec l'armature de rotor 1, et alimenter les enroulements 6 du stator 2. Ainsi en opération, 1'~LIII~LUL~
de rotor 1 est couplée magnétiquement à l'armature de 30 stator 2, tout en permettant de reduire les pertes dues à
la densité de flux magnétique dans l'armature de stator 2, d'avoir une courbe du couple par rapport au courant qui est linéaire pour une large bande de courant et de réduire le couple de détente entre l'armature de stator 2 et 35 l'armature de rotor 1.
selon une réalisation préféree, le rotor cylindrique Wo 96/17429 ;~ l 9 1 1 2 ~ PCr/CA9S/00651 .

1 comprend une tête de cylindre 4 fait d'acier et un nombre K d'aimants 3 montés sur la paroi interne de la tête de cylindre 4, K étant un entier pair. La tête de cylindre 4 du rotor 1 est séparée du stator cylindrique 2 par une 5 distance L~. Le stator 2 est fait de lamelles de métal 5 magnétique6 formant une série de parties en saillie 7 et d'-~n-~o-~h-~ 8 non obliques. Ces encoches 8 6'0uvrent en direction du rotor 1.
Préférablement, des conducteurs 6 de section 10 rectangulaire sont montés dans les encoches 8. ~ous les ,1~".1..~ læ~r:, 6 montés dans une meme encoche 8 coLL~LJ~ rl~nt à une même phase. Le nombre de phases peut varier de deux à N, N étant un entier plus grand que deux. Le stator 2 a N encoches 8 pour chaque aimant 3 du rotor 1. Le nombre 15 total d'encoches 8 ou de parties en saillie 7 est égal à
N-K.
Préférablement, chaque aimant 3 a une force coercitive intr; n~:~que uniforme élevée à l'intérieur du matériau et une p, ~-h; lité magnétique égale a celle de 20 l'air. La tête de cylindre 4 et les lamelles de metal 5 sont faites d'un matériau ayant une p, '-h;l;té magnétique élevee. La courbe de magnétisation de chacune des têtes de cylindre 4 et= des lamelle6 de métal 5 est non linéaire et atteint un seuil de saturation à l'endroit où la 25 peL '-hi l i té décro~t à une valeur égale à celle de l'air.
Chacun des aimants 3 a un profil 9 en forme d'arc 6'hclL ; ~nt avec la paroi interne circulaire du rotor 1.
Chacun des aimants 3 a aussi un second profil opposé 10 déf ini de telle 60rte que son ~p~ ellr radiale L, est 30 définie par:
L (f~) = abs~ C sin( K ~)]
où ~ est une position angulaire en radians par rapport à
une position de référence sur le rotor 1. L,(~) es~

Wo 96~17429 2 1 9 1 1 2 ~ PCr/CA95/0065l l'~r~; ~sel~r radiale de l'aimant 3 à une position angulaire ~. Mr(~) est la ~ nte radiale d'induction résiduelle de l'aimant 3 à la position angulaire ~, et alterne 6elon une période corr~pon~lAnt à 4~r/K. K est un nombre pair 5 représentant tous les aimants 3 sur la périphérie du rotor 1. C est une constante.
La densité de flux canalise par une partie de saillie 7 est substantiellement produite par la portion d'aimants contenue dans le volume 11 situé entre l'extrémité de la 10 partie en saillie correspor~ nte 7 et la tête de cylindre 4. L'amplitude moyenne de la ,~6~nte radiale de la densité de flux Br(~3) dans une section du volume 11 est déf inie par:
~3r(~3) = Mr(~)-La(~)/L
o~ Lv est la distance d'écart entre la partie en saillie 7 15 du stator 2 et la tête de cylindre 4 du rotor 1. Br(~) est sinusoidal parce que Mr(~) alterne de 180 d'un aimant à
l'autre. Il est possible de définir Br(~) par:
3r (~ sin(K ~3/2 L
La forme de Br(~) est sinusoidale lorsque le rotor 1 tourne. L'equation est valide à la condition que la 20 machine est en opération dans la partie linéaire de la courbe de magnétisation de l'acier. Dans le cas des aimants 3 montrés à la figure 1, L,(~3) varie selon un sinus par rapport ~ la position angulaire ~ parce que Mr(~3) est considéré comme étant constant.
Le courant circulant a travers les conducteurs 6 produit un champ magnétique qui s'additionne a celui produit par les aimants 3. La densité de flux total CUL r ~ u~ld à la somme vectorielle de la densité de flux produit par les aimants 3 et de la densité de f lux produit par les courants à travers les conducteurs 6. Tel qu'illustré ~ la figure 12, la présente invention permet WO96/17429 2 1 9 ~ I ~ 8 PCr1CA9S/00651 d'obtenir une machine rotative dont la courbe du couple par rapport au courant est linéaire pour une bande de courant (a) qui est plus large que celle des r-^hinr~ ~;milAires decrites dans l'art anterieur. Le couple obtenu avec la 5 machine selon la présente invention est la ,_ --~nte tangentielle de la force produite au rayon de l'entrefer.
Cette force résulte du produit vectoriel des courants dans les conrlllrt~llrs avec le champ magnétique produit par les aimants 3.
En opération, le courant de phase dans les encoches 8 alterne avec le flux r~n~ é par les parties en saillie 7 pour produire un couple dans la meme direction. Tant que la machine fonctionne à l'intérieur de la portion linéaire de la courbe de magnétisation de l'acier, le lS produit vectoriel est proportionnel aux courants à travers les conducteurs 6. 1e champ magnétique produit par les aimants 3 s'additionne à celui produit par les c~u~ L~ à
travers les conducteurs 6. En dl ~al.L le courant, une saturation de la densit~ de flux est produite dans les 20 zones où la somme des champs est cumulative.
Ces zones affectées par la saturation agissent sur la distribution du champ dans la machine, ce qui limite une LdLion possible du couple. Le couple ne répond plus de facon linéaire lorsque le courant dans les conducteurs 25 augmente . Une portion du f lux magnétique produit par les conducteurs d'une encoche 8 fuit à travers l'UUVt~L LuLe de cette derniere. Dans le présent cas, grace au fait qu'il n'y ait pas d'extrémités le~;.,ull,ées dans les uuv~LuL~s d'c~n~-o~h~c, il est possible de r~im;s~r la réluctance du 30 parcours magnétique du flux qui s'échappe. La saturation survient donc a un courant beaucoup plus élevé et la courbe du couple par rapport au courant est linéaire pour une bande de courant qui est plus large que celle produite par une machine similaire pourvue d'encoches avec 35 extrémités 7 t~COUr l,ées.
Dans le présent cas, il est préférable d'utiliser des wog6/l7429 2 9 1 1 ~ 8 PCT/CA95/00651 aimants ayant une induction r~ l i e plus elevée pour cn7nr0n~r l'absence des extrémités re-:ouLl,ées dans les ouvertures des encoches.
Selon un autre objet de la présente invention, qui 5 est obtenu avec une r~alisation préférentielle de la pré6ente invention, les encoches ouvertes 8 du stator 2 permettent d'utiliser des conducteurs de section substantiellement rectangulaire pour les enroulements.
Ainsi, il est possible d'obtenir un f acteur de remplissage lO qui est supérieur à celui obtenu avec des conducteurs de section circulaire. Les sections des ~nl-onh~c peuvent donc être plus petites et la longueur des parties en saillie pour canaliser le flux peut être plus courte.
Conséquemment, le poids d'une machine peL L~;~nt d'obtenir 15 un couple t e ' lAhle à celui obtenu par les r--h;n~s décrites dans l'art antérieur est plus petit.
Il est également possible d'utiliser des conducteurs de section ri ctAn~llAire de pleine largeur ce qui augmente la cnn~ r~ivité thermique entre les conducteurs de cuivre et les lamelles d'acier grâce au fait que la surface de contact entre le cuivre et les parois des c~nnonh~cT 8 soit augmentée. Ainsi, il est possible d'améliorer le transfert de l'énergie thermique, produit par l'échauffement des conducteurs 6, vers l'extérieur.
La diminution des pertes dans le fer pour une machine électrique selon la présente invention s'explique de la facon suivante. L'acier du stator 2 canalise un flux qui varie avec la rotation du rotor l. Cette variation du f lux produit des pertes en joules associées d'une part, à
l'effet d'hystérésis de la courbe de magnétisation et d'autre part au courant de Foucault induit dans l'acier des lamelles de métal. L'ampleur des pertes par courant de Foucault est proportionnelle a la fréquence d'oscillation et à l'amplitude de la densité de flux dans l'acier. La valeur totale des pertes uuLLt~ ulld à la somme des pertes produites par chaque harmonique de la densité de flux à

WO96117429 2 ~ q I 1 2 8 PCT/C~9510~651 l'intérieur de l'acier.
La densité de flux dans un endroit spécifique à
l'intérieur d'une des projections 7 est proportionnelle à
Br(~ Ainsi, la densité de flux varie de façon 5 sinusoïdale avec la rotation du rotor 1. La bande intérieure des lamelles de metal 5 du stator 2 est utilisée comme un chemin de retour pour le champ magnétique induit dans les parties en saillie U(./L L r~ es 7 . La densité de f lux cAnA l; Ré u UL Le:,~ul.d 10 à la somme des flux sinusoïdaux, ainsi la somme est aussi sinusoldale. Les pertes associées aux harmoniques autres que la, Le f~ ' tale, à l'intérieur des lamelles de métal 5 du stator 2, sont négligeables par rapport à la perte due à la ~ ~ Le f ' Lc-le. Conséquemment, la 15 machine fonctionne avec des pertes réduites dans le fer.
La présente invention permet d'obtenir une machine rotative qui a, en opération, un faible couple d'ondulation sous charge ou a vide. Ce résultat s'explique de la faSon suivante. La rotation du rotor 1 par rapport au stator 2 20 produit une force d'attraction entre les aimants 3 et les parties en saillie 7. Cette force d'attraction est associée, lorsque la machine tourne, avec la variation d'énergie qui est : ~AF:i n~Ce dans le champ magnétique contenu substantiellement a l'intérieur des volumes 11 25 d'air et d'aimants entre chaque partie de saillie 7 et la tête du cylindre 4.
La, Le tangentielle de cette force d'attraction pour chaque partie de saillie 7 est additionnée au couple de rotation. Le couple T est défini de la faSon suivante:
~ = dw/d~3 30 où W est l'énergie contenue à l'intérieur du Yolume 11 et est défini par:
B ( ~
W= ~ ' dv J, 2~

WO 96/174~9 2 1 9 ~ 1 2 ~ PCrlCA95/00651 ou le couple est valide aussi longtemps que l'acier n'est pas 6aturé. La peL '-hi lité relative à l'intérieur de l'aimant 3 etant a peu près égale à celle de l'air à
l'intérieur du volume 11, ~O est utilisé pour le volume 5 total. Le couple agissant sur chacune des parties en saillie 7 du stator 2 est i n~lér~n~l~nt d'une partie en saillie à l'autre.
L'énergie est l'intégrale de la ~ -s-nte radiale Br( ~ ) multipliée par la longueur axiale de la machine le 10 long d'un ~l~r~ angulaire ~, couvrant la section radiale du volume 11. Cette intégrale est définie de fa,con suivante:
2 sin ( [~ + ~] ) ( 2) où P est la longueur axiale de la machine le long de son axe de rotation, R~ est le rayon interne de la tête de 15 cylindre 4 du rotor 1, et R.,~ est le rayon externe des lamelles de métal 5 du stator 2.
En résolvant cette intégrale, il est possible d'obtenir:
W = ~,c ~s )12 ~ 2sin( 2 ) cos (K ~3 ) ]
Le couple T est la dérivée de W par rapport à ~3. Le 20 couple T est défini comme suit:
~ = ( ic; e.s ) sin ~ h ~ ) . sin ( K ~) Le couple de détente sur chacune des parties en saillie 7 est donc 5;nllco~fl~l et périodique selon 1/(2wK).
Le couple de détente total lorsque la machine est à vide WO96117429 2 1 9 ¦ 1~ 8 PCTICA95100651 est la somme des couples de détente agissant sur chacune des parties en saillie 7 du stator 2. Comme il y a N*K
parties en saillie 7 sur tout le stator 2, le couple de détente total Tr est égal a:
K C ' P (R~c Re:3 ) sin ( 2 )-~-sin (K [~ N K] ) Cette somme est toujours égale à o pour N*K>1. Le profil des aimants 3, qui est prévu pour maintenir une densité de flux sinusoïdale à l'intérieur de l'acier, réduit en même temps le couple de détente qui est généralement présent durant la rotation lorsque la machine est à vide.
La densité de flux produit par les aimants 3 dans les parties en saillie 7 du stator est sinusoidale. Le flux r-~n.~5ti que entouré par les bobines formant une phase de la machine cu~LtD~ol~d à la somme des flux canalisés par les 15 parties en saillie enroulées par les enroulements correspondants . Cette somme des f lux est aussi sinusoidale. La somme des couples développés par chacune des phases est c~..DI_cl3l1_e pour des courants de phase ~;m7~r~ Y~ qui eux sont d~rhAC~C de façon similaire par 20 rapport au f lux r~n~ é . Conséquemment, la machine ne presente pas de couple de detente en opération.
Également, un courant sinusoïdal réduit les pertes en joules dans le cuivre, associées à l'effet kelvin (effet de peau ) . La perte est minimale lorsque le contenu harmonique 25 dans le courant à l'intérieur du cuivre a seulement une cl ~ ~ r nte La f igure 2 montre une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur qui est préférablement caractérisée par le fait que chacune des 30 parties en saillie 7 a une extrémité carree et que chacun des aimants a une extrémité tronquée. Le volume de matériau magnétique qui a été tronqué a chaque extrémité

WO96/17429 2 ~ q 1 1 28 PCr/~A95/00651 d'un aimant 3 est ajouté près de cette même extrémité
tronquée de façon à augmenter son ~rq;~ r Ainsi, chacun des aimants 3 a des extrémités tronquées plus ~rq i q8-A et à peu près la même quantité de matériau r-~nétique que s'il n'avait pas des extrémités tronquées. Grâce à cette modification, il est possible de produire des aimants dont les extrémités sont moins fragiles que celles des aimants non tronqués. Ces aimants tronqués sont également plus faciles à monter sur la tête de cylindre 4 du rotor 1.
Les conséquences sur les performances magnétiques de la densité de flux sont négligeables.
La f igure 3 montre une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur qui est caractérisée de préférence par le fait que chacune des parties en saillie 7 a une extrémité arrondie et que chacun des aimants a des extrémités tronquées. Comme pour la réalisation montrée à la figure 2, les extrémités des aimants 3 ont été épaissies en y a joutant respectivement le volume de matériau magnétique gui a été tronqué.
Grâce aux extrémités arrondies 28 des parties en saillie 7, il est possible d'éliminer l'effet d'entonnoir de la densité de flux, lequel produit une saturation de flux dans les parties en saillie 7. Cet effet d'entonnoir a pour effet d'augmenter l'amplitude des ~1 -sqntes d'harmoniques lorsque les parties en saillie ont des extremités carrées.
Également, les fuites de flux magnétique produites par les courants dans les conducteurs sont réduites.
Préférablement, le flux canalise dans les parties en saillie 7 est produit par des aimants ayant une 30 magnétisation plus élevée pour, ,^ncr~r les extrémités arrondies des parties en saillie 7.
La f igure 4 montre une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur caractérisée de préférence par le fait que l'armature de stator 2 a une 35 surface interne 48 ayant des creux 30 substantiellement alignés avec les parties en saillie 7 respectives.

WO96/17429 ~ 1 9 1 1 2 8 PCT~95/00651 Également, chacune des parties en saillie 7 a une extrémité arrondie et chacun des aimants a des extrémités LLu~ uées. Comme pour la réalisation montrée à la figure 2, les extrémités des aimants 3 sont epaissies en y 5 a joutant respectivement le volume de matériau magnétique tronqué. L'armature de rotor 1 a une surface externe 50 ayant des creux 29 substantiellement alignés avec des parties centrales des aimants 3 respectifs.
Un autre objet préférentiel de la présente invention 10 est de ~LU~OS~L une machine ayant un poids réduit. Cette r~ r~ i rn de poids est obtenue en enlevant des zones où la densité du flux magnétique est basse, tel qu'illustré à la figure 4. De l'acier a été enlevé dans les zones 29 et 30 où la densité de fiux maximum est basse. Ainsi, la 15 densité de flux dans les portions restantes adjacentes aux zones 29 et 30 augmente jusqu'à un niveau similaire à celui se présentant dans la machine en général.
Le mode de réalisation illustré à la figure 4 permet de réaliser un autre objet de la présente invention, soit, celui d'obtenir une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur caractérisée par une géométrie de circuit magnétique du stator plus petite. Par con~:6~nt avec ce mode de réalisation, il est possible de réduire le poids total de la machine électrique.
La f igure 5 montre une machine électrique a courant alternatif polyphasé sans collecteur qui est caractérisée de préférence par le fait que l'armature de rotor 1 a une surface extérieure cylindrique 50. Chacune des parties en saillie 7 a une~extrémité arrondie et la surface interne 44 de l'armature de rotor 1 est pourvue de 1D~ t:j courbés vers l'intérieur pour recevoir respectivement les aimants permanents 3.
La f igure 6 montre une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur qui est caractérisée 35 de préférence par le fait que l'armature de rotor 1 a une surf ace externe cylindrique 50 . Chacune des parties en saillie a une extrémité arrondie. Chacun des aimants 3 a des extrémités tronquées. Comme pour la réalisation montrée à la f igure 2, les extrémités des aimants 3 sont épaissies en y ajoutant respectivement le volume de matériau magnétique tronqué. La surface interne 44 de l'aL~ LUL~: de rotor 1 est pourvue de 1~ courbés vers l'intérieur pour recevoir respectivement les aimants permanents 3.
La f igure 7 montre une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur caractérisée de préférence par le fait que l'armature de stator 2 a une surface intérieure ondulée 48 définissant des creux 30 substantiellement alignés avec les parties en saillie 7 respectives. Chacune des encoches se termine par un fond arrondi. Chacune des parties en saillie 7 a une extrémité
arrondie et chacun des aimants a des extrémités tronquées.
Comme pour la réalisation montrée à la figure 2, les extrémités des aimants 3 sont épaissies en y ajoutant respectivement le volume de matériau magnétique tronque.
La f igure 8 montre une machine électrique a courant alternatif polyphasé sans collecteur qui est caractérisée de préférence par le fait que l'armature de stator 2 a une surface interne 48 et est pourvue de cavités transversales 52 ~ub~,L~ILiellement alignees avec les parties en saillie 7 respectives. Chacune des cavités 52 est située à mi-chemin entre une extrémité inférieure de la partie en saillie corrPqpon~1~nte 7 et la surface interne 48 de 1~LIU~LULt: de stator 2. Chacune des cavités 52 a une forme substantiellement triangulaire avec un sommet 54 f aisant face à la partie en saillie ~,uLL~ nte 7. Chacune des encoches 8 se termine par un f ond arrondi . Chacune des parties en saillie 7 a une extrémite arrondie et chacun des aimants 3 a des extrémités tronquées. Comme pour la réalisation montrée à la figure 2, chaque extrémité des 35 aimants 3 est épaissie en y a joutant respectivement le volume de matériau magnétique tronqué.

La f igure 9 montre une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur qui est caractérisé
de préférence par le fait que chacune des partie6 en saillie 7 a une extrémité carrée et chacun des aimants 3 5 a des extremités tronquées. Comme pour le mode de realisation illustré à la figure 2, chaque extrémité des aimants 3 est épaissie en y a joutant respectivement le volume de matériau magnetique tronqué. L'armature de rotor a une surface externe 50 ayant des creux 29 10 substantiellement alignés avec des parties centrales des aimants 3 r~Cppct i f s .
Les figures 10 et 11 LLellL chacune une machine électrique a courant alternatif polyphasé sans collecteur qui est caractérisée de préference par le fait que 15 l'armature de stator 2 est faite d'une série de lamelles de métal ad jacentes 54 ayant des parties périphériques formant les parties en saillie 7. Ces parties périphériques ont une ~r~ r~llr effilée vers la périphérie des lamelles de métal. Les parties périphériques du 20 stator illustrées à la figure lO sont identiques et présentent un même effilement symétrique tandis que celles illustrées à la figure 11 présentent un effilement non symétrique .
Dans une vue de côté en coupe des CILIUCL~UL~S de stator 25 2 et de rotor 1 d'un mode de réalisation illustré a la f igure 1, la base de chacune des parties en saillie 7 apparaîtrait légèrement plus étroite que son extrémité.
Cette forme est requise pour maintenir un contact physique entre les conducteurs rectangulaires 6 et les parois 30 latérales de l'encoche 8 et pour ainsi augmenter la conductivité thermique. Ce rétr~c; ~r ~ vers la base de chacune des parties en saillie Z, combiné avec des feuilles de métal du stator ayant une épaisseur uniforme, force la densité de flux GAn~ é dans chacune des parties 35 en saillie 7 a se eull-,ell~LèL dans sa base plutôt qu'à son extrémité .

WO96/17429 2 1 q I ~ 2 ~ PCT/CA95/00651 Mais, dans les figures 10 et 11, 1'PP~; Cc-ellr de chacune des feuilles de métal ou de stator formant chacune des parties en saillie n'est pas uniforme mais plutôt effilée de la base de la partie en saillie coLL~,yul,dante 5 vers son extrémité ce qui permet de rendre plus uniforme la densité de flux magnétique le long de chacune des parties en sa i l l ie .
Ainsi, il est possible de réduire la quantité d'acier dans chacune des parties en saillie, d'~l ;m;nPr l'effet entonnoir agissant sur les lignes de champ et d'augmenter au maximum la densité de f lux dans chacune des parties en saillie pour qu'ainsi ce flux soit substantiellement uniforme à l'intérieur de tout le volume de chaque partie en saillie. En enlevant des portions d'acier, tel qu'illustré a la figure 4 et en utilisant des lamelles de métal ayant des ~p~;~c~llrs effilées, tel que montré aux figures lO et 11, l'acier du stator est alors employé à sa pleine capacité comme médium !~n~l;c~llr de flux. Ainsi, il est possible de ~l;m;n~lPr le poids de la machine sans influencer le contenu harmonique de la densité de flux.
Selon la présente invention, les aimants sont employés pour produire un champ magnétique dans une machine rotative pourvue d'un groupe de conducteurs excités par des courants alternatifs, polyphasés et sinusoïdaux.
Préférablement, les aimants sont des aimants profilés faits d'un materiau h: ~ ? et sont montes sur la paroi interne du rotor cylindrique de façon à faire face a une série de parties en saille et d'encoches, les encoches ayant des UUV~l LUL ~:s sans extrémités recourbées .
Selon la présente invention, un champ magnétique de forme sinusoïdale est produit dans les parties polaires pour réduire les Les hZl ; ques, a l'exclusion des ft~nrl tales, et ainsi reduire Les pertes.
C~,nc~ L, un couple de rotation elevé et un couple de detente très bas sont obtenus. Le poids des parties polaires est également reduit.

W0 96/17429 ~ 1 9 1 1 ~ a PCTICA95/00651 Grâce à des réalisations préférentielles de la présente invention, il est possible d'employer des r~nn~ rtellrs ayant une section Lc.:L~IIyulaire sur toute leur longueur axiale, ce ~ui permet un facteur de remplissage 5 élevé. Il est également possible de réduire les ~;o~.c~:l.LLt~Lions de flux en utilisant des parties en saillie avec une extrémité arrondie, et ainsi réduire les pertes dues à la saturation du champ magnétique. Il est également possible de réduire le poids du stator en 10 enlevant des portions du stator à travers lesquelles une faible densité de flux est induite. De plus, il est également possible de réduire le poids du rotor en enlevant des parties de rotor à travers lesquelles une faible densité de flux est induite.
Bien que des modes de réalisation préférés de l'invention aient été décrits en détail ci-haut illustres dans les dessins annexés, l'invention n'est pas limitée a ces seuls modes de réalisation et plusieurs changements et modifications peuvent être effectués par une personne du 20 métier sans sortir du cadre de l'esprit de l'invention.

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur comprenant:
une armature de stator ayant une surface pourvue d'encoches et de parties en saillie parallèles disposées en alternance, chacune desdites encoches ayant une ouverture sur ladite surface, chacune desdites ouvertures étant substantiellement aussi large que la partie la plus large de l'encoche correspondante; et une armature de rotor ayant une surface pourvue de moyens de magnétisation permanents ayant des sections de surface respectives faisant face auxdites encoches et parties en saillie, chacune desdites sections de surface faisant face a un nombre desdites encoches correspondant à un nombre de phases de ladite machine, toutes lesdites sections de surface desdits moyens de magnétisation produisant une densité de flux magnétique ayant une composante d'amplitude moyenne Bx(?) perpendiculaire à la surface correspondante du stator, qui est substantiellement définie par l'équation suivante:
Br ( ? ) = Mr ( ? ) ?L? ( ? ) /L? ( ? ) où L? (?) est défini par l'équation suivante:
où ? est une position angulaire en radians par rapport à
une position de référence sur ladite armature de rotor;
B?( ? ) est ladite composante d'amplitude moyenne à
ladite position angulaire ?;
Lv ( ? ) est une distance d'écart entre lesdites parties en saillie et ladite surface de ladite armature de rotor à ladite position angulaire .theta.;
Mr (.theta.) est une composante d'induction résiduelle desdits moyens de magnétisation à ladite position angulaire .theta., Mr(.theta.) étant perpendiculaire à la surface correspondante de l'armature du stator, Mr (.theta.) alternant selon une période correspondant à 4.pi./K;
K est un nombre pair représentant toutes lesdites sections de surface; et C est une constante arbitraire.

2. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 1, dans laquelle:
l'armature de stator a une forme cylindrique, la surface pourvue des encoches et des projections parallèles étant une surface externe de l'armature de stator;
l'armature de rotor a une forme cylindrique, la surface pourvue des moyens de magnétisation permanents étant une surface interne de l'armature de rotor;
l'amplitude moyenne Br(.theta.) est une composante radiale;
chacune des encoches a une section transversale rectangulaire; et les moyens de magnétisation permanents comprennent une série d'aimants permanents faits d'un matériau homogène, chacun de ces aimants ayant une épaisseur par rapport à la position angulaire .theta. déterminée substantiellement par La(.theta.).

3. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 2, dans laquelle:
chacune des parties en saillie a une extrémité
carrée; et chacun des aimants a des extrémités tronquées, chacune des extrémités des aimants étant épaissie en ajoutant un volume de matériau magnétique correspondant substantiellement égal à sa partie tronquée.

4. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 2, dans laquelle:
chacune des parties en saillie a une extrémité
arrondie; et chacun des aimants a des extrémités tronquées/
chacune des extrémités des aimants étant épaissie en ajoutant un volume de matériau magnétique correspondant substantiellement égal à sa partie tronquée.

5. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 2, dans laquelle:
l'armature de stator a une surface interne ayant des creux substantiellement alignés avec les parties en saillie respectives;
chacune des parties en saillie a une extrémité
arrondie; et chacun des aimants a des extrémités tronquées, chacune des extrémités des aimants étant épaissie en ajoutant un volume de matériau magnétique correspondant substantiellement égal à sa partie tronquée, l'armature de rotor ayant une surface externe ayant des creux substantiellement alignes avec des parties centrales des aimants respectifs.

6. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 2, dans laquelle:
l'armature de rotor a une surface externe cylindrique;
chacune des parties en saillie a une extrémité
arrondie; et la surface interne de l'armature de rotor est pourvue de logements courbés vers l'intérieur pour recevoir respectivement les aimants permanents.

7. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 2, dans laquelle:
l'armature de rotor a une surface externe cylindrique;
chacune des parties en saillie a une extrémité
arrondie; et chacun des aimants a des extrémités tronquées, chacune des extrémités des aimants étant épaissie en ajoutant un volume de matériau magnétique correspondant substantiellement égal à sa partie tronquée, la surface interne de l'armature de rotor étant pourvue de logements courbés vers l'intérieur pour recevoir respectivement les aimants permanents.

8. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 2, dans laquelle:
l'armature de stator a une surface interne ondulée définissant des creux substantiellement alignés avec les parties en saillie respectives;
chacune des encoches se termine par un fond arrondi;
chacune des parties en saillie a une extrémité
arrondie; et chacun des aimants a des extrémités tronquées, chacune des extrémités des aimants étant épaissie en ajoutant un volume de matériau magnétique correspondant substantiellement égal à sa partie tronquée.

9. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur, selon la revendication 2, dans laquelle:
l'armature de stator a une surface interne, l'armature de stator étant pourvue de cavités transversales substantiellement alignées avec les parties en saillie respectives, chacune des cavités étant située à mi-chemin entre une extrémité inférieure de la partie en saillie correspondante et la surface interne de l'armature de stator, chacune des cavités ayant une forme substantiellement triangulaire avec un sommet faisant face à la partie en saillie correspondante;
chacune des encoches se termine par un fond arrondi;
chacune des parties en saillie a une extrémité
arrondie; et chacun des aimants a des extrémités tronquées, chacune des extrémités des aimants étant épaissie en ajoutant un volume de matériau magnétique correspondant substantiellement égal à sa partie tronquée.

10. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 2, dans laquelle:
chacune des parties en saillie a une extrémité
carrée; et chacun des aimants a des extrémités tronquées, chacune des extrémités des aimants étant épaissie en ajoutant un volume de matériau magnétique correspondant substantiellement égal à sa partie tronquée, l'armature de rotor ayant une surface externe ayant des creux substantiellement alignés avec des parties centrales des aimants respectifs.

11. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 2, dans laquelle:
l'armature de stator est faite d'une série de lamelles de métal adjacentes ayant des parties périphériques formant les parties en saillie; et lesdites parties périphériques des lamelles de métal ont des épaisseurs effilées vers leur périphérie.

12. Une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur selon la revendication 2, dans laquelle chacune des parties en saillie a une extrémité
carrée.

13. Une méthode pour opérer une machine électrique à courant alternatif polyphasé sans collecteur comprenant des étapes de:
coupler magnétiquement une armature de stator pourvue d'enroulements avec une armature de rotor, l'armature de stator ayant une surface pourvue d'encoches et de parties en saillie parallèles disposées en alternance, chacune desdites encoches ayant une ouverture sur ladite surface, chacune desdites ouvertures étant substantiellement aussi large que la partie la plus large de l'encoche correspondante, l'armature de rotor ayant une surface pourvue de moyens de magnétisation permanents ayant des sections de surface respectives faisant face auxdites encoches et parties en saillie, chacune desdites sections de surface faisant face à un nombre desdites encoches correspondant à un nombre de phases de la machine, toutes lesdites sections de surface desdits moyens de magnétisation produisant une densité de flux magnétique ayant une composante d'amplitude moyenne Br(.theta.) perpendiculaire à la surface correspondante de l'armature du stator, qui est substantiellement définie par l'équation suivante:
Br(.theta.) = Mr(.theta.) La(.theta.) / Lv(.theta.) où La(.theta.) est défini par l'équation suivante:
La(.theta.) = , et où .theta. est une position angulaire en radians par rapport à
une position de référence sur ladite armature de rotor;

Br(.theta.) est ladite composante d'amplitude moyenne à ladite position angulaire .theta.; Lv(.theta.) est une distance d'écart entre lesdites parties en saillie et ladite surface de ladite armature de rotor à ladite position angulaire .theta.; Mr(.theta.) est une composante de l'induction résiduelle desdits moyens de magnétisation à ladite position angulaire .theta., Mr(.theta.) étant perpendiculaire à la surface correspondante de l'armature du stator, Mr(.theta.) alternant selon une période correspondant à 4.pi./K; K est un nombre pair représentant toutes lesdites sections de surface; et C est une constante arbitraire; et alimenter les enroulements du stator, ainsi, en opération, ladite armature de rotor est couplée magnétiquement à ladite armature de stator.