FR3152198A1 - Moteur électrique à flux axial amélioré - Google Patents

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Abstract

Moteur électrique à flux axial amélioré Moteur électrique (1) à flux axial s’étendant autour d’un axe central (X) et comprenant un stator (20) ayant des bobinages électriques (24) et un rotor (10) disposé de manière adjacente axialement au stator (20) et étant mobile en rotation autour de l’axe central (X), le rotor (10) comprenant au moins un disque de rotor (12) comprenant des aimants (14) et des pièces ferromagnétiques (13) répartis circonférentiellement autour de l’axe central (X), chaque pièce ferromagnétique (13) étant agencée entre deux aimants (14) adjacents, le disque de rotor (12) comprenant au moins une face axiale (121, 122) concave de telle sorte qu’une épaisseur du disque de rotor (12) au niveau d’un diamètre interne (Di) du disque de rotor est plus faible qu’une épaisseur du disque de rotor (12) au niveau d’un diamètre externe (De). Figure pour l’abrégé : Fig. 6.

Description

Moteur électrique à flux axial amélioré
Le présent exposé concerne le domaine des moteurs électriques, notamment électromagnétiques, utilisés dans les turbomachines d’aéronefs, mais pas uniquement. En particulier, le présent exposé concerne un moteur électrique à flux axial, et un moteur intelligent (communément nommé « smart motor » en anglais) comprenant un tel moteur électrique.
De manière connue, un moteur électrique comprend une partie fixe (le stator) et une partie mobile en rotation autour d’un axe central (le rotor). Le rotor peut comprendre des aimants, et le stator comprend un bobinage de fils électriques qui, alimenté par un courant électrique, produit un champ magnétique. Dans un moteur électrique de type synchrone, l’interaction du champ des aimants du rotor en quadrature avec les courants statoriques permet la création d’un couple électromagnétique, qui peut alors entrainer la rotation du rotor. La rotation du rotor peut alors engendrer la rotation d’un organe d’une machine, par exemple une hélice.
Contrairement à un moteur à flux radial, dans lequel un rotor cylindrique tourne à l’intérieur d’un stator annulaire (ou inversement, un rotor annulaire tourne autour d’un stator cylindrique), engendrant un flux magnétique radial et perpendiculaire à l’axe central de rotation, un moteur à flux axial implique au moins un stator et un rotor axialement en vis-à-vis l’un de l’autre, et donc un flux magnétique axial et parallèle à l’axe central de rotation.
Typiquement, un moteur à flux axial peut comprendre un disque de stator pris en sandwich entre deux disques de rotor, un entrefer plan existant entre ces différents disques. Toutefois, d’autres configurations sont possibles, notamment un disque de rotor pris en sandwich entre deux disques de stator, un disque de rotor et un disque de stator seuls, en vis-à-vis l’un de l’autre, ou un agencement multi-rotorique, comprenant par exemple trois disques de rotor et deux disques de stator, chaque disque de stator étant intercalé entre deux disques de rotor successifs.
Les moteurs électriques à flux axial offrent un certain nombre d’avantages par rapport aux moteurs électriques à flux radial, notamment de meilleures performances en termes de puissance massique et de couple massique. En particulier, le disque de rotor n’étant pas limité radialement par le stator, peut présenter un diamètre important, ce qui permet d’augmenter le couple et donc les performances du moteur à flux axial, comparativement au moteur à flux radial. Cependant, les moteurs électriques à flux axial présentent également des inconvénients.
En particulier, l’augmentation du couple passant par une augmentation du diamètre du rotor implique une quantité de matière importante pour maintenir mécaniquement les parties électromagnétiques actives du moteur, ce qui nécessite des ressources et des coûts plus importants. Les diamètres de rotor plus importants entrainent par ailleurs une inertie de rotation accrue, une distribution inégale du flux magnétique, et une intégration plus difficile voire impossible dans des machines compacts. Par ailleurs, les rotors des moteurs électriques à flux axial comportent des aimants, mais généralement peu ou pas de fer, contrairement aux rotors des moteurs électriques à flux radial modernes, ce qui ne permet pas d’optimiser les performances en couple massique.
Il existe donc un besoin pour un système permettant de palier au moins en partie les inconvénients précités, et permettant d’améliorer les performances des moteurs électriques à flux axial.
Le présent exposé concerne un moteur électrique à flux axial s’étendant autour d’un axe central et comprenant un stator ayant des bobinages électriques et un rotor disposé de manière adjacente axialement au stator et étant mobile en rotation autour de l’axe central, le rotor comprenant au moins un disque de rotor comprenant des aimants et des pièces ferromagnétiques répartis circonférentiellement autour de l’axe central, chaque pièce ferromagnétique étant agencée entre deux aimants adjacents, le disque de rotor comprenant au moins une face axiale concave de telle sorte qu’une épaisseur du disque de rotor au niveau d’un diamètre interne du disque de rotor est plus faible qu’une épaisseur du disque de rotor au niveau d’un diamètre externe.
Dans le présent exposé, les termes « direction axiale », « direction radiale » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe central du moteur électrique, qui est également l’axe de rotation du rotor autour duquel tourne ce dernier. Typiquement, le disque de rotor est solidaire d’un arbre rotatif, et s’étend radialement entre son extrémité radialement interne fixée audit arbre rotatif, et son extrémité radialement externe. Par ailleurs, on comprend que l’épaisseur du disque de rotor correspond à son épaisseur selon la direction axiale, c’est-à-dire selon l’axe central.
De manière connue, le stator comprend un circuit ferromagnétique avec des encoches logeant des bobinages électriques, constitués typiquement de fils de cuivre. Le disque de rotor comprend des aimants, typiquement des aimants permanents, chaque aimant s’étendant radialement entre l’extrémité radialement interne et l’extrémité radialement externe, c’est-à-dire entre le diamètre interne du disque de rotor et le diamètre externe. Les aimants sont répartis, de préférence à intervalles réguliers, autour de l’axe central.
Le disque de rotor comprend en outre des pièces ferromagnétiques, qui ne sont pas des aimants permanents, mais comprennent du fer et peuvent comprendre en outre du nickel et du cobalt. Ainsi, le flux magnétique engendré par deux aimants adjacents peut être dévié vers une pièce ferromagnétique, qui agit alors elle-même comme un aimant. Le disque de rotor peut également comprendre une culasse ferromagnétique portant les aimants, de telle sorte qu’une portion ferromagnétique est disposée entre les aimants adjacents.
Par « chaque pièce ferromagnétique étant agencée entre deux aimants adjacents », on comprend que, lorsqu’un espace existe entre deux aimants adjacents, une pièce ferromagnétique est intercalée entre ces deux aimants. Plus précisément, le disque de rotor peut comprendre une pluralité de pièces ferromagnétiques, chacune étant formée de manière à y loger un aimant qui épouse la forme de la pièce ferromagnétique. L’aimant peut épouser parfaitement la forme de la pièce ferromagnétique, ou présenter des déformations locales pour y insérer des éléments de maintiens amagnétiques tels que de la colle ou une matrice polymère.
Selon l’exposé, le fait que le disque de rotor comprenne une face axiale concave conduisant à une épaisseur du disque de rotor plus faible au niveau du diamètre interne qu’au niveau du diamètre externe, implique que les aimants du disque de rotor peuvent eux-mêmes avoir une épaisseur plus importante à proximité de l’extrémité radialement externe. Cette géométrie implique un effet tridimensionnel qui permet de maintenir un niveau de concentration de flux magnétique constant ou presque constant dans l’entrefer entre le rotor et le stator, le long du rayon du disque de rotor dans la direction radiale.
Ainsi, pour un diamètre de rotor donné, cette géométrie permet, comparativement à une géométrie plane de rotor sans face axiale concave et donc à épaisseur de rotor constante, d’augmenter le champ magnétique dans l’entrefer, d’augmenter le couple du moteur et par conséquent le couple massique et la puissance massique du moteur. Il est ainsi possible d’améliorer les performances du moteur électrique pour un diamètre donné, ce qui permet d’utiliser des moteurs électriques plus compacts, s’intégrant plus aisément à des machines elles-mêmes plus compactes.
Dans certains modes de réalisation, la face axiale concave du disque de rotor présente la forme d’une portion de cône.
En d’autres termes, dans une section dans un plan parallèle à l’axe central, l’épaisseur du disque de rotor est linéairement croissante de l’extrémité radialement interne vers l’extrémité radialement externe. Il est ainsi possible de maintenir de manière plus efficace un niveau de concentration de flux magnétique constant dans l’entrefer entre le rotor et le stator.
Dans certains modes de réalisation, chaque aimant présente une forme évasée, présentant une section linéairement croissante depuis le diamètre interne vers le diamètre externe.
On comprend que chaque aimant est évasé de manière à suivre la forme générale du disque de rotor, et notamment sa face axiale concave. On comprend en outre que la section considérée est une section dans un plan perpendiculaire à la direction radiale. Ainsi, dans un tel plan, la section de l’aimant augmente linéairement depuis l’extrémité radialement interne vers l’extrémité radialement externe. Par conséquent, l’espace ou le logement existant entre deux aimants adjacents, qui s’élargissent de manière identique l’un de l’autre radialement vers l’extérieur, peut rester sensiblement constant sur tout le rayon du disque de rotor, maintenant ainsi de manière encore plus efficace un niveau de concentration de flux magnétique constant dans l’entrefer entre le rotor et le stator.
Dans certains modes de réalisation, chaque aimant présente une section radiale circulaire, oblongue ou polygonale.
On comprend qu’un aimant de section circulaire est un aimant ayant une forme tronconique, s’élargissant depuis l’extrémité radialement interne vers l’extrémité radialement externe. De même, un aimant de section polygonale est un aimant ayant une forme pyramidale, par exemple de base carrée.
Dans certains modes de réalisation, le stator comprend au moins un disque de stator, une face axiale du disque de stator, en vis-à-vis de la face axiale concave du disque de rotor, étant convexe et de forme complémentaire à la face axiale concave du disque de rotor, de telle sorte qu’un entrefer entre la face axiale concave du disque de rotor et la face axiale convexe du disque de stator a une épaisseur constante.
Lorsque la face axiale concave du disque de rotor est conique, par exemple, la face axiale convexe du disque de stator est également conique de forme complémentaire à la face axiale concave du disque de rotor, de manière à ce que ladite face axiale convexe du disque de stator soit logée dans la cavité ouverte formée par la face axiale concave du disque de rotor et épouse la forme de cette dernière. L’entrefer, c’est-à-dire l’espace entre la face axiale du disque de rotor et la face axiale du disque de stator, est ainsi constant, ce qui permet de conserver un niveau de concentration de flux magnétique constant dans ledit entrefer et d’améliorer davantage les performances du moteur électrique.
Dans certains modes de réalisation, la face axiale concave du disque de rotor est une première face axiale, et le disque de stator est un premier disque de stator, le disque de rotor comprenant une deuxième face axiale concave opposée à la première face axiale, et le stator comprenant un deuxième disque de stator, une face axiale du deuxième disque de stator, en vis-à-vis de la deuxième face axiale concave du disque de rotor, étant convexe et de forme complémentaire à la deuxième face axiale concave du disque de rotor, de telle sorte qu’un entrefer entre la deuxième face axiale concave du disque de rotor et la face axiale convexe du deuxième disque de stator a une épaisseur constante.
On comprend que selon ce mode de réalisation, le disque de rotor est pris en sandwich entre deux disques de stator. Le disque de rotor comprend ainsi deux faces axiales opposées axialement l’une de l’autre, chacune d’elles étant concave de manière à loger la face axiale convexe du premier disque de stator, et la face axiale convexe du deuxième disque de stator respectivement. L’agencement selon le présent exposé permet ainsi d’améliorer les performances d’un moteur électrique présentant une telle architecture.
Dans certains modes de réalisation, le stator comprend un unique disque de stator ayant deux faces axiales planes, le disque de rotor est un premier disque de rotor, le rotor comprenant un deuxième disque de rotor ayant une face axiale concave, le premier disque de rotor et le deuxième disque de rotor ayant en outre chacun une face axiale plane, opposée à la face axiale concave, en vis-à-vis d’une des faces axiales planes du disque de stator.
On comprend que selon ce mode de réalisation, le disque de stator est pris en sandwich entre deux disques de rotors. Le disque de stator comprend ainsi deux faces axiales opposées axialement l’une de l’autre, chacune d’elles étant plane et en vis-à-vis de la face axiale plane du premier et du deuxième disque de rotor respectivement, de manière à former ainsi un entrefer plan et constant de part et d’autre du stator. La face axiale opposée du premier et du deuxième disque de rotor est concave, ce qui permet d’obtenir les effets précités liés à la concentration des flux magnétiques. L’agencement selon le présent exposé permet ainsi d’améliorer les performances d’un moteur électrique présentant une telle architecture.
Dans certains modes de réalisation, le disque de rotor comprend une matrice de maintien apte à maintenir en position les aimants et les pièces ferromagnétiques.
La matrice de maintien est de préférence amagnétique. De manière alternative, elle pourrait être ferromagnétique et de fine épaisseur pour limiter les fuites de flux à l’intérieur du rotor. La matrice de maintien agit comme support mécanique pour les pièces ferromagnétiques et les aimants, et peut être par exemple, mais de manière non limitative, en matériau polymère, en aluminium, ou en forme de nid d’abeille.
Dans certains modes de réalisation, une distance entre deux aimants adjacents est nulle ou constante depuis le diamètre interne vers le diamètre externe.
On comprend que les aimants adjacents peuvent être en contact les uns avec les autres sur toute leur longueur radiale, de l’extrémité radialement interne à l’extrémité radialement externe, ou être légèrement espacés les uns des autres par exemple d’une distance inférieure à 5 mm, l’espacement étant constant sur toute leur longueur radiale. Cela permet de maintenir encore plus efficacement une concentration de flux magnétique constante sur tout le rayon du disque de rotor.
Dans certains modes de réalisation, le disque de rotor est formé de telle sorte à vérifier la relation E2=E1*(De/Di), où E1 et E2 sont les épaisseurs du disque de rotor au niveau du diamètre interne et externe respectivement.
La géométrie du disque de rotor ainsi définie permet d’améliorer le maintien d’un niveau de concentration de flux magnétique constant dans l’entrefer et d’améliorer davantage les performances du moteur électrique.
Dans certains modes de réalisation, les aimants sont agencés autour de l’axe central de manière à ce que les polarités d’au moins deux aimants adjacents soient orientées différemment l’une de l’autre, de telle sorte à alterner l’orientation des flux magnétiques induits entre lesdits aimants adjacents.
Deux aimants adjacents agencés de manière à ce que leurs polarités soient opposées l’une de l’autre permet de diriger leurs flux magnétiques vers la pièce ferromagnétique en contact avec ces aimants adjacents, et de concentrer ainsi les flux magnétiques dans ladite pièce ferromagnétique. Cet agencement, combiné à la forme concave du disque de rotor, permet d’améliorer davantage les effets précités de concentration des flux magnétiques dans l’entrefer, et donc les performances du moteur électrique.
Le présent exposé concerne également un moteur intelligent comprenant au moins un module électrique de puissance comprenant un moteur électrique selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, et deux unités électroniques de commande disposées de part et d’autre du moteur électrique.
Les moteurs de type intelligent (ou « smart motor » en anglais) comprennent leur propre électronique de commande, et présente une forme globalement parallélépipédique. Le moteur électrique défini précédemment est plus compact grâce à la forme concave de son disque de rotor, ce qui permet son intégration plus aisée dans un tel moteur intelligent.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
FIG. 1LaFIG. 1représente schématiquement en perspective différentes architectures de moteurs électriques à flux axial selon l’art antérieur,
FIG. 2LaFIG. 2représente schématiquement en perspective un moteur électrique à flux axial selon l’art antérieur, et une vue en coupe radiale partielle, selon un plan de coupe courbe, dudit moteur électrique,
FIG. 3LaFIG. 3représente une vue de face d’un disque de rotor du moteur de laFIG. 1,
FIG. 4LaFIG. 4représente une vue en coupe radiale d’un moteur électrique à flux axial selon l’art antérieur au niveau du diamètre interne (à gauche) et du diamètre externe (à droite),
FIG. 5LaFIG. 5représente schématiquement en perspective une vue éclatée d’un moteur électrique à flux axial selon un premier mode de réalisation de l’invention,
FIG. 6LaFIG. 6représente schématiquement une vue en coupe axiale du moteur électrique de laFIG. 5,
FIG. 7LaFIG. 7représente une vue en coupe radiale du moteur électrique de laFIG. 5au niveau du diamètre interne (à gauche) et du diamètre externe (à droite),
FIG. 8LaFIG. 8représente en perspective différents exemples d’aimants de rotor du moteur selon l’invention,
FIG. 9LaFIG. 9représente schématiquement les dimensions du disque de rotor du moteur selon l’invention, dans une vue en coupe axiale du disque de rotor,
FIG. 10LaFIG. 10représente une vue en coupe radiale d’un disque de rotor selon un exemple modifié du premier mode de réalisation de l’invention,
FIG. 11LaFIG. 11représente schématiquement différents exemples de formes et d’agencement d’aimants d’un rotor de moteur électrique selon l’invention,
FIG. 12LaFIG. 12représente schématiquement une vue en coupe axiale d’un moteur électrique à flux axial selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,
FIG. 13LaFIG. 13représente schématiquement un moteur intelligent comprenant un moteur électrique à flux axial selon l’invention,
FIG. 14LaFIG. 14représente différents exemples d’agencements du moteur intelligent de laFIG. 13.
Dans la suite de l’exposé, les termes « direction axiale », « direction radiale » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe central X du moteur électrique 1, 1’, qui est également l’axe de rotation du rotor autour duquel tourne ce dernier.
Les figures 1 à 3 représentent des moteurs électriques à flux axial 1’ selon l’art antérieur.
LaFIG. 1représente différents exemples d’architectures de moteurs électriques à flux axial 1’ (ci-après nommé plus simplement « moteur 1’ »). Un moteur 1’ comprend un rotor 10 et un stator 20, chacun comprenant un ou plusieurs disque(s) de rotor et de stator respectivement.
Sur l’exemple a) de laFIG. 1, le rotor 10 comprend un unique disque de rotor 12, et le stator 20 comprend un unique disque de stator 22 disposé axialement en vis-à-vis du disque de rotor 12. En particulier, une face axiale 121 du disque de rotor 12 est en vis-à-vis d’une face axiale 221 du disque de stator 22.
Sur l’exemple b) de laFIG. 1, le stator 20 comprend un unique disque de stator 22, et le rotor 10 comprend deux disques de rotor 12a et 12b disposés axialement de part et d’autre du disque de stator 22.
Sur l’exemple c) de laFIG. 1, le rotor 10 comprend un unique disque de rotor 12, et le stator 20 comprend deux disques de stator 22a et 22b disposés axialement de part et d’autre du disque de rotor 12.
Sur l’exemple d) de laFIG. 1, le rotor 10 comprend trois disques de rotor 12a, 12b, 12c, et le stator 20 comprend deux disques de stator 22a et 22b. Le premier disque de stator 22a est disposé axialement entre le premier disque de rotor 12a et le deuxième disque de rotor 12b, et le deuxième disque de stator 22b est disposé axialement entre le deuxième disque de rotor 12b et le troisième disque de rotor 12c.
Quelle que soit l’architecture du moteur 1’, le stator comprend une pluralité d’encoches 23 logeant des bobinages électriques 24 (non représentés sur laFIG. 1), constitués typiquement de fils de cuivre. Le rotor 10 comprend des aimants permanents 14 (ci-après nommé plus simplement « aimants 14 ») s’étendant chacun radialement entre l’extrémité radialement interne, correspondant au diamètre interne Di du disque de rotor 12 et l’extrémité radialement externe, correspondant au diamètre externe De, comme illustré sur laFIG. 3représentant une vue de face, parallèle à l’axe central X, d’un disque de rotor 12 seul. Les aimants 14 sont répartis, de préférence à intervalles réguliers, sur la première face axiale 121 et/ou la deuxième face axiale 122 du disque de rotor 12 autour de l’axe central X. On notera que les aimants 14 ne s’étendent pas nécessairement depuis l’extrémité interne Di jusqu’à l’extrémité externe De, mais s’étendent radialement entre ces extrémités, une portion du matériau 13 portant les aimants 14 s’étendant radialement au-dessus et au-dessous des aimants 14.
LaFIG. 2à gauche est une vue schématique éclatée et en perspective d’un moteur 1’ selon l’exemple d’agencement c) de laFIG. 1. L’image à droite de laFIG. 2représente une coupe radiale partielle du moteur 1’ de l’image de gauche. Cette coupe radiale est prise dans un plan de coupe P, qui est un plan courbe suivant le rayon de courbure des disques 12, 22a, 22b et étant disposé à une position radiale donnée le long du rayon du moteur 1’. Le plan P, repéré en pointillés sur laFIG. 2, s’étend d’une part axialement, et d’autre part circonférenciellement autour de l’axe central X, sur une portion de la circonférence du moteur 1’. Dans la suite de la description, par « coupe radiale » on comprend une coupe prise dans un plan de coupe courbe correspondant à la définition ci-dessus, à une position donnée le long du rayon du moteur 1’.
Dans cet exemple, le disque de rotor 12 comprend un matériau 13 amagnétique, portant et maintenant en position les aimants 14. La première face axiale 121 du disque de rotor 12 est axialement en vis-à-vis de la face axiale 221 du disque de stator 22b, de manière à former un entrefer E entre le disque de rotor 12 et le disque de stator 22b. De même, la deuxième face axiale 122 du disque de rotor 12 est axialement en vis-à-vis de la face axiale 222 du disque de stator 22a, de manière à former un entrefer équivalent entre le disque de rotor 12 et le disque de stator 22a.
Les flèches sur les aimants 14 représentent l’orientation polaire de chacun des aimants 14. L’orientation alternée des aimants permet de créer, avec les bobinages électriques 24 du stator 20, des lignes de flux magnétiques entre le rotor 10 et le stator 20. On notera que par convention, sur laFIG. 2et les suivantes, les aimants 14 orientés dans un sens donné sont représentés hachurés, et les aimants 14 orientés dans le sens opposé ne sont pas hachurés.
LaFIG. 4représente, à gauche, une coupe radiale prise à proximité du diamètre radialement interne Di d’un moteur 1’ selon l’art antérieur, et à droite, une coupe radiale prise à proximité du diamètre radialement externe De de ce même moteur 1’. On notera que cet exemple, correspondant à l’architecture c) décrite ci-dessus, diffère de l’exemple précédent en ce que le disque de rotor 12 comprend des pièces ferromagnétiques 13 disposées de manière alternée avec les aimants 14, et qui permettent de conduire ou de concentrer le flux magnétique vers le stator, plus précisément vers les disques de stator 22a, 22b. Chaque pièce ferromagnétique 13 est formée et agencée de manière à être en contact avec deux aimants 14 adjacents, en épousant la forme de ces aimants (moyennant la présence d’un élément mécanique tel que de la colle, non représentée).
Compte tenu de la forme d’un disque, les encoches 23, rapprochées les unes des autres à proximité du diamètre interne Di, s’éloignent peu à peu à mesure que l’on s’éloigne de l’axe central X radialement vers l’extérieur. Ainsi, à proximité du diamètre externe De, les encoches 23, et par conséquent les bobinages 24, sont plus éloignés les uns des autres et moins densément répartis qu’à proximité du diamètre interne Di, comme illustré sur laFIG. 4.
De même, Les aimants 14, proches, voire au contact les uns des autres à proximité du diamètre interne Di, tendent à s’éloigner les uns des autres à mesure qu’on se rapproche du diamètre externe De. A l’inverse, la largeur L des pièces ferromagnétiques 13, du fait de l’espacement entre deux aimants 14 adjacents, tend à augmenter.
Par conséquent, la longueur curviligne c de sortie (ou d’entrée selon l’orientation des aimants) du champ au niveau des aimants 14 adjacents, dont le sens de polarité est inversé, devient plus faible que la largueur L de la pièce ferromagnétique 13 du côté de l’entrefer F. La longueur curviligne c est représentée en traits gras sur laFIG. 4, et les lignes de champs sont représentées en traits interrompus. Ainsi, la concentration du flux magnétique dirigé par deux aimants 14 adjacents vers la pièce ferromagnétique 13, qui elle-même dirige ce flux vers l’entrefer F, tend à diminuer à mesure que l’on s’éloigne radialement vers l’extérieur.
Par ailleurs, le fait d’augmenter la largeur des aimants 14 en se rapprochant du diamètre externe De impliquerait une diminution de la largeur L de la pièce ferromagnétique 13, et donc une diminution de l’effet d’interaction avec le champ statorique, les bobinages 24 étant eux-mêmes plus éloignés les uns des autres à proximité du diamètre externe De.
Le moteur 1 selon l’invention, décrit en référence aux figures 5 à 14, permet de surmonter au moins en partie ces inconvénients.
LaFIG. 5représente schématiquement une vue en perspective éclatée d’un moteur à flux axial 1 selon un premier mode de réalisation, correspondant à l’architecture c) de laFIG. 1. LaFIG. 6représente schématiquement une vue en coupe du moteur 1, dans un plan de coupe parallèle à l’axe central X et comprenant l’axe central X.
Le moteur 1 de l’invention diffère du moteur 1’ de l’art antérieur notamment en ce que les faces axiales du disque de rotor 12 ne sont pas planes, mais sont concaves, dans cet exemple coniques concaves. Plus précisément, dans ce mode de réalisation appliqué à l’architecture c), le disque de rotor 12 comprend une première face axiale 121 conique concave, et une deuxième face axiale 122 conique concave également.
Par conséquent, l’épaisseur du disque de rotor 12 dans la direction axiale augmente, notamment augmente linéairement, du diamètre interne Di vers le diamètre externe De. En particulier, une épaisseur E1 du disque de rotor 12 au niveau du diamètre interne Di est plus faible qu’une épaisseur E2 du disque de rotor 12 au niveau du diamètre externe De (FIG. 7).
Par ailleurs, chacun du premier et du deuxième disque de stator 22a, 22b comprend une face axiale 221, 222 conique convexe, les faces axiales 221, 222 étant disposées en vis-à-vis des faces axiales 121, 122 respectivement du disque de rotor 12. Les faces axiales 221, 222 coniques convexes des disques de stator 22a, 22b sont de préférence de forme complémentaire aux faces axiales 121, 122 coniques concaves du disque de rotor 12, de manière à ce que les disques de stator 22a, 22b puissent s’imbriquer aisément dans le disque de rotor 12, et à ce que les entrefers ainsi formés de part et d’autre du disque de rotor 12 aient une épaisseur constante sur toute la surface du disque.
On notera que, bien que les faces axiales des disques de stator 22a, 22b, opposées aux faces axiales 221, 222, soient concaves sur laFIG. 6, cette représentation n’est pas limitative, ces faces axiales pouvant être planes sans sortir du cadre de l’invention, les disques de stator 22a, 22b étant dans ce cas plus épais vers le diamètre interne Di que vers le diamètre externe De.
L’extrémité radialement interne Di du disque de rotor 12 peut en outre être fixée à une roue mécanique amagnétique 40 solidaire d’un arbre rotatif 30 creux, coaxial avec l’axe central X. L’arbre rotatif 30 peut être mobile en rotation par rapport au stator 20 par l’intermédiaire de paliers 50 tels que des roulements à bille. On notera que le bobinage électrique 24 n’est pas représenté sur laFIG. 5.
Selon l’invention, les aimants 14 ont une forme évasée, typiquement conique ou tronconique, depuis le diamètre interne Di vers le diamètre externe De, suivant la forme évasée du disque de rotor 12. LaFIG. 8représente en perspective des exemples d’aimants 14 seuls de forme tronconique, de section circulaire. Cet exemple n’est pas limitatif, les aimants 14 pourraient avoir une forme évasée différente sans sortir du cadre l’invention, par exemple pyramidale de section carrée, ou de section oblongue.
Par ailleurs, Les aimants 14 peuvent être fabriqués de différentes manières. Par exemple, ils peuvent être pleins comme représente sur l’exemple a) de laFIG. 8, ou segmentés en étant composés d’un nombre important de morceaux d’aimants isolés entre eux et concaténés. Sur l’exemple de la figure b), l’aimant 14 est segmenté longitudinalement en une pluralité de portions 141 longitudinales d’aimants concaténés, et sur l’exemple de la figure c), l’aimant 14 est segmenté transversalement en une pluralité de portions 142 transversales d’aimants concaténés. De manière alternative, les aimants 14 peuvent être segmentés à la fois longitudinalement et transversalement, c’est-à-dire une segmentation avec une composante longitudinale et une composante transversale.
LaFIG. 7représente une coupe radiale du moteur 1 à proximité du diamètre interne Di (à gauche) ou au niveau du diamètre interne Di, et à proximité du diamètre externe De (à droite) ou au niveau du diamètre externe De. Compte tenu de la forme évasée du disque de rotor 12 et notamment des aimants 14, un espace entre deux aimants 14 adjacents reste constant, voire nul comme illustré sur laFIG. 7, depuis le diamètre interne Di jusqu’au diamètre externe De.
Dans la vue en coupe radiale de laFIG. 7, les aimants 14 adjacents définissent un contour curviligne c repéré en gras sur laFIG. 7, créant un logement ouvert dans lequel est disposé une pièce ferromagnétique 13, cette dernière remplissant ainsi ledit logement en étant au contact avec chacun de ces deux aimants 14 adjacents. On notera par ailleurs que dans cette vue en coupe radiale, la face de la pièce ferromagnétique 13 délimitant l’entrefer F est plane.
Par ailleurs, les aimants 14 adjacents sont orientés de manière à ce que leurs polarités soient opposées les unes par rapport aux autres. Cela permet de diriger leurs flux magnétiques vers la pièce ferromagnétique 13 en contact avec ces aimants 14 adjacents, et de concentrer ainsi les flux magnétiques dans ladite pièce ferromagnétique 13.
Cet agencement permet de créer une concentration de flux sensiblement constante depuis le diamètre interne Di vers le diamètre externe De. En effet, la longueur du contour curviligne c de sortie du champ magnétique au niveau des aimants 14 adjacents est plus grande que la largueur L de la pièce ferromagnétique 13 du côté de l’entrefer F et ce, sur tout le rayon du disque de rotor 12 entre le diamètre interne Di et le diamètre externe De. Le champ magnétique ainsi créé par la pièce ferromagnétique 13, agissant alors elle-même comme un aimant, est plus important que le flux qui sortirait d’un aimant 14 seul.
La forme conique concave du disque de rotor 12 permet une augmentation de la longueur active du moteur 1, comprenant les aimants 14 et les pièces ferromagnétiques 13, par rapport à un moteur à flux axial à épaisseur de rotor constante. Cette augmentation de la longueur active permet d’augmenter la performance en couple du moteur, d’un facteur de 2 à 5% environ.
Le facteur de forme géométrique du disque de rotor 12 peut être défini par les règles géométriques représentées sur laFIG. 9. En particulier, afin de maintenir le niveau de concentration du flux magnétique constant radialement, l’épaisseur E2 du disque de rotor 12 au niveau du diamètre externe De est proportionnelle à l’épaisseur E1 du disque de rotor 12 au niveau du diamètre interne Di, du facteur du rapport entre le diamètre externe De sur le diamètre interne Di, en d’autres termes E2=E1*(De/Di).
LaFIG. 10représente une coupe radiale d’un exemple alternatif, dans lequel le disque de rotor 12 comprend une matrice de maintien 15 permettant de maintenir mécaniquement en position les aimants 14 et les pièces ferromagnétiques 13. La matrice de maintien 15 peut être magnétique ou amagnétique. On notera qu’en cas de présence d’une telle matrice 15, les valeurs E2 et E1 dans l’expression du facteur de forme du paragraphe précédent, sont augmentées de la valeur de l’épaisseur de la matrice de maintien 15.
Par ailleurs, la forme et l’orientation des aimants 14 représentée sur laFIG. 7n’est pas limitative, des agencements différents des aimants 14 permettant la concentration du flux magnétique vers la pièce ferromagnétique 13, pouvant être envisagés. A cet effet, laFIG. 11présente différents exemples de formes et d’agencement des aimants 14 dans le disque de rotor 12.
En particulier, sur les exemples a), c) et d), les aimants 14 présentent une section circulaire ou sensiblement circulaire, l’orientation des aimants sur l’exemple c) étant différente que sur l’exemple a). Sur l’exemple b), les aimants 14 présentent une section oblongue aux extrémités courbes, correspondant à la configuration de laFIG. 7. Sur l’exemple e), les aimants 14 présentent une section carrée, et sur l’exemple h), les aimants 14 présentent une section rectangulaire, les aimants adjacents sur ce dernier exemple n’étant pas en contact les uns avec les autres. Sur les exemples f) et g), les aimants 14 présentent une section hexagonale, les aimants adjacents étant en contact les uns avec les autres sur l’exemple f), et n’étant pas en contact les uns avec les autres sur l’exemple g).
LaFIG. 12représente schématiquement une vue en coupe du moteur 1 selon un exemple alternatif, correspondant à l’architecture b) de laFIG. 1. Dans cette configuration, le stator 20 comprend un unique disque de stator 22, et le rotor 10 comprend deux disques de rotor 12a, 12b disposé axialement de part et d’autre du disque de stator 22.
Les disques de rotor 12a, 12b comprennent chacun une face axiale plane 120 en vis-à-vis d’une première face axiale 221 et d’une deuxième face axiale 222, respectivement, du disque de stator 22. Une face axiale 121, 122 du premier et du deuxième disque de rotor 12a, 12b respectivement, opposée à la face axiale plane 120, est conique concave.
Cet agencement permet d’obtenir les mêmes avantages que l’agencement correspondant à l’architecture c) décrit précédemment.
En particulier, quelle que soit l’architecture utilisée, pour un couple donné, et en partant de l’hypothèse que le diamètre externe De est le double du diamètre interne Di, la topologie conique concave du disque de rotor 12 permet une réduction d’au moins 15%, voire d’au moins 20%, par exemple de 24%, du diamètre externe total du moteur 1. La réduction du diamètre externe du moteur 1 permet d’utiliser ce dernier, plus compact, dans un moteur intelligent de forme parallélépipédique, habituellement plus adapté au facteur de forme des moteurs thermiques aéronautiques.
LaFIG. 13représente schématiquement en perspective un moteur intelligent 300 comprenant un module électrique de puissance comprenant une portion centrale 310 ayant un moteur électrique 1 tel que décrit précédemment, et deux unités électroniques de commande 320 disposées de part et d’autre de la portion centrale 310.
Chaque unité électronique de commande 320 comprend une partie électronique 321, et des ailettes 322 permettant de refroidir la partie électronique 321. Un échangeur 340, comprenant de l’huile de refroidissement, permet de refroidir le moteur électrique 1 disposé dans la portion centrale 310.
Le moteur intelligent 300 comprend en outre un rotor principal 330 portant des pales 332, et étant actionné par le moteur électrique 1 disposé dans la portion centrale 310.
LaFIG. 14représente schématiquement en perspective différents exemples de moteurs intelligent 300 comprenant un moteur électrique 1 tel que décrit précédemment. L’exemple a) correspond à la configuration décrite ci-dessus en référence à laFIG. 13, dans laquelle le moteur intelligent 300 comprend un unique module électrique de puissance. Dans l’exemple b), le moteur intelligent 300 comprend deux modules électriques de puissance, les deux modules électriques de puissance étant chacun identique au module électrique de puissance décrit ci-dessus en référence à laFIG. 13. Dans l’exemple c), le moteur intelligent 300 comprend trois modules électriques de puissance, les trois modules électriques de puissance étant chacun identique au module électrique de puissance décrit ci-dessus en référence à laFIG. 13
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (12)

  1. Moteur électrique (1) à flux axial s’étendant autour d’un axe central (X) et comprenant un stator (20) ayant des bobinages électriques (24) et un rotor (10) disposé de manière adjacente axialement au stator (20) et étant mobile en rotation autour de l’axe central (X), le rotor (10) comprenant au moins un disque de rotor (12) comprenant des aimants (14) et des pièces ferromagnétiques (13) répartis circonférentiellement autour de l’axe central (X), chaque pièce ferromagnétique (13) étant agencée entre deux aimants (14) adjacents, le disque de rotor (12) comprenant au moins une face axiale (121, 122) concave de telle sorte qu’une épaisseur du disque de rotor (12) au niveau d’un diamètre interne (Di) du disque de rotor est plus faible qu’une épaisseur du disque de rotor (12) au niveau d’un diamètre externe (De).
  2. Moteur électrique (1) selon la revendication 1, dans lequel la face axiale (121, 122) concave du disque de rotor (12) présente la forme d’une portion de cône.
  3. Moteur électrique (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque aimant (14) présente une forme évasée, présentant une section linéairement croissante depuis le diamètre interne (Di) vers le diamètre externe (De).
  4. Moteur électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque aimant présente une section radiale circulaire, oblongue ou polygonale.
  5. Moteur électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le stator (20) comprend au moins un disque de stator (22a, 22b), une face axiale (221, 222) du disque de stator (20), en vis-à-vis de la face axiale (121, 122) concave du disque de rotor (12), étant convexe et de forme complémentaire à la face axiale (121, 122) concave du disque de rotor (12), de telle sorte qu’un entrefer (F) entre la face axiale concave (121, 122) du disque de rotor (12) et la face axiale (221, 222) convexe du disque de stator (20) a une épaisseur constante.
  6. Moteur électrique (1) selon la revendication 5, dans lequel la face axiale concave du disque de rotor (12) est une première face axiale (121), et le disque de stator est un premier disque de stator (22a), le disque de rotor (12) comprenant une deuxième face axiale (122) concave opposée à la première face axiale (121), et le stator (20) comprenant un deuxième disque de stator (22b), une face axiale (222) du deuxième disque de stator (22b), en vis-à-vis de la deuxième face axiale (122) concave du disque de rotor (12), étant convexe et de forme complémentaire à la deuxième face axiale (122) concave du disque de rotor (12), de telle sorte qu’un entrefer entre la deuxième face axiale (122) concave du disque de rotor (12) et la face axiale (222) convexe du deuxième disque de stator (22b) a une épaisseur constante.
  7. Moteur électrique (1) selon la revendication 5, dans lequel le stator (20) comprend un unique disque de stator (22) ayant deux faces axiales planes (221, 222), le disque de rotor est un premier disque de rotor (12a), le rotor (10) comprenant un deuxième disque de rotor (12b) ayant une face axiale (122) concave, le premier disque de rotor (12a) et le deuxième disque de rotor (12b) ayant en outre chacun une face axiale (120) plane, opposée à la face axiale concave, en vis-à-vis d’une des faces axiales (221, 222) planes du disque de stator (22).
  8. Moteur électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le disque de rotor (12) comprend une matrice de maintien (15) apte à maintenir en position les aimants (14) et les pièces ferromagnétiques (13).
  9. Moteur électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel une distance entre deux aimants (14) adjacents est nulle ou constante depuis le diamètre interne (Di) vers le diamètre externe (De).
  10. Moteur électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le disque de rotor (12) est formé de telle sorte à vérifier la relation E2=E1*(De/Di), où E1 et E2 sont les épaisseurs du disque de rotor (12) au niveau du diamètre interne (Di) et externe (De) respectivement.
  11. Moteur électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les aimants (14) sont agencés autour de l’axe central (X) de manière à ce que les polarités d’au moins deux aimants (14) adjacents soient orientées différemment l’une de l’autre, de telle sorte à alterner l’orientation des flux magnétiques induits entre lesdits aimants (14) adjacents.
  12. Moteur intelligent (300) comprenant au moins un module électrique de puissance comprenant un moteur électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, et deux unités électroniques de commande (320) disposées de part et d’autre du moteur électrique (1).
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