"Machine électrique tournante" 1
La présente invention concerne une machine électrique tournante, réalisable sous forme d'alternateur synchrone, de moteur synchrone, asynchrone ou de moteur asynchrone synchronisé.
Les machines de ce type, plus particulièrement celles
de puissance relativement faible, sont en grande majorité équipées de collecteurs à bagues et balais malgré que ces derniers présentent de nombreux désavantages : usure, pertes de contact, étincelles, etc. La raison en est le coût des excitateurs ou d'autres techniques (aimants permanents, immobilisation de l'inducteur etc.), disproportionné par rapport à celui de la machine proprement dite. Ces solutions onéreuses sont donc réservées aux cas où elles sont impératives, par exemple pour des utilisations en atmosphère explosive ou particulièrement corrosive.
Pour illustrer ce qui précède, on peut signaler que
tous les véhicules automobiles de grande série sont actuellement encore équipés d'alternateurs à bagues et balais, malgré les avantages considérables qu'apporterait la suppression de ces éléments.
Le but de l'invention est de fournir une solution par-
<EMI ID=1.1>
A cet effet, une machine selon l'invention, du type comprenant une partie fixe et une partie mobile coaxiales, se caractérise substantiellement en ce que la partie fixe porte un premier et un deuxième enroulement et la partie mobile un troisième enroulement, les premier et deuxième enroulements ayant des pas polaires multiple pair ou sousmultiple pair l'un de l'autre et une inductance mutuelle nulle, le troisième enroulement étant unique et fermé sur lui-même, l'arrangement étant tel que le premier enroulement puisse générer un champ inducteur induisant des courants dans le troisième enroulement, ces derniers générant un champ inducteur en rotation relative par rapport à la partie mobile, de même pas polaire que le deuxième enroulement et interagissant magnétiquement avec ce dernier.
Comme il apparaîtra plus clairement de la description ci-après, ces dispositions, en permettant de développer dans un même circuit magnétique des fonctions différentes, permettent e.a. également de réduire par rapport à l'état de
la technique les exigences en fer et en cuivre et de réalise'* la partie mobile selon une technique similaire à celle d'un rotor asynchrone à cage.
Pour plus de clarté, l'invention est décrite plus en détail ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
<EMI ID=2.1>
l'invention; la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1; et les figures 3 à 6 expliquent la réalisation du rotor d'une machine selon l'invention.
La machine représentée aux figures 1 et 2 est un alternateur synchrone, comportant une partie fixe ou stator 1 et
<EMI ID=3.1>
tôles magnétiques feuilletées. Dans cet exemple, le stator 1 comporte douze encoches et le rotor neuf.
<EMI ID=4.1>
L'inductance mutuelle entre les enroulements 3 et 4 est nulle.
<EMI ID=5.1>
Pour le fonctionnement en alternateur, un courant continu <EMI ID=6.1>
nombre de pôles ainsi formés (douze, dans cet exemple).
De par une disposition judicieuse et particulière des
<EMI ID=7.1>
1.- une force magnétomotrice Fmml de pas polaire T, tournant dans le sens inverse du rotor 2 et ayant pour action de
<EMI ID=8.1>
alternateur en court-circuit;
2.- une force magnétomotrice Fmm2 tournant dans le
même sens que le rotor _2 et, dans cet exemple, de pas polaire
<EMI ID=9.1>
La vitesse de rotation relative de Fmm2 par rapport au
<EMI ID=10.1>
<EMI ID=11.1>
<EMI ID=12.1>
vitesse égale à
<EMI ID=13.1>
<EMI ID=14.1>
par ladite Fmm2 est également très élevée car l'induction dans l'entrefer peut aisément atteindre des valeurs de l'ordre de 1,1T. En outre, le pas polaire est doublé.
<EMI ID=15.1>
<EMI ID=16.1>
Les caractéristiques susdécrites conduisent à un enroulement 4 dans lequel le nombre de spires nécessaires pour induire une fem donnée est réduit dans un rapport d'environ 4 à 1 par rapport à l'état de la technique. De même, les réactions d'induit sont réduites dans un même rapport, ce
<EMI ID=17.1>
On remarquera également que l'extrême simplicité du rotor conduit à une machine dont les vitesses de rotation limites peuvent être extrêmement élevées. Cet aspect concourt également à la réalisation d'une machine de puissance massique très élevée.
Il a été dit ci-avant que les barres rotoriques 5 devaient être judicieusement disposées. Ceci est expliqué cidessous avec références aux figures 3 à 6.
<EMI ID=18.1>
monospire est représenté par el-sl, e2-s2, e3-s3 (fig. 3-III). Ce bobinage est le siège de fem triphasées de fréquence
<EMI ID=19.1>
1 2T , V étant la vitesse linéaire du rotor par rapport au stator.
La sortie de ce bobinage e-s est raccordée à un second
<EMI ID=20.1>
E2-S2, E3-S3 et de pas polaire T' = 2T. La disposition de ce second bobinage est telle qu'il est traversé par les courants induits dans le bobinage e-s, il est le siège d'une fmm se déplaçant dans le même sens que le rotor, avec une
<EMI ID=21.1>
La vitesse totale de cette par rapport au stator est égale à v + VT = 2Tf + 2T'f et, puisque dans le cas
<EMI ID=22.1>
<EMI ID=23.1>
On peut remarquer sur la figure 3 (III) que l'inductance mutuelle entre e et E est nulle et que certaines encoches sont traversées par des courants de mêmes phase et amplitude mais de sens opposé. Le bobinage peut donc se réduire, au niveau des parties actives, à la configuration montrée en
(IV) à la figure 3, dans laquelle certaines encoches ont pu être éliminées avec leurs conducteurs. Comme enfin le trajet de retour des conducteurs est indifférent, l'enroulement se réduit à celui indiqué en (V) à la figure 3, dans lequel les deux bobinages de départ sont confondus.
Cette disposition offre de nombreux avantages :
- simplification du bobinage rotorique;
- réduction de la quantité de cuivre ou d'aluminium à utiliser;
- augmentation considérable du flux qu'il est possible de canaliser;
- forte réduction des réactances rotoriques;
- bobinage réduit à quelques barres, confiné dans un même circuit magnétique.
La Fmm magnétomotrice ainsi engendrée dans les barres
<EMI ID=24.1>
rotor avec une vitesse relative égale à vr = 2v, si bien que le stator voit passer une onde de Fmm de pas polaire
T' = 2T se déplaçant avec une vitesse 3v.
<EMI ID=25.1>
lequel sera le siège des fem de sortie de l'alternateur. Ce même flux, vu la configuration des bobinages (pas polaire
de multiple pairs), n'engendrera pas de fem dans le bobinage d'excitation (ou plus exactement la somme totale de fem est nulle).
Afin d'étendre ce qui précède, on peut considérer un rotor comportant deux barres disposées suivant la figure 4 et donc espacées entre elles d'un angle 2a, ce rotor étant animé d'une vitesse v(2Tf) positive vers la droite de la figure 4 et traversé par un flux sinusoïdal de pas polaire T.
Ces barres seront le siège de fera alternative et par conséquent seront traversées par un courant de la forme
i = I max. sinwt.
La force magnétomotrice résultant de ce courant aura
la forme suivante :
<EMI ID=26.1>
La composante continue disparaît, ce qui donne
<EMI ID=27.1>
Soient à présent trois jeux de barres décalées spécialement de 120[deg.] tels que représentés sur la figure 5, ces trois jeux de barres seront parcourus par des courants de la forme
<EMI ID=28.1>
On obtient également :
<EMI ID=29.1>
a) En additionnant les trois composantes de Fmm de pas polaire
T, on obtient :
<EMI ID=30.1>
<EMI ID=31.1>
ce qui correspond à une Fmm se déplaçant à une vitesse relative
-v ( -2 Tf), cette Fmm sera donc en phase avec le flux sinus- <EMI ID=32.1>
elle aura une action démagnétisante semblable à celle rencontrée dans les alternateurs en court-circuit.
b) En additionnant les trois composantes de Fmm de pas polaire
T/2, on obtient :
<EMI ID=33.1>
On obtient alors :
<EMI ID=34.1>
ce qui correspond à une Fmm se déplaçant avec une vitesse rela-
��
<EMI ID=35.1>
2
<EMI ID=36.1>
2
<EMI ID=37.1>
au stator un bobinage polyphasé de pas polaire T/2, lequel sera le siège des fem de sortie dont la fréquence sera égale à trois fois la fréquence des courants rotoriques.
On aurait pu, en conservant la même disposition des barres rotoriques, considérer que le rotor soit animé d'une vitesse
v vers la droite, et que le rotor soit traversé par un flux de <EMI ID=38.1>
inverse du rotor (en phase avec le flux de pas polaire T/2) et dont l'amplitude serait égale à
<EMI ID=39.1>
2[deg.] d'une Fmm de pas polaire T se déplaçant dans le même sens
<EMI ID=40.1>
et l'amplitude ég�ile à
<EMI ID=41.1>
Tout comme dans le cas précédent, cette onde de Fmm créera une induction, par conséquent un flux traversant l'entrefer lequel rencontrera alors un bobinage polyphasé de pas polaire T disposé dans le stator et lequel sera alors le siège de fem de sortie de fréquence égale à une fois et demi la fréquence des courants rotoriques.
Cette disposition a été utilisée pour l'exemple pratique décrit dans le figure 3.
On pourrait, de la même manière qu'en a) et b) additionner les composantes de Fmm de pas polaire T/3; on obtient pour cette Fmm une amplitude égale à 0, ceci est particulièrement évident lorsque 2a est choisi égal à 120[deg.].
Lorsque 2a est choisi égal à 120[deg.], le système se réduit alors à la figure 6.
Le courant traversant chaque barre (ib) est alors égal à la somme vectorielle des courants triphasés correspondants
<EMI ID=42.1>
Ce cas est particulièrement intéressant car le rotor est alors exécuté de manière très symétrique tel qu'un roter de moteur asynchrone à cage.
Les considérations théoriques précédentes, nécessairement
<EMI ID=43.1>
formément à l'invention, de réaliser une machine électrique tournante développant, dans un même circuit magnétique, deux fonctions différentes.
Si l'accent a été plus particulièrement mis ci-avant sur la version alternateur de la machine selon l'invention, ceci ne constitue en aucune manière une limitation.
<EMI ID=44.1>
synchrone, de relier ledit premier enroulement à une source
de courant polyphasé et le deuxième enroulement à une source
de courant continu.
De même, pour obtenir un moteur asynchrone (hyposynchrone ou hypersynchrone), ledit premier enroulement est relié à une source de courants polyphasés et le deuxième enroulement est relié de manière classique à des éléments généralement passifs.
On peut en outre réaliser un moteur asynchrone synchro-
<EMI ID=45.1>
me enroulement, de manière à assurer le démarrage de la machine, puis son alimentation en courant continu assurant sa synchronisation.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux exemples susdécrits car de très nombreuses variantes d'exécution sont possibles en jouant sur l'angle 2a, le décalage entre les jeux de barres rotoriques, le choix du pas polaire pour l'excitation la forme du bobinage d'excitation qui pourrait être réalisé en une seule bobine, le nombre total de paires de pales, la vitesse, le choix du type d'enroulement polyphasé, la fixation éventuelle du rotor et l'utilisation d'une culasse à barre, l'énumération précédente n'étant pas limitative.
REVENDICATIONS
1.- Machine électrique tournante, du type comprenant
une partie fixe et une partie mobile coaxiales, caractérisée en ce que la partie fixe porte un premier et un deuxième enroulement et la partie mobile un troisième enroulement,
les premier et deuxième enroulements ayant des pas polaires multiple pair ou sous-multiple pair l'un de l'autre et une inductance mutuelle nulle, le troisième enroulement étant
unique et fermé sur lui-même, l'arrangement étant tel que
le premier enroulement puisse générer un champ inducteur induisant des courants dans le troisième enroulement, ces derniers générant un champ inducteur en rotation relative par rapport à la partie mobile, de même pas polaire que le deuxiè-
<EMI ID=46.1>
nier.