BE885458R

BE885458R - Machine electrique tournante

Info

Publication number: BE885458R
Application number: BE2/58779A
Authority: BE
Original assignee: Kupisiewicz Stefan; Schoebrechts Jacques
Priority date: 1980-09-30
Filing date: 1980-09-30
Publication date: 1981-03-30

Description


  "Machine électrique tournante"  La présente invention concerne une machine électrique tournante, réalisable sous forme d'alternateur synchrone, de moteur synchrone, asynchrone ou 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 que l'adjonction d'un excitateur augmenterait exagérément leur prix de revient.

  
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.

  
D'autres techniques (aimants permanents, immobilisation de l'inducteur, machines à réluctance variable, rotors bobinés etc...) ont été élaborées, mais leur mise en oeuvre entraîne des complications technologiques telles que leur commercialisation est restreinte à des cas bien particuliers (atmosphères explosives, ou particulièrement corrosives...).

  
Parmi ces techniques, on connaît dans l'état actuel de la technique (voir brevet britannique n[deg.] 712.372) une machine électrique tournante du type comprenant une partie fixe et une partie mobile coaxiales, dans laquelle la partie fixe comporte un premier et un deuxième enroulement et la partie mobile un troisième enroulement, les premiers et deuxièmes enroulements ayant des pas polaires multiples 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 deuxième enroulement et interagissant magnétiquement avec ce dernier.

  
Cet alternateur présente de multiples désavantages dont :
- une complexité importante du bobinage rotorique rendant le coût de la machine prohibitif pour sa commercialisation en grande série;
- la présence d'un bobinage rotorique complexe empêche l'adoption de vitesses de rotation élevées et donc d'obtenir des puissances massiques importantes;
- la fiabilité réduite, bien connue, d'une machine à rotor bobiné.

  
La présente invention a pour but de fournir une machine sans collecteur à bagues ni balais ne présentant aucun des désavantages susmentionnés.

  
Plus particulièrement, l'invention a pour but de réaliser une machine tournante du type envisagé, réalisant deux fonctions différentes dans un même circuit magnétique, dont le rotor est simplifié à l'extrême.

  
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 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 deuxième enroulement et interagissant magnétiquement avec ce dernier,

   caractérisé en ce que ce troisième enroulement est constitué par un nombre de jeux de barres, dont chacun comprend deux barres interconnectées, ledit nombre de jeux de barres étant soit égal au nombre de paires de pôles de l'enroulement statorique de pas polaire le plus large dans le cas d'une réalisation monophasée du rotor, soit le triple de ce nombre de paires de pôles dans le cas d'une réalisation triphasée.

  
Comme il apparaîtra plus clairement de la description ciaprès, ces dispositions, en permettant de développer dans un même circuit magnétique des fonctions différentes, permettent

  
 <EMI ID=1.1> 

  
les exigences en fer et en cuivre et de réaliser 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 :
la figure 1 représente schématiquement une machine selon 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 une partie mobile ou rotor 2 concentriques, réalisées en tôles

  
 <EMI ID=2.1> 

  
porte douze encoches et le rotor neuf.

  
 <EMI ID=3.1> 

  
six bobines, de pas polaire T ainsi qu'un deuxième enroulement

  
 <EMI ID=4.1> 

  
laire T' = 2T.

  
L'inductance mutuelle entre les enroulements 3 et 4 est nulle.

  
Le rotor 2 porte neuf barres 5.

  
Pour le fonctionnement en alternateur, un courant continu d'excitation est injecté dans le premier enroulement 3, tandis que le rotor 2 est entraîné avec une vitesse n (t/sec).

  
 <EMI ID=5.1> 

  
laire T par rapport au stator et ce flux induit dans les barres

  
 <EMI ID=6.1> 

  
pôles ainsi formés (douze, dans cet exemple).

  
De par une disposition judicieuse et particulière des bar-

  
 <EMI ID=7.1> 

  
nant dans le sens inverse du rotor 2 et ayant pour action de

  
 <EMI ID=8.1> 

  
ternateur en court-circuit;

  
 <EMI ID=9.1> 

  
sens que le rotor _2 et, dans cet exemple, de pas polaire

Pl

  
 <EMI ID=10.1> 

  
La vitesse de rotation relative de Fmm2 par rapport au

  
fl

  
rotor 2 est n = &#65533;. 

  
<2>

  
 <EMI ID=11.1> 

  
vitesse égale à

  
 <EMI ID=12.1> 

  
Dans cet exemple, n2 vaut donc 3n.

  
 <EMI ID=13.1> 

  
en raison du faible nombre d'encoches rotoriques et des sur-

  
 <EMI ID=14.1> 

  
 <EMI ID=15.1> 

  
l'entrefer peut aisément atteindre des valeurs de l'ordre de 1,1T. En outre, le pas polaire est doublé.

  
 <EMI ID=16.1> 

  
 <EMI ID=17.1>  

  
Les caractéristiques susdécrites conduisent à un enroulement 4 dans lequel le nombre de spires nécessaires pour induire une fem donnée est considérablement réduit par rapport à l'état de la technique. De même, les réactions d'induit sont réduites dans un même rapport, ce qui se répercute favorablement sur l'enroulement 3.

  
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 ci-dessous avec références aux figures 3 à 6.

  
 <EMI ID=18.1> 

  
par quelques pales de pas polaire T (fig. 3-1) et un rotor tri-

  
 <EMI ID=19.1> 

  
 <EMI ID=20.1> 

  
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=21.1> 

  
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 vitesse re-

  
 <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,ceci en raison de la disposition des bobinages dans la démarche de l'invention. 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 ro-

  
 <EMI ID=24.1> 

  
 <EMI ID=25.1> 

  
 <EMI ID=26.1> 

  
 <EMI ID=27.1> 

  
 <EMI ID=28.1> 

  
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).

  
Af in d'étendre ce qui précède on peut considérer un rotor développé suivant la figure 4. En relation avec ce rotor, le stator comprendra p paires de pôles de pas polaire T, ces p paires de pales pourront indifféremment comporter soit :

  
A.- Un bobinage inducteur de pas polaire T et un bobinage

  
 <EMI ID=29.1> 

  
B.- Un bobinage induit mono- ou polyphasé de pas polaire T et un inducteur de pas pol aire T/2.

  
A remarquer que dans les deux cas, ces deux bobinages ont une inductance mutuelle nulle, tandis que le rotor comprend p jeu de barres (chaque jeu de barre constituant une spire fermée dont l'ouverture angulaire est égale à 2a (figure 4b).

VERSION A.

  
Le défilement des p jeux de barres avec une vitesse v dans l'induction des p pôles du stator y induit un courant de la forme

  
i = I max sin w (t-to)

  
Si to est choisi de telle sorte qu'en t - o

  
i = I max, le courant dans chaque jeu de barre est

  
 <EMI ID=30.1> 

  
La force magnétomotrice (F.m.m.) a la forme donnée par la figure 4c.

  
Décomposée en série de Fourier cette F.m.m. peut s'écrire

  

 <EMI ID=31.1> 


  
 <EMI ID=32.1> 

  
constituant un système q phase, supposé direct dans sa numé-

  
 <EMI ID=33.1>  

  
Le développement en série de Fourier du jeme jeu de barre sera de la forme

  

 <EMI ID=34.1> 


  
Si, comme précédemment, to est choisi de manière à ce que le

  
 <EMI ID=35.1> 

  

 <EMI ID=36.1> 


  
 <EMI ID=37.1> 

  
développement en série de Fourier des q jeux de barres et déterminons la F.ri.m. résultante, et par conséquent son action sur le bobinage de pas polaire T.

  
On obtient

  

 <EMI ID=38.1> 


  
soit donc

  

 <EMI ID=39.1> 


  
on sait que
 <EMI ID=40.1> 
 On voit immédiatement que :
a) pour g 2 la somme contenue dans le second membre de F.m.m. est identiquement nulle.

  
Y=l

  
On a alors

  

 <EMI ID=41.1> 


  
ce qui constitue une F.m.m. d'amplitude

  
 <EMI ID=42.1> 

  
rotation du rotor avec une vitesse v et donc fixe par rapport au champ inducteur statorique de pas polaire T. Cette F.m.m constitue alors une réaction d'induit.

  
b) q = 2.

  
On obtient

  

 <EMI ID=43.1> 


  
ce qui correspond à une F.m.m. pulsante de pas polaire T, se décomposant en 1 terme correspondant à une réaction d'induit
(comme dans le cas q > 2) , l'autre terme produisant dans le stator une F.m.m pulsante très gênante pour l'inducteur et ne pouvant (dans le cas où l'inducteur est alimenté en courant continu), être éliminée qu'au moyen d'une cage statorique

  
de pas polaire T.

  
 <EMI ID=44.1> 

  
Même résultat qu'avec q = 2, l'amplitude étant réduite de moitié pour un même courant dans les barres.

  
Considérons à présent l'harmonique correspondant à y = 2 dans le développement en série de Fourier des q jeux de barres et déterminons la F.m.m résultante et son action sur le bobinage de pas polaire T/2. 

  
Noue avons

  

 <EMI ID=45.1> 


  
soit

  

 <EMI ID=46.1> 


  
Comme précédemment on voit aisément <EMI ID=47.1>  pour q = 1 <EMI ID=48.1>  pour q = 1 et q = 3.

  
Il résulte de ce qui précède que les seules valeurs de q acceptables pour qu'une interaction entre les bobinages de pas polaire T et T/2 soit réalisée se limite aux valeurs de q = 1

  
et q = 3.

  
Par q = 3 on obtient finalement

  

 <EMI ID=49.1> 


  
 <EMI ID=50.1> 

  
même sens que le rotor avec une vitesse v/2 et balayant par

  
 <EMI ID=51.1> 

  
vitesse v + v/2, lequel sera alors le siège des forces électromotrices de sortie.

  
Pour q = 1 nous aurions
 <EMI ID=52.1> 
 correspondant à une F.m.m pulsante par rapport au rotor, laquelle

  
se décompose en deux F.m.m d'amplitude

  

 <EMI ID=53.1> 


  
tournant en sens opposés à une vitesse v/2 par rapport au rotor,

  
 <EMI ID=54.1> 

  
 <EMI ID=55.1> 

  
pour la seconde et y induira 2 fem de fréquence et d'amplitudes différentes.

VERSION B.

  
Conservant la même disposition rotorique, supposons à présent que le stator dispose de 2 p paires de pôles inducteurs de

  
 <EMI ID=56.1> 

  
 <EMI ID=57.1> 

  
Si la vitesse relative du stator par rapport au rotor est con-

  
 <EMI ID=58.1> 

  

 <EMI ID=59.1> 


  
En déterminant l'harmonique résultant correspondant à y = 1
(et par conséquent son action sur le bobinage induit de pas polaire.. on obtient

  

 <EMI ID=60.1> 


  
On remarque aisément que <EMI ID=61.1>  q = 3. <EMI ID=62.1>  si Ci = 3.

  

 <EMI ID=63.1> 


  
 <EMI ID=64.1> 

  
polaire T se déplaçant par rapport au rotor avec une vitesse 2v, elle balayera le bobinage induit de pas polaire T avec une vitesse 3v lequel sera alors le siège des fem de sortie.

  
si g = 1.

  

 <EMI ID=65.1> 


  
Dans ce cas, nous remarquons que le bobinage induit de pas po-

  
 <EMI ID=66.1> 

  
ves par rapport à ce bobinage sont respectivement de 3v et -v. La f.e.m. induite dans ce bobinage sera la résultante de 2 f.e.m. d'amplitudes et de fréquences différentes.

  
Voyons à présent l'influence de la résultante des F.m.m.

  
sur le bobinage inducteur de pas polaire T/2.

  

 <EMI ID=67.1> 


  
On obtient finalement

  

 <EMI ID=68.1> 


  
On remarque comme précédemment que le second terme est nul sauf pour q = 1,2,4. Deux solutions sont donc à retenir : 

  
 <EMI ID=69.1> 

  

 <EMI ID=70.1> 


  
 <EMI ID=71.1> 

  
nant dans le sens inverse du rotor avec une vitesse v et par conséquent fixe par rapport au bobinage inducteur, son action sera donc équivalente à une réaction d'induit.

  
2[deg.] - g = 1.

  

 <EMI ID=72.1> 


  
Correspond à un champ pulsant dans le rotor, se décomposant

  
en une Fmm directe et inverse de vitesse relative v par rapport au rotor.

  
Une de ces Fmm se comportera comme une réaction d'induit
(fixe par rapport au stator) l'autre induira dans le bobinage inducteur une fem gênante.

  
REMARQUE : Un schéma de raisonnement identique permettrait la

  
 <EMI ID=73.1> 

  
sur les différents enroulements.

  
Les considérations théoriques précédentes, ont eu pour but de montrer qu'il était possible conformément à l'invention de réaliser une machine tournante réalisant deux fonctions différentes dans un même circuit magnétique et dont le rotor suivant la théorique susdécrite est simplifiée à 1 ' extrême .

  
Le bobinage rotorique relativement complexe que requiérerait une telle machine a pu être remplacé par un système de jeu de

  
 <EMI ID=74.1> 

  
théorie montre qu'il ne peut être que triphasé ou monophasé. 

  
Il est a remarquer que le système triphasé présente l'avantage considérable de limiter au maximum les interactions entre les bobinages inducteurs et induits du stator (figure 5).

  
D'autre part, l'angle 2a qui traduit l'espacement entre les barres en court-circuit sera choisi en fonction de divers critères que seul le calcul d'une machine pour une application bien spécifique pourra rendre optimal.

  
Notons encore que dans le système triphasé lorsque 2a est choisi égal à 120[deg.], deux barres successives se confondent et le système se réduit à la figure 6, dans lequel les espacements entre barres sont identiques.

  
 <EMI ID=75.1> 

  
la somme vectoriele des courants triphasés correspondants

  

 <EMI ID=76.1> 


  
Ce cas est particulièrement intéressant car :
- le nombre de barres est réduit de moitié;
- le courant total dans les barres est réduit d'environ 13%;
- le rotor peut être exécuté tel qu'un rotor de moteur asynchrone à cage, sans isolation des barres par rapport à la masse.

  
Cette disposition a été utilisée pour l'exemple pratique décrit dans la figure 3. L'enroulement induit utilisé dans le stator est ici du type diphasé.

  
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.

  
En effet, on peut prévoir, en vue de réaliser un moteur 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

Claims

<EMI ID=77.1>

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 synchronisé en prévoyant un commutateur sur l'alimenta tien du deuxième 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 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 pôles, la vitesse, le choix du type d'enroulement statorique polyphasé, la fixation éventuelle du rotor et l'utilisation d'une culasse à barre, l'énumération précédente n'étant pas limitative.

Dans le cas précité d'un bobinage d'exitation réalisé en une seule bobine, il peut être avantageusement réalisé en une seule bobine dont l'axe coïncide avec celui de la machine, cette bobine étant disposée entre deux demi-stators identiques mais décalés angulairement de manière à former alternativement des pôles de nom contraire, le circuit magnétique étant fermé à l'extérieur par un matériau magnétique correctement disposé.

REVENDICATIONS.

1.- Machine électrique tournante, du type comprenant une partie fixe et une partie mobile coaxiales, la partie fixe portant 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 troi-sième 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, caractérisée en ce que ce troisième enroulement est constitué par un nombre de jeux de barres, dont chacun comprend deux barres interconnectées, ledit nombre de jeux de barres étant soit égal au nombre de paires de pôles de l'enroulement statorique de pas polaire le plus large dans le cas d'une réalisation monophasée du rotor, soit le triple de ce nombre de paires de pôles dans le cas d'une réalisation triphasée,

le nombre de paires de pôles du stator à prendre en considération étant relatif à l'enroulement statorique dont

le pas polaire est le plus large.

2.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans le cas d'une réalisation triphasée, chacune des barres constitutives d'ur. jeu, est commune à deux jeux de barres consécutifs, l'ensemble ainsi formé réalisant une

cage d'écureuil.

3.- Machine selon la revendication 2, caractérisée en

ce que lesdites barres sont régulièrement espacées sur la périphérie du rotor.

4.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, destinée à fonctionner comme alternateur synchrone, son premier enroulement est relié à une source de courant continu, le second enroulement étant le siège de forces électromotrices de sortie.

5.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, destinée à fonctionner comme moteur synchrone, son pre-mier enroulement est relié à une source de courant polyphasé tandis que son second enroulement est relié à une source de courant continu et constitue l'inducteur de synchronisation du moteur.

6.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enroulement d'excitation est réalisé en une seule bobine dont l'axe coïncide avec celui de la machine, cette bobine étant disposée entre deux demi-stators identiques mais décalés angulairement de manière à former alternativement des pales de nom contraire, le circuit magnétique étant fermé à l'extérieur par un matériau magnétique correctement disposé.

7.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, destinée à fonctionner comme moteur asynchrone, son premier enroulement est relié à une source de courant polyphasé, son second enroulement constituant l'organe secondaire induit du moteur.

<EMI ID=78.1>

que, destinée à fonctionner comme moteur asynchrone synchronisé, son premier enroulement est relié à une source de courant polyphasé, un commutateur étant prévu afin de faire fonctionner le deuxième enroulement, dans un premier temps, comme organe secondaire induit assurant le démarrage du moteur et, dans un deuxième temps, pour l'alimenter en courant continu afin d'assurer la synchronisation du moteur.

9.- Machine selon la revendication 1 résultant d'une superposition linéaire du procédé décrit dans la revendication, entre autres la superposition de divers jeux de barres dont l'angle d'ouverture entre les barres est différent.

10.- Machine électrique tournante, substantiellement telle que décrite précédemment et illustrée aux dessins annexés.