Moteur asynchrone synchronisé à deux vitesses La présente invention concerne un moteur asyn chrone synchronisé à deux vitesses.
Dans le domaine de la transmission de puissance, on a souvent besoin de moteurs électriques à plu sieurs vitesses, dont chacune est maintenue d'une manière très précise. On peut utiliser, par exemple, dans ce but un moteur asynchrone synchronisé com portant un dispositif permettant de modifier la fré quence du courant d'alimentation, afin de modifier la vitesse de rotation. Dans la plupart des cas, on n'a toutefois pas la possibilité de modifier la fréquence d'alimentation des moteurs d'entraînement. Un autre moyen pour obtenir une série de vitesses avec un moteur asynchrone synchronisé est d'équiper celui-ci d'un train d'engrenages ou d'un jeu de poulies, relié à son arbre d'entraînement.
La série de vitesses d'un tel ensemble est plus ou moins limitée et l'équipement nécessaire est encombrant et coûteux. De plus, cet équipement est souvent trop volumineux pour cer taines applications. Un autre inconvénient de ces dispositifs est d'exiger des accessoires nombreux et compliqués pour modifier la vitesse.
Le moteur électrique selon la présente invention supprime certains de ces inconvénients, du fait qu'il est d'une construction simple et peut fonctionner à deux différentes vitesses synchrones. La vitesse du moteur peut être modifiée, en effet, par simple per mutation des bornes du stator. De plus, le moteur peut être aisément combiné avec un train d'engre nages ou un jeu de poulies normal, de manière à dou bler la série des vitesses obtenables d'ordinaire avec un moteur asynchrone synchronisé normal à une seule vitesse comportant un tel équipement.
L'un des buts de l'invention est donc de fournir un moteur asynchrone synchronisé à deux vitesses, d'une construction simple et d'un fonctionnement efficace, susceptible de fournir approximativement le même couple aux deux vitesses synchrones.
Le moteur asynchrone synchronisé à deux vitesses selon l'invention comporte un stator agencé de façon à pouvoir fournir deux jeux de pôles inducteurs de nombres différents déterminant lesdites deux vitesses, un rotor tournant dans ce stator et comportant plu sieurs pôles saillants espacés circonférentielle- ment et présentant des encoches pour des conduc teurs, les pôles saillants adjacents étant séparés par des rainures axiales,
ces encoches et ces rainures axiales étant remplies de matériau non magnétique, mais électriquement conducteur, ces remplissages constituant des conducteurs qui sont interconnectés aux extrémités du rotor de manière à constituer une cage d'écureuil.
Ce moteur est caractérisé en ce que chacun des pôles alternés du rotor est subdivisé par au moins une rainure longitudinale, partant de la périphérie du rotor, de sorte que, lors du fonction nement à une première vitesse synchrone, lesdites rainures longitudinales et lesdites rainures axiales s'opposent au passage du flux transversal, tandis que, lors du fonctionnement à la deuxième vitesse syn chrone, seules lesdites rainures axiales s'y opposent.
Une forme d'exécution de l'invention est illustrée, à titre d'exemple, par les dessins annexés, dans les quels la fig. 1 est une vue en coupe d'un moteur asyn chrone synchronisé dont les enroulements statoriques sont couplés de manière à fonctionner en moteur à quatre pôles.
La fig. 2 est une vue en coupe du même moteur, mais dont les enroulements statoriques sont couplés de manière à fonctionner en moteur à huit pôles.
La fig. 3 est une vue en perspective du rotor, dont des parties ont été enlevées. La fig. 4 est un schéma des connexions des en roulements statoriques pour fonctionnement à quatre pôles.
La fig. 5 est un schéma des connexions des en roulements statoriques pour fonctionnement à huit pôles.
La fig. 6 est une vue d'une lame rotorique selon une variante, dans laquelle les pôles saillants alternés présentent deux rainures radiales, et la fig. 7 est une vue d'une lame rotorique selon une variante de la fig. 1, dans laquelle tous les pôles sont d'égales dimensions.
En se référant à ces dessins, le moteur asyn chrone synchronisé à deux vitesses 10 représenté comporte un rotor cylindrique 11 monté sur un arbre 12 et pouvant tourner à l'intérieur d'un stator 13, relativement à celui-ci. Le stator 13 est du type nor malement utilisé pour les moteurs asynchrones, sauf qu'il comporte un enroulement unique muni d'un jeu supplémentaire de barres de connexion, de sorte que l'enroulement statorique peut être connecté pour fournir sélectivement deux jeux de pôles inducteurs, ou bien le stator comporte deux euroulements ou plus,
disposés chacun de manière à fournir deux nombres différents de pôles inducteurs. Le stator et les deux jeux de pôles inducteurs 14 sont représentés schéma tiquement pour quatre pôles (fig. 1) et huit pôles (fig. 2). Dans la description qui va suivre, le stator sera considéré comme. ayant quatre ou huit pôles, à titre d'illustration, mais il va de soi qu'il pourrait également comporter n'importe quel nombre pair de pôles dans le premier jeu et le double de ce nombre dans le deuxième jeu.
Le rotor 11 consiste en un corps magnétique 17, de préférence feuilleté. Ce corps comporte plusieurs pôles saillants 18 et 18a, égal au plus grand nombre de pôles du stator. Les pôles saillants sont séparés par des rainures axiales 19 et peuvent être classés en pôles primaires 18 et pôles secondaires 18a. Les pô les primaires 18 sont ceux conjugués avec les pôles inducteurs du stator, lorsque le moteur fonctionne avec quatre ou huit pôles. Les pôles secondaires 18a sont ceux qui ne sont conjugués avec les pôles induc teurs du stator, que lorsque le moteur fonctionne en machine à huit pôles.
Les grandeurs des pôles sail- lants 18 et 18a, ainsi que la grandeur des rainures 19 séparant les pôles saillants adjacents, sont déter minées par les caractéristiques de performance dési rées du moteur. En général, et comme cela est in diqué aux fig. 1, 2, 3 et 6, les pôles primaires 18 ont une largeur circonférentielle plus grande que les pôles secondaire 18a, bien que dans certains cas il soit désirable que tous les pôles soient de même largeur circonférentielle, comme l'indique la fig. 7.
Comme l'indiquent les fig. 1 à 3, les pôles sail lants primaires 18 sont subdivisés chacun par une rainure longitudinale 20, partant de la périphérie et pénétrant radialement jusque près de l'alésage cen tral 22 du rotor. La partie intérieure radiale de chaque rainure longitudinale 20 est reliée à l'extré- mité intérieure d'une rainure 20 d'un pôle primaire adjacent, par une rainure de connexion 23.
Ces rai nures 20 et 23 servent à diviser le rotor en segments isolés magnétiquement et elles s'opposent au passage du flux transversal, qui est indiqué par les traits in terrompus aux fig. 1 et 2.
Les pôles 18 et 18a comportent également des encoches 25 d'enroulement de moteur asynchrone. Dans la forme de réalisation illustrée par les fig. 1, 2 et 3, les rainures longitudinales de subdivison 20, les rainures de connexion 23, les encoches d'enroule ment 25 et les rainures axiales 19 sont remplies d'un matériau non magnétique, mais électriquement con ducteur, et interconnectées aux extrémités du rotor par des anneaux 27, de manière à constituer une cage d'écureuil. De ce fait, le moteur présente les bonnes caractéristiques de démarrage d'un moteur à induit en court-circuit.
A la fig 3, les encoches d'enroulement 25, les rainures longitudinales de sub division 20 et les rainures axiales 19 sont représen tées obliques par rapport à l'axe du rotor, dans le but d'améliorer les caractéristiques d'induction du mo teur. La structure du rotor convient particulièrement au moulage en aluminium.
Dans un moteur à induction, le couple de sortie est une fonction de la réactance directe et de la réac tance transversale. Lorsque l'enroulement statorique est connecté pour quatre pôles, l'axe direct 29 dans ce moteur 10 est aligné avec les pôles saillants pri maires 18 et l'axe transversal 30 est décalé de 90 degrés électriques par rapport à l'axe direct.
Le cou ple de sortie (CR) est proportionnel à une constante (K) fois la différence entre l'inverse de la réactance transversale x,, et l'inverse de la réactance directe xd
EMI0002.0072
Pour obtenir un couple de sortie maximal, la réac tance transversale doit être réduite le plus possible et la réactance directe maintenue le plus près possible de son maximum.
La réactance étant proportionnelle au flux, il faut par conséquent réduire à un minimum le flux transversal. Dans un rotor, cela est réalisable en augmentant la réluctance dans le parcours de ce flux.
Lors du fonctionnement en moteur à huit pôles, selon fig. 2, l'axe direct 29 traverse la ligne centrale des pôles saillants primaires 18 et celle des pôles saillants secondaires 18a, tandis que l'axe transver sal 30 passe à mi-distance de ces pôles. Le moteur tourne à la vitesse synchrone, uniquement du fait de la réluctance.
Dans ces conditions, les rainures de subdivision 20 et les rainures de connexion 23 ont très peu d'effet sur le fonctionnement du moteur, car elles ne s'opposent pas au flux transversal (en traits interrompus, aux fig. 1 et 2) et n'interfèrent pas notablement avec le flux direct (en traits pleins).
D'autre part, lorsque le moteur fonctionne en machine à quatre pôles, comme indiqué à la fig. 1, les pôles saillants secondaires 18a sont situés à mi- distance entre les pôles primaires et sont directement alignés avec l'axe transversal 30, ce qui offre un bon parcours magnétique dans la direction de cet axe, alors qu'on cherche au contraire à supprimer le plus possible ce flux, pour améliorer la caractéristique de couple du moteur.
Les rainures de subdivision 20 et les rainures de connexion 23 sont donc ménagées dans les pôles pri maires et à l'intérieur du noyau du rotor, afin de s'opposer au passage du flux transversal. De plus, les rainures axiales 19 de part et d'autre des pôles secondaires 18a s'opposent, elles aussi, au passage du flux transversal, bien qu'elles ne soient pas idéale ment situées par rapport à l'axe transversal. Il s'en suit que les rainures de subdivision 20 et les rainures de connexion 23 doivent être suffisamment larges pour éliminer le flux transversal du moteur, qui con tourne les rainures 19.
Lorsqu'il fonctionne en ma chine à quatre pôles, le moteur est analogue, en ce qui concerne la construction et le fonctionnement, excepté les pôles secondaires 18a, au moteur décrit et dessiné dans le brevet suisse NQ 339665.
La largeur circonférentielle des rainures 19 est déterminée par la largeur circonférentielle des pôles saillants. Les rainures sont toutefois prévues pour réduire au minimum le flux transversal. En consé quence, leur profondeur doit être suffisante pour réduire le flux transversal sur toute leur étendue.
Les parcours des flux sont indiqués à la fig. 1, pour le moteur fonctionnant en machine à quatre pôles et, à la fig. 2, pour le moteur fonctionnant en machine à huit pôles. Le flux direct ou utile est in diqué en traits pleins et le flux transversal en traits interrompus. Ces fig. montrent que, lorsque le mo teur fonctionne en machine à quatre pôles, les rai nures axiales 19 et les rainures 20 et 23 s'opposent toutes efficacement au passage du flux transversal, tandis que, lorsque le moteur fonctionne en ma chine à huit pôles, seules les rainures 19 s'y opposent.
Le stator 13 comporte plusieurs groupes de bo bines 34 normales et des conducteurs qui en partent. Les enroulements statoriques doivent être convenable ment connectés, de manière à fournir soit quatre, soit huit pôles et permettre au moteur de fonctionner à deux vitesses synchrones. Les fig. 4 et 5 sont des schémas des connexions conventionnels pour enroule ments d'un moteur asynchrone à couple variable et à deux vitesses. Lors du fonctionnement à quatre pôles du moteur asynchrone, comme l'indique la fig. 4, les conducteurs 35, 36 et 37 sont reliés à une source de tension, de façon que le courant dans les groupes de bobines adjacents 34 à la périphérie du stator s'écoule en directions opposées.
Il en résulte quatre pôles magnétiques espacés dont les pôles adjacents sont de polarités contraires. D'autre part, lors du fonctionnement à huit pôles, comme l'indique la fig. 5, les conducteurs 40, 41 et 42 sont reliés à une source de tension, de façon que le courant dans les groupes de bobines adjacents à la périphérie du stator s'écoule dans la même direction. II en résulte quatre pôles magnétiques espacés, de même polarité, les espaces entres ces pôles constituant des pôles de polarité opposée, du fait du flux produit par le courant circulant dans les groupes de bobines. L'enroulement couplé pour huit pôles constitue un enroulement à pôles conséquents.
Avec ces deux couplages des enroulements, le couple du moteur asynchrone est différent pour chacune des vitesses de rotation, de sorte qu'il s'agit d'un moteur à couple variable. En outre, avec ce type de moteur asyn chrone, la vitesse n'est pas constante.
Pour supprimer ces inconvénients du couple va riable à deux vitesses de rotation différentes, les mo teurs asynchrones- étaient jusqu'ici construits de ma nière que les bobines statoriques constituent un cir cuit en double étoile, pour le fonctionnement à quatre pôles, et un circuit en triangle simple, pour le fonc tionnement à huit pôles. Ces circuits sont bien con nus, de sorte qu'ils ne sont pas indiqués dans les dessins annexés. Ces couplages permettent de réaliser un moteur asynchrone à couple constant, sensible ment le même aux deux vitesses de rotation.
Le mo teur ne fonctionne toutefois pas à vitesse constante, pour l'un comme pour l'autre des deux couplages des enroulements inducteurs.
Etant donné que le moteur asynchrone synchro nisé qui vient d'être décrit tourne d'une manière constante aux deux différentes vitesses synchrones, il semblerait logique d'utiliser des enroulements stato- riques donnant un couple constant et le rotor décrit pour réaliser un moteur ayant deux différentes vites ses constantes et un couple constant à chacune de ces vitesses. Pour cela, il faudrait un rotor comme celui indiqué en 11 et l'enroulement unique pour deux vitesses, à pôles conséquents et à couple cons tant, décrit ci-dessus.
Un tel moteur donne toutefois les deux résultats défavorables suivants 1 o Comparé au flux par pôle lors du fonctionne- ment à huit pôles, le flux par pôle du fonctionne- ment à quatre pôles n'est pas suffisant pour obtenir un couple constant aux deux vitesses. Pour cela, le rapport entre ces flux devrait être suffisamment grand pour surmonter l'effet con trariant des pôles secondaires 18a dans les axes transversaux, lors du fonctionnement à quatre pôles.
2o Le rotor 11 du type asynchrone synchronisé dés équilibre plus fortement les réactances du mo teur que ne le fait un rotor normal à cage d'écureuil du type asynchrone, de sorte qu'il en résulterait des courants de plus forte intensité et, par conséquent, des pertes plus élevées, dans un enroulement statorique en triangle. De ce fait, un tel moteur asynchrone synchronisé aurait un très mauvais rendement lors du fonctionnement à huit pôles.
Ces inconvénients sont tous deux supprimés en utilisant les enroulements indiqués aux fig. 4 et .5, qui constituent un enroulement unique pour deux vitesses, à pôles conséquents et à couple variable, en combinaison avec le rotor 11. Cet enroulement per met soit un couplage en double étoile (fig. 4) pour fonctionnement à quatre pôles, soit un couplage en étoile simple, à pôles conséquents (fig. 5) pour fonc tionnement à huit pôles. Ces couplages donnent le rapport des flux par pôle désiré et, par conséquent, un couple sensiblement constant aux deux vitesses.
Une variante de la construction du rotor feuilleté est représentée à la fia. 6, où les pôles primaires 18 sont subdivisés par une paire de rainures longitudi nales espacées 35, s'étendant à l'intérieur du rotor, en partant de la périphérie. L'extrémité intérieure de chacune de ces rainures 35 est reliée par une rai nure de connexion 40 à l'extrémité intérieure d'une rainure de subdivision 35 d'un pôle primaire ad jacent.
La construction du rotor feuilleté représentée à la fig. 7 est une variante de celle de la fig. 1, tous les pôles saillants ayant la même grandeur.