Equipement électrique comprenant un moteur et une génératrice tachymétrique
à entrefers axiaux et à mme nombre de phases
La présente invention a pour objet un équipement électrique comprenant un moteur et une génératrice tachymétrique à entrefers axiaux et à mme nombre de phases, qui est dépourvu des inconvénients habituels : difficultés de démarrage et risques de décrochage ou d'oscillation autour de la vitesse de synchronisme, et qui est particulièrement adapté aux grandes vitesses de rotation, de l'ordre par exemple de 10 000 tours/minute, pour des puissances pouvant atteindre plusieurs kilowatts.
Comme à de telles vitesses et puissances, il est hautement désirable de réduire au mieux, sinon d'annuler, les composantes d'attraction magnétique tant radiale qu'axiale, l'invention a pour but plus précis de fournir un équipement comprenant des machines tournantes à éléments discoidaux et à entrefer axial plat, dans lesquelles ladite composante radiale est intrinsèquement nulle et ladite composante axiale peut tre éliminée par un arrangement symétrique de l'inducteur par rapport à l'induit.
Au point de vue de l'efficacité électromagnétique, de plus, à de telles vitesses et puissances, l'entrefer axial doit demeurer, au point de vue magnétique, le plus étroit possible. Les meilleures conditions pour ce faire sont celles obtenues par l'usage de disques d'induit à bobinages imprimés ou autrement formés par des conducteurs plats adhérant intimement aux faces isolantes d'un support annulaire relativement mince sur lesquelles ils sont distribués.
Aux vitesses considérées également, il est désirable d'éviter l'emploi de balais ou frotteurs. Un autre but encore de l'invention est de fournir un équipement sans balais ou frotteurs.
L'équipement électrique conforme à l'invention est caractérisé en ce que ce moteur et cette génératrice comportent au moins un disque porte-bobinage stationnaire et au moins une couronne de pôles magnétiques permanents tournante, chaque bobinage étant constitué par des conducteurs plats et pourvus d'autant de prises électriques que de phases, et en ce qu'il comporte un ensemble d'éléments unidirectionnels en nombre égal à celui des phases, chaque élément unidirectionnel comportant une cathode, une électrode de commande et une anode, et recevant une différence de potentiel continue entre la cathode et l'anode,
chaque élément unidirectionnel ayant son électrode de commande alimentée par un courant dérivé d'une prise du bobinage de la génératrice tachymétrique et son anode qui alimente une prise d'alimentation d'une phase dudit moteur distincte vis-à-vis de la phase d'alimentation de son électrode de commande, le tout étant agencé de manière que la rotation du moteur soit pilotée par les déclenchements consécutifs desdits éléments unidirectionnels provoqués par les tensions engendrées par ladite génératrice tachymétrique au cours de cette rotation.
Plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemple, dans les dessins annexés dans lesquels:
la fig. 1 est un schéma d'ensemble d'un équipement dont les bobinages sont tri-hexaphasés;
les fig. 2 et 3 montrent des variantes partielles du schéma de la fig. 1, dans le cas d'un induit de moteur en étoile, fig. 2, et dans le cas d'un induit de génératrice en étoile, fig. 3, respectivement;
la fig. 4 est une vue en élévation en coupe d'une machine comprenant des disques d'induit de moteur et de génératrice accolés et disposés dans un entrefer unique d'inducteur tournant à deux couronnes de pôles inducteurs permanents;
la fig. 5 représente une face d'un disque d'induit de moteur à conducteurs imprimés et phases interconnectées en étoile, pour une machine trihexaphasée à huit pôles inducteurs doubles;
la fig. 6 est une vue partielle de l'autre face de ce disque d'induit, à l'emplacement des prises d'alimentation des phases;
les fig. 7 et 8 montrent des vues partielles des deux faces correspondantes d'un disque d'induit d'une génératrice tachymétrique;
la fig. 9 montre une variante d'une de ces faces lorsqu'on désire établir un montage en étoile pour cet induit de génératrice;
la fig. 10 montre une variante de la fig. 4 dans laquelle les disques d'induit ne sont plus accolés mais séparés, un inducteur unique tournant entre eux.
L'équipement électrique représenté comprend en fait trois sous-ensembles interconnectés, respectivement désignés par (A), (B) et (C) sur les fig. 1 à 3.
Le sous-ensemble (A) est en fait un groupe d'éléments unidirectionnels en nombre égal à celui des phases du moteur à piloter, chaque élément comprenant une cathode, une électrode de commande et une anode. La cathode est commune à tous les trajets de décharge de ces éléments unidirectionnels, numérotés de 1 à 6, les entrées d'électrodes de commande sont indépendantes, bornes correspondantes numérotées de 51 à 56, et les sorties d'anodes sont également indépendantes, bornes numérotées de 11 à 16. Cet ensemble d'éléments unidirectionnels peut consister en une pluralité de trajets de décharge ionique, une pluralité de décharges électroniques dans le vide ou encore en une pluralité d'éléments de la technique des semiconducteurs tels que transistors et éléments similaires.
Le sous-ensemble (B) comprend le moteur à alimenter, représenté ici simplement par son disque d'induit avec ses six prises de bobinage trihexaphasé, c'est-à-dire que chaque phase est divisée en deux portions égales et de sens de parcours opposés, numérotées de 31 à 36, par l'axe mécanique 20 de sa partie tournante, par l'inducteur comme il sera précisé plus loin, et par les circuits d'alimentation de cet induit à partir des sorties d'anodes 1 1 à 16 du sous-ensemble (A). Ces circuits comprennent, fig. 1, trois diviseurs de tension 7, 8, 9 et trois transformateurs 17, 18 et 19, respectivement branchés aux bornes des diviseurs de tension 9, 8 et 7 ; ces transformateurs sont indiqués comme ayant leur point milieu de secondaire à une polarisation qui peut tre une simple masse.
Les diviseurs de tension sont, par des prises médianes, reliés en commun au pôle positif +V d'une source de tension continue non autrement figurée; le pôle négatif, -V, de cette source, est connecté aux cathodes des éléments unidirectionnels 1 à 6 dans l'ensemble (A). Par des prises équidistantes de ces points milieux, les anodes des éléments 1 et 4, par les prises de sortie d'anodes 1 1 et 14, sont ainsi branchées sur le diviseur de tension 7, les anodes des éléments 3 et 6, par les prises 13 et 16, sur le diviseur de tension 8, et celles des éléments 5 et 2, par les prises 15 et 12, sur le diviseur de tension 9.
Un transformateur introduisant un déphasage de 180ç+ électriques entre ses bornes d'entrée et de sortie, les numérotages des bornes des secondaires des transformateurs 17, 18 et 19, bornes 22 et 25 pour le transformateur 17, 23 et 26 pour le trans formateur 18, 21 et t 24 pour le transformateur 19, tiennent compte de ce déphasage, pour mettre ces références en concordance avec les références des prises du bobinage d'induit du moteur.
Le sous-ensemble (C) comprend la génératrice tachymétrique, représentée sur la fig. 1 seulement par ses prises tri-hexaphasées d'induit, numérotées de 41 à 46, par l'arbre 20 d'entraînement de son inducteur par le moteur, et par les circuits électriques de connexion de ces prises aux bornes 51 à 56 des électrodes de commande des éléments unidirectionnels 1 à 6 du sous-ensemble (A). Ces circuits de connexion comprennent trois transformateurs ayant le point milieu de leur secondaire polarisé à une tension v, la mme pour les trois.
Le transformateur 27 a ses bornes de primaire connectées aux prises 41 et 44, le transformateur 28, aux prises 43 et 46, et le transformateur 29, aux prises 42 et 45. Le numérotage, donc la connexion, des bornes de sortie de ces transformateurs vers les électrodes de commande tiennent compte du déphasage de 180 entre bornes d'entrée et de sortie de tout transformateur usuel.
Le fonctionnement d'un tel équipement peut s'exposer comme suit:
Dès le lancement du moteur, par tout processus approprié usuel, l'induit de la génératrice tachymétrique engendre et distribue des tensions hexaphasées aux grilles de commande des éléments unidirectionnels 1 à 6 qui sont donc, tour à tour, actives et alimentent donc directement l'induit du moteur par un jeu de courants d'une fréquence proportionnelle à la vitesse mme instantanée du moteur ; ce processus se poursuit jusqu'à la vitesse de régime à laquelle le moteur est alors maintenu par le pilotage automatique des éléments unidirectionnels à partir des tensions fournies par la génératrice tachymétrique.
Le moteur travaille alors comme un moteur synchrone au couple maximum, donc avec le meilleur rendement et sans risque aucun d'instabilité ou de décrochage puisque la fréquence d'alimentation des grilles de pilotage est à tout instant isochrone avec la vitesse de rotation ellemme.
L'équipement se comporte en fait comme un moteur autosynchrone et sa vitesse de rotation peut tre variée par simple variation de la polarisation v puisque alors la composante moyenne du courant débité dans chacune des anodes del'ensemble unidirectionnel varie.
Lorsque l'induit du moteur est en étoile, avec point milieu sorti donc disponible, fig. 2, le montage se simplifie en ce que les transformateurs 17 à 19 de la fig. I sont supprimés ainsi que les diviseurs de tension 7 à 9. Le point commun du montage en étoile est alors directement relié par une résistance de protection 30, quand de besoin, au pôle + V de la source de courant continu, et les points 11 à 16 de sortie d'anodes des éléments unidirectionnels sont directement connectés aux prises 31 à 36 du bobinage d'induit.
Lorsque similairement, on dispose d'un bobinage de génératrice en étoile à point milieu disponible, fig. 3, le montage peut se simplifier également en ce que les prises 41 à 46 de ce bobinage sont alors directement connectées aux entrées 51 à 56 des électrodes de commande des éléments unidirectionnels 1 à 6, le point milieu de l'étoile étant connecté par une résistance 40, quand de besoin, à la tension de polarisation v.
Comme dit, un tel équipement tire avantageusement partie des propriétés des machines tournantes à entrefer axial et plus particulièrement encore de celles de ces machines dont les bobinages induits sont réalisés en disques minces à conducteurs plats adhérant intimement aux faces d'un support annulaire. De plus, pour éviter les frotteurs et balais, l'inducteur est tournant et l'induit fixe, tant dans le moteur que dans la génératrice tachymétrique. Il devient alors avantageux d'établir le groupe moteur-génératrice tachymétrique en une unité ne comportant qu'un seul entrefer magnétique, donc une seule structure d'inducteur.
Ceci est rendu possible par le recours aux bobinages du type indiqué puisque alors chaque disque est d'une très faible épaisseur et l'accolement des deux disques, induit de moteur et induit de génératrice tachymétrique, par l'intermédiaire d'un intercalaire isolant, laisse encore un entrefer de faible épaisseur. Une telle machine mixte est montrée en élévation en coupe sur la fig. 4.
Sur cette fig. 4, le disque d'induit du moteur est indiqué en 37 et le disque d'induit de la génératrice tachymétrique en 47, en correspondance d'ailleurs des références de ces éléments sur les fig. 1 à 3. Ces disques sont accolés et séparés par l'intercalaire isolant 39. L'ensemble ainsi formé est serré, à sa périphérie extérieure, entre des bagues 38 et 48 espacées par un anneau 39, cet ensemble étant monté dans un carter non figuré.
L'inducteur est constitué de deux couronnes de pôles magnétiques 49 et 50, par exemple des aimants permanents, fixés sur des plaques de culasse annulaires 57 et 58, montées sur un manchon 59 destiné à tre claveté sur l'arbre (20, non figuré à la fig. 4). La machine est par exemple à huit pôles magnétiques, ce nombre, comme celui des phases, étant bien entendu indifférent. En place d'aimants permanents distincts et montés sur culasse magnétique, on pourrait, aussi bien, utiliser des anneaux d'un matériau magnétique à haute coercitivité, tel qu'une ferrite dure , sur les pourtours desquels on aurait formé par traitement magnétisant des pôles magnétiques permanents; il suffirait alors de monter directement de tels anneaux sur le manchon 59.
En variante encore, on pourrait utiliser des aimants en U montés dans ledit manchon, pourvu que l'ouverture centrale de l'induit soit suffisamment grande pour permettre la mise en place desdits aimants en U. En variante également, les pôles inducteurs peuvent tre établis d'un seul côté de l'induit, en une couronne unique, et une culasse magnétique fixe tre prévue de l'autre côté et accolée à cet induit. Toutefois, le rendement sera bien entendu meilleur avec une double couronne de pôles encadrant ledit induit.
Les prises de bobinages sont réalisées avec certains conducteurs et sortent entre les bagues 38-39 et 39-48 pour permettre de réaliser les connexions électriques en conformité avec les schémas électriques des fig. 1 à 3.
L'induit du moteur peut comprendre un bobinage ondulé-série ou imbriqué, mais dans ce dernier cas, il faudrait autant de jeux de prises que de pôles dans la machine; aussi est-il plus souvent avantageux de n'utiliser que le type de bobinage ondulé-série qui n'exige qu'un seul jeu de prises à établir dans le bobinage.
En variante, et tout en conservant les principaux avantages sus-énumérés, notamment d'équilibrage, on peut, fig. 10, séparer les induits du moteur 37 et de la génératrice 47 en les appliquant alors sur des anneaux 137 et 147 en matériau magnétique, ferrite douce ou tôle magnétique spiralée sur champ pour assurer la refermeture des flux. Des bagues filetées 38 et 48 assurent alors le maintien de ces induits sur un manchon 103 qui en assure l'écartement. L'inducteur discoïdal 100 monté sur un moyeu 101 par bague filetée 102, par exemple, tourne alors entre les disques d'induits.
L'inducteur peut consister en un disque épais de matériau à haute coercitivité et forte rémanence, tel qu'une ferrite dure, les deux couronnes de pôles magnétiques y étant formées par traitement magnétique sur ses deux faces opposées, ou il peut consister en une plaque magnétique intercalée, pour servir de culasse, entre deux couronnes de pôles magnétiques saillants.
A simple titre illustratif, un induit de moteur à courant alternatif à bobinage ondulé-série à quarante-neuf spires, donc quarante-neuf conducteurs par face, pour machine octopolaire, à six phases et deux spires par phase et pôle est représenté sur les fig. 5 et 6.
De façon générale, un tel bobinage comprend deux jeux de conducteurs formant des demi-spires respectivement établis sur les faces opposées d'un support annulaire isolant 60, chaque conducteur ayant mme configuration et mmes dimensions, à savoir une partie active sensiblement sectorale 61 prolongée à ses deux extrémités par des parties inclinées ou incurvées, vers l'extérieur en 62 et vers l'intérieur en 63 jusqu'à des plots terminaux 64 sur la périphérie externe et 65 sur la périphérie interne. Pour un bobinage ondulé-série, ces portions d'extrémité ont mme orientation générale vis-à-vis de la direction radiale; pour un bobinage imbriqué, ces orientations seraient contraires (et il y aurait un nombre pair de demi-spires, naturellement).
D'une face à l'autre, les parties actives sont sensiblement superposées mais, le dessin du bobinage étant retourné , les orientations des parties inclinées sont, vues d'un mme côté, opposées. Les inclinaisons de ces parties sont établies pour fixer les pas avant et arrière du bobinage en sorte que pour fermer les spires entre les faces il suffit d'établir des interconnexions, par exemple par métallisation de trous percés dans les plots terminaux en regard et à travers le support isolant. De telles traversées d'interconnexion sont indiquées sur le schéma par des points tels que ceux en 66 et 67.
Si la totalité de ces interconnexions étaient établies, on obtiendrait un bobinage d'induit pour machine à courant continu, lequel d'ailleurs pourrait tre converti en bobinage alternatif à phases en polygone ou en anneau régulier par l'établissement de prises distribuées sur sa périphérie dans l'ouverture d'un pas polaire double de celui défini par le nombre de phases alternatives. Pour un bobinage hexaphasé, comme considéré à titre illustratif, ces prises sont espacées de 30O électriques entre elles comme le sont les prises indiquées de 31 à 36 sur les fig. 5 et 6, à la réserve près que les interconnexions seraient effectivement établies entre faces aux emplacements de ces prises et que, fig. 5, seraient omis la prise 68 et le segment conducteur 69.
Mais comme on désire de préférence monter l'enroulement en étoile avec point commun sorti, on n'a pas établi les interconnexions de face à face aux emplacements des prises 31 à 36 et on a établi au contraire ladite prise additionnelle 68 et le segment conducteur 69 lequel est directement relié, sur la face opposée à celle qui porte les prises 31 à 63, aux plots terminaux des conducteurs faisant face à ceux directement reliés auxdites prises. Les conducteurs étant réalisés par une technique dite d'impression des circuits ou similaire, des configurations telles que celles montrées sont aisément réalisables.
Par exemple et à simple titre illustratif, on peut procéder comme suit: sur une couronne isolante 60, on colle deux feuilles conductrices ¯ débordant par leurs périphéries externes, et on pratique les per çages d'interconnexions aux emplacements requis; puis on réalise une photogravure des deux faces, selon un processus usuel, pour l'obtention des tracés conducteurs requis ; enfin on procède, de façon également usuelle, à la métallisation des trous. Les languettes des prises viennent donc d'une pièce avec les conducteurs, ainsi que les continuités entre conducteurs et prises.
Dans le cas d'un bobinage imbriqué, il faudrait autant de jeux de prises que de doubles pas polaires, les prises étant, de jeu à jeu, destinées à tre ensuite reliées en commun à autant de bornes d'alimentation.
Le disque d'induit de la génératrice tachymétrique pourra tre similairement formé; cependant, pour la commande des électrodes de commande, on doit observer que celle-ci est récurrente dans chaque tour de l'induit moteur, en sorte qu'il est inutile de répartir le bobinage sur la totalité de la circonférence de cet induit. En principe, donc, il suffirait que les bobinages de l'induit de la génératrice tachymétrique couvrent l'ouverture d'un double pas polaire, avec la totalité des phases groupées dans cette ouverture. Selon une forme de réalisation avantageuse, il est prévu de répartir les bobines de l'induit de la génératrice tachymétrique sur des surfaces de doubles pas polaires distinctes du disque, ce qui permet d'éviter l'imbrication ou la superposition des bobines des différentes phases.
Les fig. 7 et 8 montrent les deux faces d'un disque d'induit de la génératrice tachymétrique, en demi-vues puisque, dans les demi-faces non montrées, il n'y a pas de bobinage du tout. On considère illustrativement un bobinage double-face.
Les trois bobines 71-81, 72-82 et 73-83 sont indépendantes si l'on ne considère que les fig. 7 et 8.
Chaque bobine présente cependant un point milieu, aux emplacements de traversée 74, 75 et 76 du sup port isolant. Chaque bobine couvre angulairement un pas polaire de la machine, c'est-à-dire l'ouverture entre les axes d'un pôle Nord et d'un pôle Sud consécutifs sur la circonférence de l'inducteur. Les axes radiaux des bobines sont à 600 électriques l'un de l'autre puisque dans un bobinage tri-hexaphasé, trois des tensions sont en opposition de phases relatives avec les trois autres. Les languettes 41-44 sont superposées mais non interconnectées. I1 en est de mme pour les languettes des paires 43-46 et 45-42. Chaque bobine est sectorale dans cet exemple et, en pratique, comportera un nombre de conducteurs plus important que celui dessiné.
Si l'on désire, pour omettre les transformateurs d'attaque des électrodes de commande, utiliser le point milieu des bobines, on appliquera, fig. 9, pardessus l'une des faces, et avec l'intermédiaire d'une feuille isolante, supposée transparente pour la clarté du dessin, un segment conducteur 79 muni d'une languette de sortie 80 et ce segment sera, par traversées 78 de cet isolant intercalaire, relié électriquement aux trois points milieu des bobines.
Ce type de bobinage de la génératrice tachymétrique présente l'avantage de permettre, quand de besoin, d'imposer une forme spéciale aux courants prélevés par une distribution adéquate des largeurs des conducteurs des spires des bobines, comme il est par exemple décrit dans le brevet suisse No 364028.