Moteur électrique à réluctance variable destiné à être alimenté en courant continu ou redressé La présente invention est relative à un moteur électrique à réluctance variable destiné à être ali menté en courant continu ou redressé et dans le quel la commutation s'effectue par des moyens élec troniques.
L'invention a pour but de fournir un mo teur susceptible d'une part de tourner à des vi tesses nominales très basses ou très élevées, et d'autre part, de fournir un couple de démarrage élevé et de permettre des variations de vitesse dans des limites extrêmement larges sous l'effet des va riations de la charge, c'est-à-dire pouvant fournir un couple moteur variant lui-même dans de larges limites en fonction de la vitesse.
On a déjà proposé de réaliser des moteurs à ré luctance variable, c'est-à-dire comportant un in ducteur constitué par un noyau magnétique bobiné à pôles saillants et un induit constitué par un noyau magnétique à pôles saillants non bobiné et non po larisé, en fer doux,
l'inducteur comportant deux enroulements décalés alimentés alternativement par des impulsions de courant provenant d'une source de courant continu et la commutation de ces en roulements s'effectuant par des moyens électroni ques tels que thyratrons ou transistors contrôlés gé néralement par des moyens mécaniques, magnétiques ou électromagnétiques, liant la vitesse instantanée du moteur à la fréquence de commutation du cir cuit d'alimentation.
Toutefois ces moteurs connus ne permettent pas d'obtenir le résultat visé par l'invention, c'est-à-dire un couple de démarrage élevé et une variation très étendue de la vitesse en fonction de la charge. Ce défaut des moteurs connus est imputable au fait que, dans tous ces moteurs connus, la commuta tion s'effectue à des instants correspondant à une position relative immuable des dents du rotor et des dents du stator, de sorte que l'augmentation pos sible du courant dans les enroulements qui est pro voquée, lors d'une augmentation de la charge,
par la diminution de la réluctance du circuit magnétique due au retard des dents du rotor par rapport à la vitesse de synchronisme, se trouve strictement limi tée par la valeur de la réluctance correspondant à la position de commutation, de sorte que la gamme des variations de vitesse est très étroite :
en effet, lorsque cette augmentation de courant est insuffi sante pour donner lieu à un couple moteur corres pondant à l'accroissement de la charge, le moteur s'arrête.
Le moteur faisant l'objet de la présente inven tion remédie à cet inconvénient en réalisant un ajustement automatique, en fonction de la charge (et donc de la vitesse), de la position relative des dents du stator et du rotor dans laquelle s'effectue la com mutation, ce résultat étant obtenu par une adapta tion à la fois du circuit magnétique du moteur et du circuit d'alimentation.
Le moteur suivant l'invention est caractérisé par le fait que le circuit magnétique du moteur est agencé de façon que sa réluctance varie progres sivement entre de larges limites dans la majeure partie de chaque cycle correspondant à une rotation d'un pas polaire, et par le fait qu'il comprend des moyens sensibles aux variations du courant dans l'enroulement inducteur correspondant aux varia tions de la vitesse du moteur et agencés de manière à contrôler le déclenchement des impulsions de ten sion fournies par l'oscillateur.
Dans une forme de réalisation de l'invention, le moteur peut comporter, d'une manière connue en elle-même, deux enroulements montés en parallèle sur deux noyaux magnétiques inducteurs distincts dont les pôles sont décalés l'un par rapport à l'au tre d'un demi-pas polaire, et deux noyaux induits distincts dont les pôles sont alignés,
les pôles de l'induit ayant dans le sens périphérique une plus grande largeur que les pôles de l'inducteur et une hauteur radiale décroissante au voisinage d'un de leurs bords de façon à créer un entrefer croissant sur une largeur correspondant à celle dont les pôles de l'induit dépassent ceux de l'inducteur.
Les deux en roulements inducteurs peuvent "être alimentés alter nativement à partir d'une source de courant continu ou redressé par un dispositif de commutation com portant deux transistors de puissance commandés par un oscillateur astable constitué par deux trans istors se commandant l'un l'autre et comportant chacun un circuit à résistance et capacité monté entre le collecteur de
l'un et la base de l'autre et dont les circuits émetteurs sont reliés respective ment aux bases des deux transistors de puissance (ou directement aux enroulements du moteur dans le cas de moteurs de petite puissance), tandis qu'une bobine de self à air, ayant un coefficient de surten sion élevé et montée en série avec l'ensemble de l'enroulement inducteur,
est reliée aux circuits ré- sistance-capacité de l'oscillateur astable. Les impul sions de tension engendrées par cette self au mo ment de la commutation et dont la valeur dépend de la charge du moteur,
exercent une influence sur le déclenchement de la décharge des capacités de ces circuits et réalisent ainsi un couplage efficace assurant le réglage automatique de la fréquence des impulsions d'alimentation en fonction de la charge du moteur.
On peut utiliser pour le circuit magnétique de ce moteur, des matériaux magnétiques permettant d'obtenir des inductions élevées avec des champs ma gnétiques faibles sans donner lieu à une induction rémanente élevée.
A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et re présenté au dessin annexé plusieurs formes de réa lisation du moteur suivant l'invention.
La fig. 1 est une demi-coupe axiale d'un moteur selon une première forme de réalisation, suivant I-I de la fig. 2.
La fig. 2 est une coupe transversale partielle suivant II-II de la fig. 1.
Les fig. 3 et 4 sont des vues développées re présentant les pôles du stator et du rotor dans des positions relatives différentes.
La fig. 5 est le schéma de l'ensemble des circuits d'alimentation et de commande du moteur.
Les fig. 6 à 10 sont des schémas illustrant le mode de fonctionnement du moteur.
La fig. 11 est une vue en coupe axiale d'une autre forme de réalisation du moteur suivant l'in vention, tandis que les fig. 12 et 13 sont des coupes transversales suivant les lignes XII et XIII-XIII de la fig. 11.
La fig. 14 est une vue développée du circuit magnétique de ce moteur. La fig. 15 est une demi-coupe axiale d'une au tre forme de réalisation du moteur comportant un entrefer plan.
La fig. 16 est une vue développée du circuit magnétique de ce moteur.
La fig. 17 est une vue latérale du stator com portant un circuit imprimé.
La fig. 18 est une vue en coupe axiale du moteur suivant les fig. 1 à 4, en application à la commande d'une pompe, le moteur n'étant pas isolé du liquide pompé par un presse-étoupe.
Comme représenté en fig. 1 et 2, les circuits ma gnétiques du moteur sont constitués par deux en sembles à réluctance variable, de préférence isolés magnétiquement l'un de l'autre.
Dans l'exemple re présenté, le stator est constitué par deux couronnes en matériau magnétique doux 1 et 2 enrobées d'une chape 3 en matière plastique, de préférence thermo durcissable, destinée à permettre d'obtenir facile ment un ensemble rigide et susceptible de ne créer aucune fuite magnétique ou électrique, la partie mé diane 4 de cette chape formant cloison de séparation des couronnes 1 et 2. Les deux circuits ainsi fixés ont entre eux un espacement de quelques millimètres de façon à éviter toute influence magnétique récipro que.
L'ensemble ainsi formé pourra être monté d'une façon quelconque dans une carcasse du mo teur. Les deux couronnes magnétiques 1 et 2 peu vent être utilement réalisées par des moyens ne né cessitant pas d'usinage complexe, à l'aide de maté riaux ferromagnétiques doux pressés et frittés ou sui vant la technologie de mise en oeuvre des oxydes métalliques tels que les ferrites nickel-zinc ou man ganèse-zinc et dont la caractéristique essentielle à obtenir est une induction rémanente très basse.
Ces couronnes présentent intérieurement des pôles sail lants en forme de dents respectivement 5, 5', 5" ... et 6, 6', 6", ..., les deux stators étant décalés com me représenté sur la fig. 2 de un demi-pas polaire.
En regard des deux demi-stators 1 et 2, les cir cuits magnétiques comportent deux demi-rotors 7 et 8 exécutés de préférence dans un matériau magnéti que doux identique à celui des stators. Ils sont, tout comme les stators, montés dans une chape en matière plastique 9 de façon à être isolés magnéti- quement l'un de l'autre.
Les deux rotors ainsi for més présentent sur leurs périphéries des pôles sail lants 10 et 11 situés dans l'alignement les uns des autres et dont le nombre doit être égal à celui du stator ou tout au moins égal à un multiple ou à un sous-multiple de ce dernier. Comme visible en fig. 2, les pôles 10,<B>Il</B> du rotor présentent périphéri- quement une largeur plus grande que ceux du sta tor et ils ont au voisinage d'un de leurs bords, une hauteur radiale plus faible que dans la partie res tante dont la largeur est égale à celle des pôles du stator ;
dans cette partie 12 de hauteur inférieure, les dents du rotor ont une forme légèrement coni que, de façon à créer, lorsque cette partie passe de- vaut les dents du stator, un entrefer plus impor tant décroissant progressivement.
Les deux stators 1 et 2 présentent sur leur face intérieure une gorge circulaire 13, 14 dans cha cune desquelles est logé un enroulement 15, 16 constitué par un tore formé de spires annulaires concentriques à l'axe du moteur de fils isolés, par exemple émaillés, de sorte que les lignes de flux ma gnétique se ferment dans des plans radiaux autour de l'enroulement à travers le stator, l'entrefer et le rotor.
Grâce à cette disposition et à la forme des dents du rotor, le moteur démarre automatiquement lors de l'envoi de deux impulsions de courant successive ment dans les deux enroulements 15 et 16. En effet, si à l'arrêt le moteur se trouve dans la position re présentée en fig. 2, dans laquelle la partie haute des dents 10 du rotor se trouve en face des dents 5 du demi-stator 1, l'envoi d'une impulsion de courant dans la bobine 16 du demi-stator 2, provoque une attraction entre les dents 6' de ce demi-stator et la partie 12, qui est rapprochée de ces dents,
des dents 11 du rotor. Il en résulte que le rotor se déplace de façon que la partie haute des dents du rotor vient en face des dents 6' du demi-stator 2 et si, à ce moment, le courant est coupé dans l'enroulement 16 et établi dans l'enroulement 15, le même phéno mène provoque un nouveau déplacement d'un pas du rotor, et ainsi de suite.
Si par contre, dans la position de repos, le rotor se trouve décalé plus ou moins par rapport à la position représentée en fig. 2, une première impulsion de courant, par exemple dans l'enroulement 15 du stator 1, ramènera le rotor dans la position de réluctance minima de la fig. 2 et les impulsions suivantes provoqueront le démar rage du moteur de la façon décrite ci-dessus.
On remarquera que le moteur ainsi réalisé démarre toujours dans le même sens (celui de la flèche de la fig. 2) et cela quel que soit le sens du courant dans les enroulements, ce qui permet d'éviter toute erreur de montage. Par contre, une inversion du sens de rotation du moteur exige un retournement bout pour bout du rotor.
Le dispositif d'alimentation à couplage automa tique du moteur décrit est représenté en fig. 5. Il est susceptible de commuter un courant continu ou redressé filtré et d'envoyer successivement des impul sions de courants unidirectionnelles dans chacune des deux bobines 15, 16 du moteur montées en pa rallèle entre les bornes 17 et 18 de la source d'ali mentation. Chaque enroulement moteur 15, 16 est monté en série avec le collecteur d'un transistor de puissance 19, 20 et ils sont ensemble reliés au pôle moins en série avec une self à air 21 dont le rôle sera défini plus bas.
Ces transistors 19, 20 sont dans le schéma choisis du type PNP. Les émetteurs de ces deux transistors sont reliés à la borne positive 17 de la source d'alimentation. Leurs bases sont reliées d'une part au pôle positif par des résistances de blocage 22, 22' et d'autre part aux émetteurs de deux transistors oscillateurs 23 et 24 jouant en outre dans le schéma représenté le rôle d'amplificateurs.
Les collecteurs de ces transistors oscillateurs 23, 24 sont montés chacun en série avec une résistance 25, 26 limitant le courant de commande de l'étage de puis sance, à une valeur acceptable pour les transistors oscillateurs 23, 24.
On peut observer qu'il est inté ressant de faire en sorte que cette résistance ait une valeur suffisamment basse de façon à saturer la base du transistor de l'étage de puissance, quel que soit le gain en courant de ce dernier. La base de cha cun des transistors oscillateurs 23, 24 est reliée au collecteur de l'autre par l'intermédiaire d'une ca pacité 27, 28 et au pôle négatif par l'intermédiaire de résistances 29, 30, qui, dans ce cas particulier,
sont variables de façon à permettre le réglage de la fréquence de l'oscillateur astable ainsi réalisé qui est connu en soi. Les deux transistors oscillateurs seront donc alternativement l'un bloqué et l'autre conducteur sous l'action des charges et décharges successives des deux capacités 27 et 28. Ce système oscille immédiatement à la mise sous tension du mon tage car l'on se trouve toujours en présence d'une dissymétrie de résistance ou de capacité d'un des groupes RC par rapport à l'autre.
La fréquence des oscillations désirées sera obtenue par la variation simultanée des résistances 29, 30 accouplées mé- caniquement par exemple, puisque la fréquence de fonctionnement d'un tel oscillateur est sensiblement égale à F = 0,7 R X C. Deux thermistances 31 et 32 sont montées en série avec les résistances 29, 30 des réseaux R.
C. de façon à provoquer automati quement et pendant un temps court, lors de la mise sous tension du montage, une augmentation de la constante de temps de l'oscillateur et donc un abaissement de la fréquence des oscillations au dé marrage, afin de favoriser ainsi le processus de cou plage avec le moteur, qui sera décrit ci-après. Une résistance 33 permet d'ajuster le niveau moyen de la tension de fonctionnement des réseaux R. C.
Deux diodes 34 et 35 sont montées en parallèle sur chacun des enroulements 15, 16 du moteur et en série avec une résistance 36 commune aux deux enroulements. Lors de l'envoi d'une impulsion de courant dans une bobine du moteur, une orientation convenable de la diode ne permet pas à ce courant de traverser la résistance 36 ;
par contre après la cou pure de ce courant, l'énergie emmagasinée dans la bobine et le circuit magnétique pourra se dissiper dans la résistance 36, le courant s'amortissant alors dans un circuit fermé comportant en série la bobine 15, par exemple, la diode correspondante 34 et la résistance 36 commune aux deux circuits.
On peut remarquer que l'énergie emmagasinée dans une bo bine et dans son circuit magnétique provoquera, lors de la coupure du circuit, une surtension qui sera fonction de la vitesse de commutation du transistor. Le système diode et résistance décrit a pour but de limiter cette surtension à une valeur acceptable par le transistor,
mais il y aura intérêt à faire en sorte que cette résistance soit aussi élevée que le permet tra la surtension .acceptable pour le semi-conduc teur afin que le courant continuant à circuler après la coupure dans une bobine du moteur ne provo que pas un champ rémanent susceptible d'opérer un freinage du moteur.
L'on peut aussi résoudre ce problème en sup primant les diodes 34, 35 et la résistance 36 et en les remplaçant par des thyrites 37, 38, ou résis tances variables avec la tension, montées en paral lèle avec les enroulements du moteur.
Les caracté ristiques de ces thyrites peuvent être choisies de façon telle que leur résistance soit très élevée sous la seule tension directe, ne créant ainsi qu'une perte négligeable, et s'abaisse rapidement dès qu'une surtension apparaît, provoquant ainsi une action sensiblement identique à ce qui se passe avec les diodes et résistances en série.
Enfin, l'ensemble du montage ainsi défini se trouve en série avec la self à air 21 possédant, pour un moteur donné, des caractéristiques bien définies du point de vue de la résistance, du nombre de spi res et de ses formes géométriques, ces caractéristi- ques étant définies en fonction des nécessités du couplage dont il sera question maintenant.
Si l'on examine la courbe du couple donné par un circuit magnétique à réluctance variable tel que celui du moteur décrit, et ceci en présence d'une induction constante à l'état statique, l'on voit que les différentes positions relatives<I>a, b,</I> c, des pôles re présentés dans la fig. 6 correspondront à la courbe de la fig. 7 où les retards angulaires seront repré sentés en abscisse et les efforts tangentiels en or donnée.
On peut donc se rendre compte que tout accrois sement de l'effort résistant sur le moteur se tra duira par l'établissement d'une valeur déterminée de l'effort tangentiel définissant le retard angulaire que la denture du rotor est susceptible de prendre.
A ces différentes positions de la denture du rotor en retard vont correspondre des états très différents de la réluctance, et ces états très différents de la ré luctance permettront, en fonction d'un retard crois sant du rotor sous l'action d'une charge, de réaliser une courbe d'établissement de courant plus rapide et plus élevée.
En supposant que, pour la vitesse nominale à charge nulle du moteur, l'impulsion de tension soit appliquée dans la position a, cette impulsion de tension 37 (fig. 8a), donne lieu dans l'enroulement correspondant 15, 16 de l'inducteur à un courant ayant l'allure de la courbe 38 et provoquant aux bornes de la self 21 une tension représentée par la courbe 39 (fig. 9a) qui détermine la courbe de dé charge correspondante 40 (fig. 10a) du condensa teur 27,
cette décharge étant déclenchée aux ins tants t1 <I>,</I> t2 <I>,</I> ... tandis que la décharge du condensa teur 28 s'effectue suivant la courbe 40' et se trouve déclenchée aux instants t'1, t'. <I>,</I> ..., la différence t2-ti définissant la fréquence des impulsions d'alimenta tion.
Si la charge vient à augmenter, la vitesse du rotor diminue et le retard du rotor a par exemple pour effet que l'impulsion de tension 37 est déclen chée au moment où la position relative du stator et du rotor correspond à la position b correspondant à une réluctance plus faible du circuit magnétique. Le courant dans l'inducteur prend de ce fait l'allure de la courbe 41 (fig. 8b), et atteint une intensité plus forte, tandis que la tension aux bornes de la self 21 s'établit suivant la courbe 42 (fig. 9b).
Il en résulte que les décharges des condensateurs 27, 28 se trouvent retardées (courbes 43 et 43' de la fig. 10b) et sont déclenchées aux instants t3, t4, <I>... ,</I> <I>t'3 ,</I> t'4 ... et la fréquence des impulsions alimentant le moteur se trouve abaissée en raison inverse de l'accroissement de la différence (t., <I>-</I> t;;) par rapport <I>à</I> (t2 <I>-</I> t1).
Il y a lieu de noter un avantage supplémentaire du moteur qui vient d'être décrit et qui consiste en ce que son fonctionnement est relativement peu influencé par les variations de la tension d7alimen- tation qui n'a que très peu d'influence sur la vitesse du moteur et qui se traduit seulement par une dimi nution du couple moteur.
L'utilisation, pour la construction du moteur décrit, de matériaux magnétiques à haut point de Curie, les bobines étant convenablement isolées à l'aide de matières plastiques thermodurcissables ré sistant aux températures élevées et pouvant éventuel lement être facilement refroidies, permet d7envisa- ger un fonctionnement à des températures de l'or dre de 450o.
D'autre part, en cas de blocage du rotor dans une position quelconque, le courant maximum pos sible absorbé par le moteur se trouve défini et limité, dans le cas le plus défavorable où les dents de l'une des parties du rotor se trouvant au milieu du creux séparant les dents du stator correspondant, par la courbe d'établissement du courant dans la bobine 21 dans l'état de self correspondant. En ayant donc pris par construction les précautions nécessaires, on peut, sans aucun danger pour le moteur ou sa commande,
le laisser sous tension à l'état bloqué.
Les fig. 11 à 14 représentent une autre forme de réalisation du moteur suivant l'invention, dans la quelle les entrefers, au lieu d'être cylindriques, sont plans et situés dans des plans transversaux à l'axe du moteur.
A cet effet les couronnes magnétiques 64 et 64' formant les deux demi-stators présentent sur leurs faces tournées l'une vers l'autre des gorges circulaires latérales 65, 65' formant des logements pour des bobinages toriques 66, 66', ces deux cou ronnes magnétiques étant logées dans des couronnes en matière isolante, de préférence thermodurcissa ble, 67, 67' ayant une section en forme de U couché. Les deux demi-stators 64, 64' ainsi formés sont montés dans la carcasse 68 du moteur avec un cer tain écartement entre eux de façon à pouvoir loger dans l'espace libre compris entre ces demi-stators les deux demi-rotors 69,
69' portés par un moyeu en matière plastique isolante 70 solidaire d'un disque 71 sur les deux faces duquel sont fixés des demi- rotors 69, 69' portant des dents 72, 72', faisant saillie latéralement sur ces deux disques et ayant une forme semblable à celle représentée en fig. 2.
De même les deux demi-stators 64, 64' sont munis de pôles en forme de dents 73, 73' faisant saillie la téralement vers l'intérieur et ayant une largeur égale à celle de la partie haute des dents 72, 72' des demi- rotors. Comme précédemment, les pôles des deux demi-stators sont décalés d'un demi-pas polaire, tan dis que les nombres de dents des deux demi-stators et des deux demi-rotors sont identiques.
La fig. 15 représente encore une forme de réa lisation à entrefer plan transversal. Dans cette réali sation, les deux demi-stators sont constitués par des couronnes en tôle 85, 85' embouties de façon à pré senter en section radiale une forme en U aplatie ou verte vers l'intérieur.
Les bords des deux demi-sta- tors 85, 85' sont découpés pour former des pôles alternés 86, 87 et 86' 87', les bords encochés des deux couronnes étant repliés et entrecroisés de façon que le rotor constitué par un disque en tôle 88 se trouve placé entre deux séries de pôles alternés ap partenant respectivement aux deux demi-stators ;
ce disque 88 est découpé sur son bord de façon à for mer des pôles 89 ayant une largeur périphérique su périeure à celle des pôles 86 et 87 des demi-stators et un bord avant aminci 90 (fig. 16) destiné à as surer le démarrage du moteur toujours dans le mê me sens dans les mêmes conditions que les pôles à hauteur décroissante des fig. 1 et 3.
Les enroulements 91, 91' du stator logé dans les deux couronnes en U 85 et 85' peuvent être consti tués, comme dans les réalisations précédentes, par des tores bobinés en fil émaillé à spires enroulées con centriques à l'axe du moteur.
Cependant la forme de réalisation des fig. 15 à 17 se prête particulière- ment à la réalisation des enroulements suivant la technique des circuits imprimés. A cet effet, comme représenté en fig. 17, cet enroulement est constitué par un anneau plat en matière isolante 92, sur le quel est collée ou imprimée, de préférence sur ses deux faces, une spirale en cuivre 93, les spirales des deux faces étant connectées, de préférence à l'extrémité de leurs spires intérieures,
par une pièce conductrice traversant le disque 92 et le sens des deux spirales étant convenablement choisi de fa çon à produire un flux de même sens.
Le moteur décrit est particulièrement applicable aux installations dans lesquelles le moteur électri que doit être submergé dans un liquide, notamment dans l'eau, ou doit entraîner des pompes sans être isolé par des presse-étoupe du circuit hydraulique. Dans ce cas en effet, l'intérieur du moteur, et en particulier son entrefer, se trouve rempli d'eau : la réalisation de circuits magnétiques en ferrite encas trés dans des supports en matière plastique permet le fonctionnement dans l'eau du moteur décrit sans qu'il soit nécessaire de prendre des mesures spécia les pour isoler électriquement le rotor du stator.
Au contraire, en raison de ce que l'eau présente un pou voir inducteur spécifique très supérieur à celui de l'air, on peut augmenter l'entrefer dans une mesure importante tout en ayant des circuits magnétiques de réluctance plus faibles que dans le cas de l'air et donnant lieu par conséquent à un couple moteur plus élevé.
Comme représenté en fig. 18, la charge en ma tière plastique 3, dans laquelle sont logés les deux demi-stators 1 et 2, est elle-même logée dans la car casse extérieure 54 du moteur, cette carcasse pré sentant à une extrémité une bride 55 par laquelle elle est assemblée avec une pompe 56 dont le rotor 58 est solidaire d'une douille 59 montée sur l'arbre 60 du moteur et supportant elle-même la couronne en matière plastique 9 dans laquelle sont enrobés les rotors 7 et 8.
Les enroulements 15 et 16 du sta tor sont alimentés par des conducteurs traversant la carcasse du moteur par une pièce en matière plasti que 61 faisant partie de la couronne isolante 3 et dans laquelle sont ménagés deux canaux 62, 63 pour le passage des conducteurs d'alimentation. Le montage du circuit magnétique dans des supports en matière plastique, tant sur la partie fixe que sur la partie tournante du moteur,
présente en plus des fa- cilités d'isolement et de protection contre la corro sion, l'avantage de réduire considérablement la transmission des vibrations aux parties fixes de l'installation.