Moteur synchrone à autodémarrage en charge La présente invention concerne un moiteur syn chrone à autodémarrage en charge dont le rotor comprend un aimant cylindrique en ferrite.
On sait que les moteurs de ce type ont l'avantage de présenter un couple synchrone élevé dû au rotor en ferrite, laquelle ne peut pratiquement pas être désaimantée. Ces moteurs, s'ils peuvent démarrer à vide par suite d'un agencement adéquat du circuit magnétique statorique, n'ont généralement pas un couple de démarrage suffisamment élevé pour pou voir démarrer sous des charges importantes.
La présente invention vise à remédier à cet inconvénient.
Le moteur synchrone selon l'invention est carac térisé en ce que l'arbre du rotor porte en outre des moyens agencés de manière à produire un couple de démarrage élevé lorsqu'ils sont traversés par le champ magnétique inducteur rotatif.
Ces moyens peuvent être constitués par un disque en matière magnétique découpé en forme d'étoile à au moins trois branches. Ce disque peut être réalisé de préférence en un acier magnétique laminé au cobalt ou au cobalt-vanadium, lequel a pour caractéristique H, = 300 Oe (champ coercitif) et B,. = 8000 G (induction rémanente) environ.
Les moyens produisant un couple de démarrage élevé peuvent être également constitués par une cage d'écureuil en métal non ferreux, entourant l'aimant cylindrique en ferrite.
L'on peut obtenir, grâce à ce disque en matière magnétique ou cette cage d'écureuil, un couple de démarrage élevé en dosant judicieusement l'impor tance de ces éléments.
Dans le cas du disque, ceci est très simple à réaliser car ce disque peut être obtenu par décou page à partir d'une bande d'acier spécial au cobalt. Il suffit donc, pour augmenter le couple de démar- rage, d'augmenter le nombre des disques qui sont ajoutés à l'aimant cylindrique en ferrite, ou encore l'importance de la cage d'écureuil.
En outre, dans le cas où on emploie une cage d'écureuil conjointement avec le rotor en ferrite, on obtient un fonctionnement, au synchronisme, prati quement sans pulsations du fait que la cage d'écu reuil joue le rôle d'amortisseur d'oscillations.
On décrira ci-après, à titre d'exemple, diverses formes d'exécution de la présente invention, en réfé rence au dessin annexé sur lequel La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un rotor de moteur synchrone suivant une première forme d'exécution de l'invention.
La fig. 2 est une vue de profil, prise de la gauche sur la fig. 1.
La fi-. 3 est une vue en coupe longitudinale d'une variante d'exécution du rotor.
La fig. 4 est une vue en coupe transversale du rotor de la fig. 3.
La fia. 5 est une vue en coupe longitudinale d'un moteur synchrone -autodémarreur en charge, à bagues de déphasage, suivant la ,ligne V-V de la fig. 6.
La fig. 6 est une vue en coupe transversale sui vant la ligne VI-VI de la fig. 5.
La fig. 7 est une vue de profil du :moteur de la fig. 5.
Sur les fig. 1 et 2, le rotor de moteur synchrone représenté comprend un aimant cylindrique 1, en ferrite, lequel est aimanté de manière à présenter à sa périphérie un nombre pair de pôles nord-sud alternés. Dans l'exemple représenté sur le dessin,
cet aimant est du type bipolaire et il comprend deux pôles Nord et Sud diamétralement opposés. Cet aimant<B>1</B> est lié par un moyeu 2 en matière non magnétique, par exemple en matière plastique, à un arbre 3.
Lorsque cet aimant 1 est placé dans un flux magnétique tournant #b, produit par un stator appro prié indiqué schématiquement par le tracé en traits mixtes 12, il assure la production d'un couple d'en traînement synchrone élevé. Ce couple peut être dosé à volonté en faisant varier les dimensions, telles que diamètre et langueur, de l'aimant 1 en ferrite, pour obtenir un flux rémanent plus ou moins important.
Pour obtenir, en outre, un couple de démarrage élevé, on monte un ou plusieurs disques 4 sur l'arbre 3 du rotor. Le rotor représenté sur la fig. 1 com- porte quatre de ces disques mais il est évident que ce nombre n'est pas limitatif et qu'il peut âtre choisi en fonction du couple de démarrage que l'on désire obtenir. Chaque disque 4 est réalisé de préférence en un acier magnétique laminé au cobalt ou au cobalt-vanadium.
Chaque disque est découpé à partir d'une bande d'acier de manière à former une étoile comportant au moins trois branches 4a, 4b et 4c. On expliquera plus loin, en références aux fig. 5 à 7, pour quelles raisons cette forme d'étoile à trois branches provoque un démarrage sans hésitation ni point mort du rotor.
Dans la variante de réalisation représentée sur les fig. 3 et 4, une cage d'écureuil désignée dans son ensemble par 5 est liée en rotation à l'aimant cylindrique en ferrite 1.
Cette cage d'écureuil 5 est réalisée en métal non ferreux et elle comprend trois barreaux longitudinaux 6, 7 et 8 portés par des flasques de mise en court-circuit 9 et 11, également en métal non ferreux, lesquels sont solidaires de l'arbre 3 du rotor. Ce nombre de barreaux n'est pas limitatif et il peut être beaucoup plus élevé dans le cas de moteurs synchrones de puissance moyenne.
La cage d'écureuil 5 permet de remédier au défaut de couple constaté fréquemment lors du dé marrage des moteurs synchrones monophasés et elle évite en outre les pompages au synchronisme bien connus, ainsi que les oscillations du rotor dans le cas d'une alimentation par impulsions de l'enroule ment du stator. Dans ce dernier cas, la cage d'écu reuil 5 joue le rôle d'amortisseur d'oscillations.
Les trois barreaux 6, 7 et 8 de la cage d'écu reuil 5, extérieurs au rotor en ferrite 1, sont sertis à la presse, à leurs extrémités, dans les flasques 9 et 11 qui sont constitués plus particulièrement par des rondelles en cuivre découpées de trois encoches à 1201, recevant les extrémités des barreaux, ainsi qu'il est représenté sur la fig. 4.
Les barreaux 6, 7 et 8 peuvent être montés soit parallèlement à l'axe de rotation et avoir par con séquent une forme sensiblement rectangulaire, soit encore inclinés par rapport à cet axe et présenter alors un développement -en hélice dans la surface d'entrefer.
On décrira maintenant, en se référant aux fig. 5 à 7, une forme d'exécution particulière d'un moteur synchrone autodémarreur en charge, dérivé d'un moteur asynchrone bipolaire monophasé, à bagues de déphasage, d'un type connu.
On sait que, dans ce type de moteur, on cherche habituellement à décomposer le flux total d'excita tion en deux flux décalés de 90 dans le temps et dans l'espace de façon à obtenir dans .l'entrefer un champ magnétique tournant aussi constant que possible.
Si l'on utilise dans un moteur de ce type un rotor bipolaire constitué par un organe en ferrite aimanté sur un axe confondu avec un diamètre, on constate qu'il y a accrochage magnétique et que le moteur ne démarre pas. Il est d'ailleurs pratique ment impossible d'équilibrer les deux flux élémen taires et le champ tournant obtenu est toujours elliptique.
Pour obtenir un champ tournant parfait dans ce type de moteur et permettre éventuellement le fonc tionnement en moteur à impulsions, on prévoit, d'une part, une répartition triangulaire du flux magnétique inducteur sous les pôles principaux et, d'autre part, un décalage de 60,, et non de 901, entre les flux élémentaires.
Ce résultat est obtenu par un découpage spécial des tôles du stator 12, ainsi qu'il résulte de l'examen des fig. 6 et 7. On voit sur ces figures que les tôles du stator forment un circuit magnétique fermé qui porte, sur la branche 12a, une bobine 13 produisant le flux magnétique d'excitation. Les tôles du stator sont découpées de manière à présenter une première et une deuxième branche 12b et 12c portant respec tivement des bagues de déphasage 14 et 15 et deux autres branches 12d et 12e non munies de bagues de déphasage.
On voit sur la fig. 6 que la section droite de l'alésage des tôles 12, formant l'entrefer dans lequel est logé le rotor, comprend d'une part, deux arcs de cercle CDE et C,D@El, symétriques par rapport à l'axe longitudinal du rotor et, d'autre part, deux portions de losange BAEI et BlAlE également symé triques par rapport à l'axe longitudinal du rotor.
L'angle au sommet BAEl de chaque partie en forme de losange est légèrement inférieur à 90 et peut même dans certains cas être égal à 90o. Par ailleurs les sommets A et Al sont de préférence arrondis afin de faciliter le découpage.
Il convient de souligner que dans un circuit magnétique dissymétrique du type ci-dessus décrit, les bagues de déphasage 14 et 15 ne peuvent occu per que les positions représentées sur le dessin, c'est à-dire sur les branches 12b et 12e et qu'elles ne peuvent jamais être placées sur les autres branches 12d et 12e, contrairement aux circuits classiques dans lesquels les bagues de déphasage peuvent être montées indifféremment dans les deux positions selon le sens de rotation choisi.
La raison de la dissymétrie du circuit magnétique statorique est tout d'abord de limiter la composante (D1 du flux principal qui, n'étant pas freinée comme l'autre composante 4)2 par la présence des bagues de déphasage 14 et 15, est .toujours très supérieure à la composante d)2 si sa réluctance d'entrefer est identique.
Par ailleurs, pour éviter que la composante -D1 du flux, au lieu de passer à travers le rotor, emprunte le shunt magnétique constitué par la branche<B>MIDI</B> ou A,ED, on prévoit, en des points<B>0,01</B> placés à l'extérieur du circuit magnétique sur une ligne incli née à 30 par rapport à l'axe vertical YY', deux découpages 16, 17 en forme de demi-cercles ne lais sant subsister aux points d'étranglement F et F, qu'une très mince section de tôle magnétique,
cette zone étant magnétiquement hypersaturée.
Par contre, pour faciliter le passage de la com- posante 4)2 du flux magnétique à travers le rotor, on laisse une large surface de prise de flux concen trique au rotor, laquelle correspond aux arcs de cercle CDE et C1DlE, s'étendant pratiquement sur 90 .
On peut arriver rapidement, au cours des essais, à équilibrer les flux (D, et D2 en plaçant sur un rotor en forme de navette un bobinage d'essai, par exemple de<B>100</B> spires, dont la tension aux bornes, à circuit ouvert, donne une valeur proportionnelle à q), lorsque ce bobinage est placé dans l'axe de ce flux faisant un angle de 30,1 avec l'axe horizontal XX', et une tension proportionnelle au flux 1).,
lorsque le bobi nage est placé suivant l'axe cD. symétrique de .l'axe #D, par rapport à l'axe horizontal XX'.
II est évident que pour diminuer la composante (P, du flux, il faut limer les .parties AB et A,B, du circuit magnétique. Pour diminuer éventuellement la composante (P;,, du flux ou augmenter son angle de déphasage par rapport à la composante #D1, il faut placer en 14 et 15 des bagues de déphasage en court-circuit, en cuivre, de section de plus en plus forte pour s'opposer au passage du flux @@.
Dans ce circuit magnétique, on peut constater aux essais que la ligne neutre magnétique n'est pas située en YY' mais en 001. Ceci est voulu et indis pensable pour obtenir un fonctionnement correct lorsqu'on alimente la bobine 13 du stator en signaux rectangulaires. On constate en effet que le rotor en ferrite 1 s'accroche magnétiqu eurent sur la ligne YY' si cette précaution n'est pas prise et que cet aimant se trouve alors au point mort et ne démarre pas lors de la mise sous tension.
La forme de l'entrefer dans les parties FAB et FIA,B1 permet d'obtenir une répartition triangulaire du flux magnétique entre F et B d'une part et FI et B, d'autre part, avec un minimum de flux en F et F, et un maximum de flux en B et B, .
L'avantage de cette répartition triangulaire et progressive du flux est évidemment d'amener gra duellement le rotor 1 en ferrite à s'orienter sensible ment selon l'axe XX'. A ce moment, le flux (D2 décalé dans le temps et dans l'espace de 600, provo que une rotation du rotor en ferrite de 60 dans le même sens ;
puis le flux s'inversant dans le bobi nage d'excitation, les flux ( , et 52 de la fig. 6 s'in versent à leur tour et il se produit d'abord une nou velle attraction dans l'entrefer à répartition triangu laire du flux F1AIB1 suivie d'une nouvelle impulsion due au flux inverse de ( 2 dans la partie ClDiE1.
Ceci nécessite une aimantation du rotor en ferrite sur 120 , ainsi qu'il est indiqué schématiquement sur la fig. 6 où l'on voit les pôles Nord et Sud repré sentés par un pointillé plus dense que les parties non aimantées du rotor.
On conçoit qu'en faisant intervenir les différents paramètres tels que la variation d'entrefer dans les zones FAB et F,A@B,, ainsi que la valeur du dépha sage du flux (D2 par l'importance des bagues de déphasage 14 et 15, on peut arriver à obtenir deux flux (D, et (P.,
identiques en valeurs efficaces et déca lés de 60o dans le temps et dans l'espace.
Bien qu'ainsi réalisé, le circuit magnétique stato- rique permette le démarrage d'un rotor en ferrite à deux pôles toujours dans le même sens, donné par le sens du flux ( 1 vers le flux -D2 correspondant au retard de 60 du flux 0. par rapport au flux ( ,, ceci ne suffit pas pour faire démarrer le rotor en charge.
Aussi a-t-on prévu, en outre, dans le moteur représenté sur les fig. 5 à 7 la combinaison des caractéristiques décrites précédemment en référence aux fig. 1 à 4.
A cet effet le rotor en ferrite 1 est entouré d'une cage d'écureuil 5 constituée de trois barreaux longi tudinaux 6, 7 et 8 en métal non ferreux montés dans deux flasques de mise en court-circuit 9 et 11 égale ment en métal non ferreux.
II convient de remarquer que le diamètre du rotor en ferrite 1 est sensiblement plus petit que le diamètre de l'alésage du stator 12. Ceci est nécessaire pour limiter le couple d'accrochage et de décro- chage magnétique du rotor en ferrite 1 qui, d'une part, s'opposerait au démarrage et, d'autre part,
entraînerait des pulsations ou oscillations de la vitesse du rotor au synchronisme.
On choisira généralement comme diamètre du rotor en ferrite 1, le diamètre de l'alésage du stator 12 multiplié par 0,8 dans les petits moteurs et par 0,9 dans les moteurs plus importants.
Pour renforcer encore le couple de démarrage, on prévoit, dans le moteur suivant les fig. 5 à 7, quatre disques 4, en acier magnétique, découpés ainsi qu'il est représenté sur la fig. 4 et fixés sur l'arbre 3 du rotor.
Les disques 4 peuvent être avantageusement dé coupés avec le même outil que celui .permettant de découper les flasques de court-circuit 9 et 11 de la cage d'écureuil 5.
On constate d'ailleurs que la forme d'étoile à trois branches<I>4a, 4b,</I> 4c des disques 4 assure un démarrage sans hésitation ni point mort. En effet, lorsqu'il est soumis à un flux diamétral #D quelconque (fig. 7), le disque 4 s'aimante dans une direction parallèle mais avec un pôle nord N d'un côté et deux pôles sud Sl et S,, décalés de 1200, de l'autre côté.
Toute rotation du flux inducteur, même instan- tanée, se traduit immédiatement par une rotation correspondante du disque 4, l'un des pôles Sl et S.. étant attiré et l'autre pôle étant repoussé, alors qu'un disque en acier au cobalt sans découpage à trois branches resterait au point mort.
On empile autant de disque 4, en acier magné tique, de chaque côté du rotor en ferrite 1, pour obtenir le couple de démarrage voulu, tout en pre nant soin de laisser un intervalle d'au moins 2 mm de part et d'autre du cylindre en ferrite 1, cet inter- valle étant en partie rempli par les rondelles de fer meture 9 et<B>11</B> de la cage d'écureuil 5. Le diamètre des disques 4 est choisi aussi élevé que possible, dans la limite des jeux admis couramment entre le rotor et le stator de petites machines électriques.
Le rotor en ferrite 1 provoque une prémagnétisa- tion des disques 4, prémagnétisation qui est limitée par les intervalles d'au moins 2 mm prévus ci-dessus mais qui facilite le démarrage du moteur.
Pour les moteurs de puissance assez importante, on peut encore faciliter le démarrage en montant le rotor en ferrite 1 fou sur son arbre 3 et en pré voyant un dispositif de liaison élastique entre ce rotor 1 et les disques 4 fermement assujettis à l'ar bre 3. Sur la fig. 5, le rotor en ferrite 1 est lié aux disques 4 par plusieurs ressorts en acier 18 (corde à piano) dont les extrémités recourbées 18a sont logées dans les encoches 19 délimitant les diverses branches<I>4a, 4b,</I> 4c des disques 4.
Ces derniers sont solidement assujettis à l'arbre 3 par montage à la presse. Le couple pudsatoire du rotor en ferrite 1, pendant la période de démarrage, est ainsi amorti par les ressorts 18 qui récupèrent l'énergie des oscil lations pendant les phases favorables sans freiner le couple de démarrage obtenu par les disques 4.
La cage d'écureuil 5 joue également son rôle d'amortisseur pendant les phases d'oscillation du couple tout en ajoutant son couple propre lors du démarrage.
Les larges barreaux 6, 7 et 8 de la cage d'écu reuil 5 permettent également d'étouffer les harmo niques de flux qui apparaissent dans ces moteurs et par ce fait même ils suppriment les phénomènes d'accrochage hyposynchrone ou de trous de couple constatés dans des petits moteurs non pourvus de ces dispositifs.