EP2108214A2 - Machine électrique motrice ou génératrice polyphasée - Google Patents

Machine électrique motrice ou génératrice polyphasée

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Publication number
EP2108214A2
EP2108214A2 EP07872417A EP07872417A EP2108214A2 EP 2108214 A2 EP2108214 A2 EP 2108214A2 EP 07872417 A EP07872417 A EP 07872417A EP 07872417 A EP07872417 A EP 07872417A EP 2108214 A2 EP2108214 A2 EP 2108214A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine
notches
rotor
stator
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07872417A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Dominique Sabadie
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Delty SAS
Original Assignee
Delty SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delty SAS filed Critical Delty SAS
Publication of EP2108214A2 publication Critical patent/EP2108214A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/103—Motors having windings on the stator and a variable reluctance soft-iron rotor without windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/18—Synchronous generators having windings each turn of which co-operates only with poles of one polarity, e.g. homopolar generators
    • H02K19/20—Synchronous generators having windings each turn of which co-operates only with poles of one polarity, e.g. homopolar generators with variable-reluctance soft-iron rotors without winding
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/30—Wind power
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a polyphase electric motor or generator, which can be made as a rotary machine or as a linear machine, and operates synchronously on the principle of reluctance variation. It is, in particular, a machine
  • a prime mover usually designated as an electric motor
  • a generating machine usually designated as a generator or alternator, consumes mechanical energy and produces electrical energy.
  • An electrical source is said to be polyphase when it comprises two or more phases.
  • Three-phase electric current that is to say comprising three phases, is commonly used.
  • a synchronous electronic machine rotates at a fixed rotational speed, which is a multiple of the frequency of its power supply.
  • Reluctance is the quotient of the magnetomotive force of a magnetic circuit by the induction flux passing through it.
  • the reluctance variation thus creates a variation of induction flux and magnetomotive force.
  • the variation of induction flux creates itself through a coil a variation of current.
  • the magnetomotive force creates a linear displacement or a rotation on a rotor.
  • FIGS. 1 and 2 are views, respectively in section pass through the axis and in cross section, of such an alternator.
  • the stator 1 is constituted by a disk or solid flange 2, provided at its periphery, forming an armature core, notches 3 even number 2N.
  • the rotor 4 is an iron wheel, without winding, which is wedged on a central shaft 5 and which has at its periphery teeth 6 in number equal to N.
  • the magnetic flux is produced by a fixed inductor coil 7, placed in the center of the stator 1, in front of the notched wheel of the rotor 4.
  • the magnetic circuit consists of this mobile wheel, the armature core and the flange 2.
  • In the 2N notches 3 of the armature core 2 are arranged armature coils 8 to the number of 2N, electrically electrically connected together in series, their successive windings being wound in the opposite direction so that the electromotive forces are in phase and add.
  • the teeth 6 of the rotor wheel 4 pass in front of the fixed notches 3 of the armature core, therefore in front of the armature coils 8.
  • the induction flow varies from zero to a maximum value then returns to zero, thus giving rise, at each tooth pass 6, to an alternating voltage in the coil 8 of the notch 3 considered.
  • the frequency of this AC voltage therefore of the electric current produced by the alternator, is a function of the speed of rotation of the rotor 4, in other words of the speed of rotation of the shaft 5.
  • the arrangement of the stator of this alternator allows to increase the number of peripheral notches and thus produce, without increasing the rotational speed of the rotating part, an electric current of higher frequency.
  • the object of the present invention is to provide an electric machine, inspired by that previously mentioned, but having increased possibilities, in particular an electric machine which can be either a driving machine or a generating machine, and which can also have a polyphase operation, while maintaining a simple, reliable and economical structure.
  • the subject of the invention is essentially a multi-phase electric motor or generator, which can be produced as a rotary machine or as a linear machine, and operates in a synchronous manner on the principle of reluctance variation, which comprises in combination : a fixed part with notches accommodating armature coils interconnected electrically in series, by phase, their successive windings being wound in opposite directions; a movable part provided with teeth located opposite the notches of the fixed part, with a tooth of the moving part corresponding to a number M x (2P) of notches of the fixed part, "M" being an integer equal to or greater than one and "P” designating the number of phases of the machine ; and an exciter portion, facing the fixed portion and the movable portion, with a DC energized electromagnetic coil or a permanent magnet and with a magnetic excitation circuit for circulating a continuous magnetic flux of excitation between the fixed portion and the moving part.
  • the polyphase electrical machine of the invention is feasible as a rotating electrical machine with "P" phases, the latter comprising in combination an annular stator having at its periphery radial notches in number M x (2NxP), in which are arranged as many armature coils, shifted from one phase to another; a rotor rotatably mounted along the central axis of the machine and provided at its periphery with number of teeth "N" projecting radially and located opposite the notches of the stator; and a stationary exciter part, placed in the center of the stator around the axis of the machine.
  • the "excitation" and “armature” parts are fixed, and there is therefore no winding or magnet on the moving part, in particular on the rotor in the case of a rotating machine .
  • Only the parts subjected to the magnetic field at greater or lesser frequency are advantageously constituted by thin laminated sheets in order to limit the yield losses by eddy currents; in practice, in the case of a rotating machine, this means that only the stator ring having the radial M x (2NxP) notches is laminated.
  • the other parts in particular the portion of the stator supporting the exciter and the entire moving part, in other words the rotor with its N teeth, are preferably massive, the teeth being machined at the periphery of the rotor.
  • the exciter part in particular fixed, may comprise an electromagnetic coil supplied with continuous electric current, or alternatively a permanent magnet.
  • An electromagnetic coil provides more flexibility and variability for the control of the machine, and it allows to obtain stronger magnetizations than those of permanent magnets; the resulting force or engine torque is further improved.
  • the excitation by a permanent magnet is a simple and economical solution, both for the structure of the electric machine itself and for the realization of the control electronics of the machine.
  • the The exciter part is fixed, and distinct from the armature, and it creates a magnetic excitation flux which is continuous (and not alternating).
  • the polyphase electrical machine which is the subject of the present invention, can be produced as a synchronous electric motor of the rotary or linear type, or as an alternator, in particular as a three-phase electric motor or as a three-phase alternator, preferably with an exciter portion that can be controlled so as to vary the continuous magnetic flux of excitation.
  • This machine is distinguished, in particular, from known devices according to patents US 4631510 and US 3041486, which are not “power” electrical machines but are of the “resolver” type, that is to say which constitute sensors electrical angular position, in which circulate very low currents, the powers involved being minimal.
  • the excitation coil is housed in the stator and nested in the armature coils, and this excitation coil is supplied with alternating current and not with direct current, so that it generates a flow of excitation which is also alternative and not continuous.
  • a polyphase electric current for example three-phase, with variable frequency and voltage
  • the machine then functions as a synchronous electric motor, the moving part (rotor) moving relative to the fixed part (stator) at a speed which is proportional to the frequency of the supply current and which is inversely proportional to the number of teeth or notches.
  • the rotor In "generator" mode, the rotor is rotated by an external motion source and creates an alternating current in each of the armature coils. More particularly, the moving part (rotor) magnetized by the exciter part "scans" the armature coils, and the flow variation thus created generates an alternating current whose frequency is proportional to the relative speed of movement of the moving and fixed parts. . The electrical voltage that appears then is a function of the relative speed and the flux of the excitation. The electromotive forces of the armature coils adding, for each phase, the machine operates in the manner of an alternator, providing in particular a three-phase current, the frequency of the current generated being proportional to the speed of rotation.
  • the induction flow through the machine is controllable and the maximum rotational speed of the rotor is not limited.
  • the rotor teeth have an advantageous effect of fan blades and provide easy cooling of the machine.
  • Figure 1 (already mentioned) is a sectional view through the axis of a rotating electrical machine of the state of the art
  • Figure 2 (already mentioned) is a cross-sectional view of the electric machine of Figure 1;
  • FIG. 3 is a block diagram of an electric machine according to the present invention.
  • Figure 4 is a sectional view through the axis of an electric rotary machine according to the present invention.
  • Figure 5 is a cross-sectional view of the stator of this electric machine, along the line V-V of Figure 4;
  • Figure 6 is a cross-sectional view of the rotor of the electric machine of Figures 4 and 5;
  • Figure 7 is a block diagram in expanded representation of the electric machine according to the invention, in correspondence with the example of Figures 4 to 6.
  • the electrical machine comprises, in all cases, a fixed part 1 and a movable part 4, that is to say a part capable of describing a rotary or rectilinear movement relative to the fixed part 1.
  • the movable part 4, of massive structure is provided on its periphery or on its edge with teeth 6, separated by notches, the number of teeth 6 or notches being designated N.
  • the fixed part 1 which can also be designated as "induced”, has a series of notches 11 located opposite the teeth 6 of the movable part 4.
  • the total number of notches 11 is equal to (2Nx P), or a multiple
  • N the number of teeth 6 of the moving part
  • the machine further comprises an exciter part 15, with an electromagnetic coil or a permanent magnet, which faces both the fixed part 1 and the mobile part 4.
  • any armature coil 12 alternately passes a maximum magnetic induction flux, present at the top of the teeth 6 of the part 4, at a minimum magnetic induction flux, present at the bottom of the notches located between the teeth 6 of this moving part 4.
  • the armature coil 12 next is the minimum induction flux, as clearly shown in Figure 3. Since this next coil is wound in the opposite direction of the previous, the flows seen by the two coils 12 are considered in phase; the induced electric currents are therefore added, from coil to coil.
  • FIGS 4 to 6 in which the elements corresponding to those defined above are designated by the same reference numerals, illustrate the application of the principle of this polyphase electrical machine to the constitution of a three-phase electrical rotating machine.
  • This rotary electric machine whose central axis is indicated at A, generally comprises a fixed part designated as a stator 1, and a movable part rotating about the axis A designated as rotor 4, which is keyed on a central shaft 5 (or form a single piece with this tree).
  • the stator 1 comprises, placed around the rotor 4, a solid cylindrical carcass 9 which internally supports a ring formed by a stack of laminated sheets 10 having radial notches 11 regularly spaced, located opposite the teeth 6 of the rotor 4 (the figure 5 being a sectional view through this part of the stator 1).
  • the notches 11 are in total number (2N x P) 1 P designating the number of phases, a number of notches equal to (6xN) in the example considered here of a three-phase machine.
  • 6 ⁇ N notches 11 of the stator 1 are arranged as many armature coils or stator coils 12, visible in FIG. 4.
  • the armature coils 12, divided into three phases, are for each phase electrically connected to one another. series, their successive windings being wound in opposite directions. An offset of a notch 11 is provided between the phases.
  • the set of coils 12 is connected to electrical connections 13 of the stator 1, here three-phase connections 13, traversed by alternating current.
  • the stator 1 further comprises a solid flange 14 of circular or annular shape, which supports a fixed exciter coil 15 coaxially surrounding the shaft 5 of the rotor 4, and located in front of the armature coils 12.
  • the exciter coil 15 is supplied with direct current by electrical connections 16, consisting in particular of two supply wires. In operation, that is to say when the exciter coil 15 is electrically powered, it generates a continuous magnetic flux, closing between the stator 1 and the periphery of the rotor 4. It is thus constituted a three-phase electrical rotating machine , of synchronous type and variable reluctance, which can operate as an electric motor or as a three-phase alternator.
  • a controlled three-phase electric current is sent via the electrical connections 13 into the coils 12 of the stator 1, while the exciter coil 15 is supplied with direct electrical current. by the connections 16.
  • the rotor 4 then rotates at a speed proportional to the driving frequency, the movement of the rotor 4 being recovered on the shaft 5.
  • the rotor 4 In the "alternator" operating mode, the rotor 4 is rotated by its shaft 5 from a source of external movement, while the exciter coil 15 is supplied with direct electric current.
  • the variation of reluctance then produced in front of each coil 12 of the stator 1 creates an alternating current, which is recovered on the electrical connections 13. More particularly, here a three-phase current is generated, whose frequency is a function of the speed of rotation of the rotor. 4.
  • This example also corresponds to the simplified expanded representation of FIG.
  • the polyphase electrical rotary machine can thus be used as a synchronous electric motor, powered by a particularly three-phase current, the rotor 4 rotating at a rotation speed that is a multiple of the supply current frequency.
  • the advantage of the invention resides here in the simple and economical embodiment of a synchronous electric motor, with a massive rotor without laminate, without any coil or magnet rotor.
  • an electric motor according to the invention can advantageously replace the current asynchronous, synchronous or direct current motors or geared motors, in all the applications from which they are currently used. Thanks to the simplicity of its rotor and its cooling, the electric machine according to the invention is particularly suitable for producing high speed electric motors, for example electric motors rotating at speeds greater than 8000 rpm.
  • the electric machine according to the invention is also particularly suitable for producing electric motors running at relatively low speeds, for example speeds less than 400 revolutions per minute.
  • the exciter coil 15 properly energized creates a variable excitation, which allows a control of the output AC voltage, recovered on the electrical connections 13, for a given speed therefore for a given frequency.
  • this excitation makes it possible to act on the power factor of the network.
  • the interest of the electric machine object of the invention, used as an alternator, also lies in the possibility of obtaining high frequencies for relatively low speeds of rotation, which allows an advantageous use of this machine in fields such as not only the electric generation in motor vehicles, but also the electrical generation aeronautics, wind turbines, hydraulic power plants, energy conversion.
  • the natural reversibility of the electrical machine object of the invention also allows a "mixed" use, that is to say, a machine that is driving or generating according to the instants.
  • the advantage of the invention is here to provide an economic reversible electric machine, which allows to consider for example the following uses: as a starter-alternator for a heat engine, especially for a motor vehicle;
  • the electric machine that is the subject of the invention finds applications in multiple and varied fields of activity: industry; transport in particular automobile, aeronautics and space, marine; production and conversion of energy; domestic equipment.
  • the movable part can be immersed in a hostile environment
  • this electric machine including motor, as a linear machine and non-rotating, in which case the fixed part with notches incorporates the exciter part, while the rotor is replaced by a toothed portion movable in translation (in the latter case, the terms “fixed” and “mobile” have only a relative sense, to indicate the possibility of displacement of one part relative to the other).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)
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  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

Cette machine électrique fonctionne de manière synchrone sur le principe de la variation de réluctance. Elle comprend, en combinaison : une partie fixe (1) à encoches (11) logeant des bobines d'induit (12) reliées en série, par phase, leurs enroulements successifs étant bobinés en sens inverses; une partie mobile (4) pourvue de dents (6) situées en regard des encoches (11), à une dent de la partie mobile correspondant un nombre M x (2P) d'encoches de la partie fixe, "M" étant un nombre entier et "P" le nombre de phases; une partie excitatrice (15) avec bobine ou avec aimant permanent, faisant circuler un flux magnétique continu entre les parties fixe (1) et mobile (4). L'invention s'applique à la réalisation de moteurs électriques synchrones rotatifs ou linéaires, et à la réalisation d'alternateurs.

Description

Machine électrique motrice ou génératrice polyphasée
La présente invention concerne une machine électrique motrice ou génératrice polyphasée, pouvant être réalisée comme une machine tournante ou comme une machine linéaire, et fonctionnant de manière synchrone sur le principe de la variation de réluctance. Il s'agit, en particulier, d'une machine
« de puissance », pour des utilisations industrielles diverses.
Dans le domaine des machines électriques, il est rappelé qu'une machine motrice, habituellement désignée comme moteur électrique, consomme de l'énergie électrique et produit de l'énergie mécanique. A l'inverse, une machine génératrice, habituellement désignée comme générateur ou alternateur, consomme de l'énergie mécanique et produit de l'énergie électrique.
Une source électrique est dite polyphasée lorsqu'elle comprend deux ou plusieurs phases. Le courant électrique triphasé, c'est-à-dire comprenant trois phases, est couramment utilisé.
Une machine électronique synchrone tourne à une vitesse de rotation fixe, qui est un multiple de la fréquence de son courant électrique d'alimentation. La réluctance est le quotient de la force magnétomotrice d'un circuit magnétique par le flux d'induction qui le traverse. La variation de réluctance crée donc une variation de flux d'induction et de force magnétomotrice. La variation de flux d'induction crée elle-même au travers d'une bobine une variation de courant. La force magnétomotrice crée un déplacement linéaire ou une rotation sur un rotor.
Ces définitions et principes électrotechniques étant rappelés, il est d'abord fait référence, comme état de la technique, à une machine tournante électrique particulière connue sous la désignation d'alternateur de BETHENOD-LATOUR, réalisée avec une seule phase pour des applications dans le domaine de la radio. Les figures 1 et 2 sont des vues, respectivement en coupe passent par l'axe et en coupe transversale, d'un tel alternateur.
Dans cette machine, l'inducteur et l'induit sont tous deux immobiles.
Le stator 1 est constitué par un disque ou flasque massif 2, pourvu à sa périphérie, formant un noyau d'induit, d'encoches 3 en nombre pair 2N. Le rotor 4 est une roue en fer, sans bobinage, qui est calée sur un arbre central 5 et qui comporte à sa périphérie des dents 6 en nombre égal à N. Le flux magnétique est produit par une bobine inductrice fixe 7, placée au centre du stator 1 , en face de la roue à encoches du rotor 4. Le circuit magnétique est constitué de cette roue mobile, du noyau d'induit et du flasque 2. Dans les 2N encoches 3 du noyau d'induit 2 sont disposées des bobines d'induit 8 au nombre de 2N, reliées électriquement électriquement entre elles en série, leurs enroulements successifs étant bobinés en sens inverse de façon que les forces électromotrices soient en phase et s'ajoutent.
En fonctionnement, l'arbre 5 étant entraîné en rotation par une source de mouvement extérieure, les dents 6 de la roue du rotor 4 passent devant les encoches fixes 3 du noyau d'induit, donc devant les bobines d'induit 8. Pour chaque encoche 3, lors du passage d'une dent 6 du rotor 4, le flux d'induction varie de zéro à une valeur maximale puis revient à zéro, donnant ainsi naissance, à chaque passage de dent 6, à une tension alternative dans la bobine 8 de l'encoche 3 considérée. La fréquence de cette tension alternative, donc du courant électrique produit par l'alternateur, est fonction de la vitesse de rotation du rotor 4, autrement dit de la vitesse de rotation de l'arbre 5.
L'agencement du stator de cet alternateur, dit à "fer tournant", permet d'augmenter le nombre d'encoches périphériques et ainsi de produire, sans augmenter la vitesse de rotation de la partie tournante, un courant électrique de fréquence plus haute. Le but de la présente invention est de fournir une machine électrique, s'inspirant de celle précédemment évoquée, mais possédant des possibilités augmentées, en particulier une machine électrique qui puisse être soit une machine motrice soit une machine génératrice, et qui puisse aussi posséder un fonctionnement polyphasé, tout en conservant une structure simple, fiable et économique.
A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet une machine électrique motrice ou génératrice polyphasée, pouvant être réalisée comme une machine tournante ou comme une machine linéaire, et fonctionnant de manière synchrone sur le principe de la variation de réluctance, qui comprend en combinaison : une partie fixe à encoches logeant des bobines d'induit reliées entre elles électriquement en série, par phase, leurs enroulements successifs étant bobinés en sens inverses ; une partie mobile pourvue de dents situées au regard des encoches de la partie fixe, à une dent de la partie mobile correspondant un nombre M x (2P) d'encoches de la partie fixe, "M" étant un nombre entier égal ou supérieur à un et "P" désignant le nombre de phases de la machine ; et une partie excitatrice, faisant face à la partie fixe et à la partie mobile, avec une bobine électromagnétique alimentée en courant continu ou un aimant permanent et avec un circuit magnétique d'excitation faisant circuler un flux magnétique continu d'excitation entre la partie fixe et la partie mobile. En particulier, la machine électrique polyphasée de l'invention est réalisable comme une machine tournante électrique à "P" phases, celle-ci comprenant en combinaison un stator annulaire comportant à sa périphérie des encoches radiales en nombre M x (2NxP), dans lesquelles sont disposées autant de bobines d'induit, décalées d'une phase à une autre ; un rotor monté tournant suivant l'axe central de la machine et pourvu à sa périphérie de dents en nombre "N", saillant radialement et situées en regard des encoches du stator ; et une partie excitatrice fixe, placée au centre du stator autour de l'axe de la machine.
Dans une telle machine électrique, les parties "excitation" et "induit" sont fixes, et il n'y a donc pas de bobinage ni d'aimant sur la partie mobile, en particulier sur le rotor dans le cas d'une machine tournante. Seules les parties soumises au champ magnétique à plus ou moins haute fréquence sont avantageusement constituées par des tôles minces feuilletées afin de limiter les pertes de rendement par courants de Foucault ; en pratique, dans le cas d'une machine tournante, ceci signifie que seule la couronne de stator comportant les M x (2NxP) encoches radiales est feuilletée. Les autres parties, en particulier la partie du stator supportant l'excitatrice et toute la partie mobile, autrement dit le rotor avec ses N dents, sont de préférence massives, les dents pouvant être usinées à la périphérie du rotor. Ces particularités font, de la machine électrique objet de l'invention, une machine remarquablement simple et économique.
La partie excitatrice notamment fixe peut comporter une bobine électromagnétique alimentée en courant électrique continu, ou en variante un aimant permanent. Une bobine électromagnétique procure plus de souplesse et de variabilité pour le pilotage de la machine, et elle permet d'obtenir des aimantations plus fortes que celles des aimants permanents ; la force ou le couple moteur en résultant sont d'autant plus améliorés. Cependant, l'excitation par un aimant permanent constitue une solution simple et économique, aussi bien pour la structure de la machine électrique elle-même que pour la réalisation de l'électronique de pilotage de la machine. Dans tous le cas, la partie excitatrice est fixe, et bien distincte de l'induit, et elle crée un flux magnétique d'excitation qui est continu (et non alternatif).
La machine électrique polyphasée, objet de la présente invention, est réalisable comme moteur électrique synchrone de type rotatif ou linéaire, ou comme alternateur, notamment comme moteur électrique triphasé ou comme alternateur triphasé, de préférence avec une partie excitatrice pilotable de manière à faire varier le flux magnétique continu d'excitation.
Cette machine se distingue, en particulier, des dispositifs connus selon les brevets US 4631510 et US 3041486, qui ne sont pas des machines électriques « de puissance » mais sont du type « resolver », c'est-à-dire qui constituent des capteurs électriques de position angulaire, dans lesquels circulent des courant très faibles, les puissances impliquées étant minimes. De plus, dans ces deux documents, le bobinage d'excitation est logé dans le stator et imbriqué dans les bobines d'induit, et ce bobinage d'excitation est alimenté en courant alternatif et non en courant continu, si bien qu'il génère un flux d'excitation qui lui aussi est alternatif et non continu.
En mode de fonctionnement "moteur" de la machine électrique selon l'invention, un courant électrique polyphasé par exemple triphasé, à fréquence et tension variables, est envoyé dans les bobines du stator. La machine fonctionne alors comme un moteur électrique synchrone, la partie mobile (rotor) se déplaçant relativement à la partie fixe (stator) à une vitesse qui est proportionnelle à la fréquence du courant d'alimentation et qui est inversement proportionnelle au nombre de dents ou d'encoches. On obtient ainsi, de façon simple et économique, un moteur électrique synchrone sans aucune bobine ni aucun aimant sur sa partie mobile, en particulier sur son rotor.
En mode "génératrice", le rotor est entraîné en rotation par une source de mouvement extérieure et il crée, dans chacune des bobines d'induit, un courant alternatif. Plus particulièrement, la partie mobile (rotor) magnétisée par la partie excitatrice "balaye" les bobines d'induit, et la variation de flux ainsi créée génère un courant alternatif dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de déplacement relatif des parties mobile et fixe. La tension électrique qui apparaît alors est une fonction de la vitesse relative et du flux de l'excitation. Les forces électromotrices des bobines d'induit s'ajoutant, pour chaque phase, la machine fonctionne à la manière d'un alternateur, fournissant notamment un courant triphasé, la fréquence du courant généré étant proportionnelle à la vitesse de rotation. On peut ainsi obtenir des fréquences élevées à des basses vitesses de rotation, simplement en multipliant les dents du rotor et, de façon correspondante, les encoches du stator. On peut ainsi réaliser des alternateurs simplifiés et économiques, avec un nombre minimum de composants, par exemple des alternateurs pour véhicules automobiles qui seront fiables et performants.
Dans tous les cas, autrement dit que la machine électrique soit motrice ou soit génératrice, le flux d'induction traversant la machine est pilotable et la vitesse de rotation maximum du rotor n'est pas limitée. De plus, les dents du rotor possèdent un effet avantageux d'ailettes de ventilateur et assurent un refroidissement aisé de la machine. Ces atouts permettent de réaliser des moteurs ou des génératrices fonctionnant sur une large plage de vitesse et de couple, donc de supprimer dans certaines applications les multiplicateurs ou les réducteurs de vitesse habituels, avec pour conséquence une simplification de la cinématique et une augmentation de la fiabilité. Par exemple, dans l'application aux éoliennes, l'invention permet de supprimer le multiplicateur de vitesse et d'obtenir directement la fréquence de courant électrique souhaitée.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, une forme d'exécution de cette machine électrique motrice ou génératrice polyphasée :
Figure 1 (déjà mentionnée) est une vue en coupe passant par l'axe d'une machine tournante électrique de l'état de la technique ; Figure 2 (déjà mentionnée) est une vue en coupe transversale de la machine électrique de la figure 1 ;
Figure 3 est un schéma de principe d'une machine électrique conforme à la présente invention ;
Figure 4 est une vue en coupe passant par l'axe d'une machine tournante électrique conforme à la présente invention.
Figure 5 est une vue en coupe transversale du stator de cette machine électrique, suivant la ligne V-V de la figure 4 ;
Figure 6 est une vue en coupe transversale du rotor de la machine électrique des figures 4 et 5 ; Figure 7 est un schéma de principe en représentation développée de la machine électrique selon l'invention, en correspondance avec l'exemple des figures 4 à 6.
En se référant à la figure 3, il sera d'abord exposé le principe général d'une machine électrique polyphasée conforme à la présente invention, cette machine pouvant être motrice ou génératrice, tournante ou linéaire. La machine électrique comprend, dans tous les cas, une partie fixe 1 et une partie mobile 4, c'est-à-dire une partie susceptible de décrire un mouvement rotatif ou rectiligne relativement à la partie fixe 1. La partie mobile 4, de structure massive, est pourvue sur sa périphérie ou sur sa bordure de dents 6, séparées par des encoches, le nombre des dents 6 ou des encoches étant désignée par N.
La partie fixe 1 , qui peut aussi être désignée comme "induit", présente une série d'encoches 11 situées en regard des dents 6 de la partie mobile 4. Le nombre total des encoches 11 est égal à (2Nx P), ou à un multiple
M entier du nombre (2N x P), N étant le nombre des dents 6 de la partie mobile
4, et P désignant le nombre de phases.
Dans les (2N x P), ou les M x (2N x P) encoches 11 de la partie fixe
1 , sont disposées autant de bobines d'induit 12. Pour la clarté du dessin, on n'a représenté sur la figure 3 que les bobines d'une phase, qui sont reliées entre elles en série, leurs enroulements successifs étant bobinés en sens inverses, de façon à ce que toutes les forces électromotrices soient en phase et s'additionnent les unes aux autres. Chaque ensemble de bobines 12 d'une phase est décalé, par rapport au précédent, d'une encoche 11 ou du multiple M d'encoches.
La machine comprend encore une partie excitatrice 15, à bobine électromagnétique ou à aimant permanent, qui fait face à la fois à la partie fixe 1 et à la partie mobile 4. Il est ainsi créé un circuit magnétique fermé d'excitation, qui fait circuler un flux magnétique continu entre la partie fixe 1 et la partie mobile 4 de la machine. Plus particulièrement, le flux magnétique continu généré par la partie excitatrice 15 se referme entre la partie fixe 1, dans la région des encoches 11 et des bobines 12 de celle-ci, et le sommet des dents 6 de la partie mobile 4.
Lors d'un déplacement de la partie mobile 4 relativement à la partie fixe 1 , une quelconque bobine d'induit 12 passe alternativement d'un flux d'induction magnétique maximal, présent au sommet des dents 6 de la partie mobile 4, à un flux d'induction magnétique minimal, présent au fond des encoches situées entre les dents 6 de cette partie mobile 4. Quand une bobine d'induit 12 est au flux d'induction magnétique maximal, la bobine d'induit 12 suivante (de la même phase) est au flux d'induction minimal, comme le montre clairement la figure 3. Etant donné que cette bobine suivante est bobinée en sens inverse de la précédente, les flux vus par les deux bobines 12 considérées sont mis en phase ; les courants électriques induits s'ajoutent donc, de bobine en bobine.
En mode "génératrice", la partie mobile 4 étant déplacée par une source de mouvement extérieure à la machine, la variation de flux dans chaque bobine d'induit 12 crée un courant électrique qui, en s'ajoutant à l'effet similaire produit dans les autres bobines 12 et en se multipliant par le nombre P de phases, crée globalement un courant électrique alternatif, pouvant être récupéré. A l'inverse, en mode "moteur", du courant alternatif est envoyé dans les bobines d'induit 12 de la partie fixel . Ce courant alternatif fait varier le flux d'induction de la partie excitatrice 15, toujours active. La réluctance du circuit magnétique fait que la variation du flux d'induction se traduit par l'apparition d'une variation de force magnétique, qui agit sur la partie mobile 4. Cette dernière est ainsi déplacée, et son mouvement (rotatif ou linéaire) peut être récupéré, en tant que source motrice.
Les figures 4 à 6, sur lesquelles les éléments correspondant à ceux définis précédemment sont désignés par les mêmes références numériques, illustrent l'application du principe de cette machine électrique polyphasée à la constitution d'une machine tournante électrique triphasée.
Cette machine tournante électrique, dont l'axe central est indiqué en A, comprend de façon générale une partie fixe désignée comme stator 1 , et une partie mobile tournante autour de l'axe A désignée comme rotor 4, qui est calée sur un arbre central 5 (ou ne forme qu'une seule pièce avec cet arbre). Le rotor 4, bien visible sur la figure 6, possède une structure massive et il est pourvu de dents 6 régulièrement espacées à sa périphérie, le nombre des dents 6 étant désigné par N.
Le stator 1 comporte, placée autour du rotor 4, une carcasse cylindrique massive 9 qui supporte, intérieurement, une couronne formée par un empilement de tôles feuilletées 10 présentant des encoches radiales 11 régulièrement espacées, situées en regard des dents 6 du rotor 4 (la figure 5 étant une vue en coupe passant par cette partie du stator 1). Les encoches 11 sont en nombre total (2N x P)1 P désignant le nombre des phases, soit un nombre d'encoches égal à (6xN) dans l'exemple ici considéré d'une machine triphasée. Dans les (6xN) encoches 11 du stator 1 sont disposées autant de bobines d'induit ou bobines statoriques 12, visibles sur la figure 4. Les bobines d'induit 12, réparties en trois phases, sont pour chaque phase reliées entre elles électriquement en série, leurs enroulements successifs étant bobinés en sens inverses. Un décalage d'une encoche 11 est prévu entre les phases. L'ensemble des bobines 12 est relié à des connexions électriques 13 du stator 1 , ici des connexions 13 triphasées, parcourues par du courant alternatif.
A une extrémité de la machine, le stator 1 comporte encore un flasque massif 14 de forme circulaire ou annulaire, qui supporte une bobine excitatrice fixe 15 entourant co-axialement l'arbre 5 du rotor 4, et située en face des bobines d'induit 12. La bobine excitatrice 15 est alimentée en courant continu par des connexions électriques 16, constituées notamment par deux fils d'alimentation. En fonctionnement, c'est-à-dire lorsque la bobine excitatrice 15 est alimentée électriquement, celle-ci génère un flux magnétique continu, se refermant entre le stator 1 et la périphérie du rotor 4. II est ainsi constitué une machine tournante électrique triphasée, de type synchrone et à réluctance variable, qui peut fonctionner comme un moteur électrique ou comme un alternateur triphasé.
En mode de fonctionnement "moteur", un courant électrique triphasé piloté, à fréquence et tension variables, est envoyé par l'intermédiaire des connexions électriques 13 dans les bobines 12 du stator 1, tandis que la bobine excitatrice 15 est alimentée en courant électrique continu par les connexions 16. Le rotor 4 tourne alors à une vitesse proportionnelle à la fréquence de pilotage, le mouvement du rotor 4 étant récupéré sur l'arbre 5.
En mode de fonctionnement "alternateur", le rotor 4 est entraîné en rotation par son arbre 5 depuis une source de mouvement extérieure, tandis que la bobine excitatrice 15 est alimentée en courant électrique continu. La variation de réluctance alors réalisée devant chaque bobine 12 du stator 1 crée un courant alternatif, qui est récupéré sur les connexions électriques 13. Plus particulièrement, il est ici généré un courant triphasé, dont la fréquence est fonction de la vitesse de rotation du rotor 4. Ce mode de fonctionnement est précisé ci-après, en prenant pour exemple une machine tournante électrique triphasée dont le rotor 4 comporte huit dents 6, comme montré sur la figure 6 (donc : N=8), tandis que le stator 1 et plus particulièrement l'empilement de tôles feuilletées 10 comporte au total quarante-huit encoches 11 , puisque dans ce cas, en choisissant M=1 pour donner un exemple simple : M x (2N x P) = 1x2x8x3=48.
Cet exemple correspond aussi à la représentation développée simplifiée de la figure 7.
Dans le cadre de cet exemple, en mode "alternateur" avec une vitesse de rotation du rotor 4 égale à 3000 tours par minute (soit 50 tours par seconde), la fréquence du courant électrique induit dans le stator 1 sera de : 50 x 8 = 400 Hz.
Inversement, en mode "moteur" et en alimentant électriquement le stator 1 à une fréquence de 400 Hz, le rotor 4 tournera à une vitesse de 3000 tours par minute.
La machine tournante électrique polyphasée, précédemment décrite, est ainsi utilisable en moteur électrique synchrone, alimentée par un courant notamment triphasé, le rotor 4 tournant à une vitesse de rotation multiple de la fréquence de courant d'alimentation. L'intérêt de l'invention réside ici dans la réalisation simple et économique d'un moteur électrique synchrone, avec un rotor massif non feuilleté, sans aucune bobine ni aucun aimant au rotor.
Le principe de cette machine électrique peut être étendu à la réalisation d'un moteur électrique linéaire économique. La représentation développée de la figure 7 donne aussi une idée d'un moteur électrique linéaire conforme à la présente invention.
Dans le mode de fonctionnement en moteur, l'utilisation d'une bobine excitatrice 15 créant une excitation variable permet une maîtrise de la force électromotrice, en toute condition de fonctionnement en vitesse et force ou couple de la partie mobile 4. Ceci permet d'augmenter notablement la plage de vitesses du moteur synchrone ainsi constitué, par rapport aux moteurs actuels. Ainsi, un moteur électrique selon l'invention, associé à un circuit de pilotage simple à réaliser, peut remplacer avantageusement les actuels moteurs ou motoréducteurs électriques asynchrones, synchrones ou à courant continu, dans toutes les applications d où ils sont aujourd'hui utilisés. Grâce à la simplicité de son rotor et de son refroidissement, la machine électrique selon l'invention est particulièrement adaptée à la réalisation de moteurs électriques à grande vitesse, par exemple des moteurs électriques tournant à des vitesses supérieures à 8000 tours par minute. Toutefois, grâce à la possibilité d'augmenter de façon simple le nombre de "pôles", c'est-à-dire le nombre de dents 6 de la partie mobile (rotor) 4 et le nombre correspondant d'encochesi 1 de la partie fixe (stator) 1 , la machine électrique selon l'invention est aussi particulièrement adaptée à la réalisation de moteurs électriques tournant à des vitesses relativement basses, par exemple des vitesses inférieures à 400 tours par minute. Dans le cas d'une machine électrique polyphasée selon l'invention fonctionnant en alternateur, la bobine excitatrice 15 convenablement alimentée crée une excitation variable, qui permet une maîtrise de la tension alternative de sortie, récupérée sur les connexions électriques 13, pour une vitesse donnée donc pour une fréquence donnée. De plus, si l'alternateur est couplé à un réseau, cette excitation permet d'agir sur le facteur de puissance du réseau. On peut ainsi réaliser un alternateur simplifié et économique, avec un minimum de composants. Ces particularités sont intéressantes par exemple pour réaliser des alternateurs automobiles fiables et performants, ou des alternateurs tachy- métriques permettant de mesurer la vitesse et la position d'un mobile ou d'un rotor, ou encore des compensateurs synchrones d'énergie réactive sur les réseaux de distribution électrique. On notera aussi qu'en mode "alternateur", pour une vitesse de rotation donnée du rotor 4, il suffit de multiplier le nombre des dents 6 de ce rotor pour augmenter la fréquence du courant alternatif généré. Ainsi, l'intérêt de la machine électrique objet de l'invention, utilisée en alternateur, réside également dans la possibilité d'obtenir des hautes fréquences pour des vitesses de rotation relativement basses, ce qui permet une utilisation avantageuse de cette machine dans des domaines tels que non seulement la génération électrique dans les véhicules automobiles, mais aussi la génération électrique aéronautique, les éoliennes, les centrales hydrauliques, la conversion d'énergie.
La réversibilité naturelle de la machine électrique objet de l'invention permet aussi une utilisation "mixte", c'est-à-dire en machine qui est motrice ou génératrice selon les instants. L'intérêt de l'invention est ici de fournir une machine électrique réversible économique, ce qui permet d'envisager par exemple les utilisations suivantes : - comme démarreur-alternateur pour moteur thermique, notamment de véhicule automobile ;
- comme moyen de stockage-restitution d'énergie cinétique.
En couplant des machines électriques conformes à l'invention, on peut par ailleurs réaliser aussi bien un "arbre électrique", qui transmet un mouvement rotatif ou linéaire, qu'un multiplicateur ou un réducteur linéaire.
Comme il résulte de ce qui précède, la machine électrique objet de l'invention trouve des applications dans des domaines d'activité multiples et variés: industrie ; transports en particulier automobile, aéronautique et spatial, marine ; production et conversion d'énergie ; équipements domestiques.
L'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cette machine électrique motrice ou génératrice polyphasée qui a été décrite ci- dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application entrant dans le cadre des revendications annexées. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention :
- en modifiant le nombre N de dents de la partie mobile, en particulier du rotor, et le nombre d'encoches de la partie fixe, en particulier du stator, pourvu que ce dernier nombre respecte la relation M x (2N x P) ; - en modifiant le nombre P des phases de la machine électrique ;
- en remplaçant la bobine excitatrice fixe par un aimant permanent également fixe, ce qui peut apporter une simplification et une économie, dans le cas où une variation de l'excitation n'est pas nécessaire ;
- en plaçant la bobine excitatrice, ou éventuellement l'aimant permanent, en tout point approprié du circuit magnétique d'excitation ;
- en modifiant les détails constructifs des parties fixe et mobile, en particulier du stator et du rotor, ou les proportions (longueur/diamètre) de la machine électrique ;
- en réalisant cette machine électrique selon toutes dimensions, en fonction de la puissance demandée par l'application ;
- en isolant la partie mobile de la partie fixe de la machine électrice par une paroi amagnétique, la partie mobile pouvant ainsi être plongée dans un milieu hostile ;
- enfin, en réalisant cette machine électrique, notamment motrice, comme une machine linéaire et non tournante, auquel cas la partie fixe à encoches incorpore la partie excitatrice, tandis que le rotor est remplacé par une partie dentée mobile en translation (dans ce dernier cas, les termes "fixe" et "mobile" n'ont qu'un sens relatif, pour indiquer la possibilité de déplacement d'une partie par rapport à l'autre).

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine électrique motrice génératrice polyphasée, pouvant être réalisée comme une machine tournante ou comme une machine linéaire, et fonctionnant de manière synchrone sur le principe de la variation de réluctance, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison : une partie fixe (1) à encoches (11) logeant des bobines d'induit (12) reliées entre elles électriquement en série, par phase, leurs les enroulements successifs étant bobinés en sens inverses ; une partie mobile (4) pourvue de dents (6) situées en regard des encoches (11) de la partie fixe (1), à une dent (6) de la partie mobile (4) correspondant un nombre M x (2P) d'encoches (11) de la partie fixe (1), "M" étant un nombre entier égal ou supérieur à un et "P" désignant le nombre de phases de la machine ; et une partie excitatrice, faisant face à la partie fixe (1) et à la partie mobile (4), avec une bobine électromagnétique (15) alimentée en courant continu ou avec un aimant permanent, et avec un circuit magnétique faisant circuler un flux magnétique continu d'excitation entre la partie fixe (1) et la partie mobile (4).
2. Machine électrique motrice ou génératrice polyphasée selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle est réalisée comme une machine tournante électrique à "P" phases, comprenant en combinaison : un stator annulaire (1 , 9, 10) comportant à sa périphérie des encoches radiales (11) en nombre M x (2NxP),dans lesquelles sont disposées autant de bobines d'induit (12), décalées d'une phase à une autre ; un rotor (4) monté tournant suivant l'axe central (A) de la machine et pourvu à sa périphérie de dents (6) en nombre "N", saillant radialement et situées en regard des encoches (11) du stator (1) ; et une partie excitatrice fixe (14, 15), placée au centre du stator (1) autour de l'axe (A) de la machine.
3. Machine électrique motrice ou génératrice polyphasée selon la revendication 2, caractérisée en ce que le stator (1) comporte, autour du rotor (4), une carcasse cylindrique massive (9) qui supporte, intérieurement, une couronne formée d'un empilement de tôles feuilletées (10) présentant les encoches radiales (11), situées en regard des dents (6) du rotor (4).
4. Machine électrique motrice ou génératrice polyphasée, selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le stator (1) comporte, à une extrémité de la machine, un flasque massif (14) de forme circulaire ou annulaire, qui supporte une bobine excitatrice fixe (15) entourant co-axialement l'arbre (5) du rotor (4), et située en face des bobines d'induit (12) du stator (1)
5. Machine électrique motrice ou génératrice polyphasée, selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le rotor (4) possède une structure massive.
6. Utilisation d'une machine électrique motrice ou génératrice polyphasée selon l'une des revendications 1 à 5, comme moteur électrique synchrone de type rotatif ou linéaire, ou comme alternateur, notamment comme moteur électrique triphasé ou comme alternateur triphasé, de préférence avec une partie excitatrice (15) pilotable de manière à faire varier le flux magnétique continu d'excitation.
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