FR2530093A1 - Convertisseur electrique de couple - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN CONVERTISSEUR ELECTRIQUE DE COUPLE. CE CONVERTISSEUR COMPREND UN GENERATEUR ELECTRIQUE G, QUI EST ENTRAINE PAR UN ARBRE MOTEUR N, ET DONT L'ENROULEMENT W PRODUIT UNE TENSION ALTERNATIVE DE FORME TRIANGULAIRE, UN MOTEUR A COURANT CONTINU M, QUI ENTRAINE UN ARBRE DE SORTIE N, ET DONT LES ENROULEMENTS, W ET W, SONT ALIMENTES PAR W, PAR L'INTERMEDIAIRE D'AU MOINS UN CONDENSATEUR C ET DEUX DIODES D, D, M A UNE EXCITATION INDEPENDANTE OU PAR AIMANTS PERMANENTS; C A UNE VALEUR ASSEZ IMPORTANTE POUR LIMITER LES COURANTS A DES VALEURS ADMISSIBLES MEME LORSQUE LA VITESSE DE M EST NULLE. CE CONVERTISSEUR DE COUPLE PEUT ETRE REALISE AVEC UNE LARGE PLAGE DE VITESSES DE SORTIE POUR LESQUELLES LE RENDEMENT DE LA TRANSMISSION EST OPTIMAL.

Description

La présente invention concerne un convertisseur électrique de couple, qui

est placé entre un système

moteur et un système entraîné.

Dans de nombreux systèmes d'entraînement, notamment dans ceux comportant des moteurs à combustion interne, le moteur ne délivre une puissance assez élevée, avec un bon rendement, que dans une étroite gamme de vitesses, généralement élevées D'autre part, le système entraîné nécessite la puissance élevée à des vitesses

très différentes, selon les conditions de fonctionnement.

Les boites de vitesses mécaniques permettent certes une conversion du couple par paliers, le nombre des-paliers étant cependant limité par les possibilités

de manoeuvre et le coût élevé qui en résulte Les trans-

missions mécaniques continues sont limitées à la trans-

mission de puissancesrelativement faibles, Les convertisseurs hydrauliques de couple fonctionnent certes de façon continue, et ils permettent également de faire fonctionner le moteur dans la gamme de vitesse optimale Ils n'ont cependant un rendement, encore juste satisfaisant, que dans une gamme très étroite de rapports de transmission, si bien qu'il est souvent nécessaire de les combiner avec des transmissions mécaniques. On a également essayé d'utiliser des machines électriques pour l'adaptation des vitesses et la conversion des couples Ces différentes tentatives peuvent être

réparties en différents groupes.

On a proposé de mettre à profit la possibilité de contrôler la vitesse de rotation et le couple d'une

machine électrique par l'intermédiaire du champ magnétique.

Ces tentatives comprennent des combinaisons générateur-

moteur dans lesquelles le champ de l'une des machines, ou bien des deux, est contrôlé par l'intermédiaire de résistances,de machinesexcitatricesauxiliairesou de régulateurs de courant, de manière à pouvoir adapter le couple ou la vitesse de rotation à l'état

de fonctionnement du système entra&né.

Grace au recours à l'électronique de puissance, les dispositifs de contrôle du couple ont été éliminés par des dispositifs de régulation du couple ou de la vitesse de rotation Les dispositifs connus comportent par suite toujours des circuits électroniques de

régulation et/ou des microprocesseurs ou des calcula-

teurs pour la conduite de processus industriels Ces circuits de régulation agissent alors soit sur le champ des machines en question, soit sur le courant, la tension ou la fréquence de l'énergie électrique qui y

est envoyée.

Enfin, une position à part est occupée par les machines homopolaires, qui ont de bonnes propriétés pour un convertisseur de couple en raison de leur conception Les courants très intenses, qui apparaissent aux tensions faibles, et qui doivent 9 tre transmis par des bagues ou d'autres dispositifs, ont cependant des effets g 9 nants, et, dans chaque cas, un contrôle

ou une régulation du couple est également nécessaire.

La présente invention permet de réaliser un

convertisseur électrique de couple, qui, avec un rende-

ment élevé, présente une caractéristique vitesse de rotation/couple, linéaire, s'étendant jusqu'à la vitesse nulle, et cela sans utiliser des composants produisant

naturellement des pertes.

Le convertisseur électrique de couple selon la présente invention comporte un générateur de tension alternatif, dont les enroulements sont connectés à un moteur à courant continu, chacun par l'intermédiaire d'un condensateur et d'un redresseur; le convertisseur électrique de couple selon la présente invention est caractérisé par le fait que (a) le moteur à courant continu (M) est à excitation indépendante ou bien à excitation par un aimantspermanents,

(b) la tension (U 1 (t)), délivrée par le géné-

rateur de tension alternative (G) varie au cours du temps (t) suivant une courbe à peu près triangulaire, et (c) les condensateurs (C) ont des valeurs suffisamment importantes pour limiter le courant à une valeur admissible m 9 me lorsque la vitesse de rotation

du moteur est nulle.

Le convertisseur électrique de couple selon la présente invention procure l'avantage de permettre une variation de la vitesse de l'arbre entraîné pour une vitesse optimale de l'arbre moteur, sans dispositif de régulation, la puissance transmissible présentant

un large maximum et demeurant presque constante.

La demande de brevet allemand publiée sous le N 1 < 438 811 a certes décrit un montage dans lequel un générateur asynchrone, fixé à une turbine, est relié à des moteurs de traction (des moteurs à courant continu), par l'intermédiaire de condensateurs, de redresseurs, et d'une résistance de démarrage; il s'agit cependant d'un simple circuit de démarrage d'une turbine tournant à vitesse constante Dans ce circuit, une résistance de démarrage pour les moteurs série est indispensable, tandis que les condensateurs servent exclusivement à la compensation des impédances de fuite. Par contre, le générateur du convertisseur de couple selon la présente invention produit une tension alternative à peu près triangulaire; le moteur à courant continu est à excitation indépendante ou par aimante permanentset les condensateurs limitent le courant à une valeur admissible, même à la vitesse nulle du moteur Il est également possible de prévoir, dans le convertisseur de couple selon la présente invention, une commande auxiliaire du "rapport de transmission"; contrairement aux dispositifs connus, cette commande n'a cependant pas pour rôle d'adapter la vitesse de l'arbre entraîné à chaque instant à la vitesse, la plus constante possible, de l'arbre moteur, mais elle sert exclusivement à l'optimisation globale de la

puissance totale transmissible.

-4 Le convertisseur électrique de couple selon la présente invention présente d'autre part une faible perte de puissance, qui augmente sensiblement avec la puissance à transmettre et diminue lorsqu'augmente la vitesse de l'arbre entrainé. Dans une forme de réalisation avantageuse du.convertisseur électrique de couple selon la présente invention, les conducteurs de l'enroulement (wl) du générateur sont disposés en triangles sur la surface latérale d' un cylindre fixe, qui peut être enfoncé dans l'entrefer d'une roue polaire (Pi) munie d'un

aimant permanent (PM).

Pour le réglage des petites machines, il est connu, par le brevet allemand No 939 463, de placer un rotor à enroulement autoporteur dans l'entrefer entre un noyau en aimant permanent et une bague de fermeture du flux, et de fixer la bague de fermeture du

flux à l'aide de vis.

On conna Ut également, par la demande de brevet

allemand publiée sous le NI' 2 101 459, un moteur à cou-

rant continu, dans lequel un fonctionnement à des vitesses différentes (variation du rapport de transmission) est permis en connectant ou déconnectant des éléments de

l'enroulement d'induit.

Le convertisseur électrique de couple selon la présente invention peut être utilisé d'une façon

particulièrement avantageuse dans des véhicules automo-

biles, car ce convertisseur électrique peut remplacer

non seulement la botte de vitesses, mais aussi l'embrayage.

A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé, une forme

de réalisation de l'invention.

La figure la est le schéma de montage d'un convertisseur électrique de couple selon la présente

invention.

La figure lb représente la courbe triangulaire de variation au cours du temps, de la tension produite par le générateur G. La figure 2 a représente la courbe de variation au cours du temps, aux bornes du condensateur C et des diodes D. La figure 2 b représente la courbe, à créneaux rectangulaires, de variation au cours du temps 1 du courant dans les enroulements du moteur M. La figure 3 est le diagramme de transmission du couple et de la puissance de l'arbre moteur à l'ar-

bre entraîné.

La figure 4 est une vue schématique, en coupe longitudinale, du moteur M. La figure 5 est un diagramme de l'adaptation de la puissance entre l'arbre moteur et l'arbre entraîné. La figure 6 est une vue schématique,

en coupe transversale, de la roue polaire du générateur.

La figure 7 a est une représentation partielle

de l'enroulement W 1 du générateur.

La figure 7 b est une représentation de la totalité des phases de l'enroulement du générateur selon

la figure 7 a, dans la position angulaire "I".

La figure 7 o est une représentation schémati-

que de l'imbrication des différents enroulements du gé-

nérateur. La figure 8 a est une représentation de la

répartition des enroulements en groupes de phases.

La figure 8 b est un tableau de la sélection des phases (les impulsions de courant se superposent

en formant un courant continu ininterrompu) -

La figure 8 c représente les variations au cours du temps de la tension d'un groupe de phases

du moteur.

La figure 9 est une représentation schématique, en coupe longitudinale, du convertisseur électrique de couple. La figure 10 représente les groupes de phases de l'enroulement W 1 du générateur et de l'enroulement

W 2 du moteur.

Le fonctionnement du convertisseur électrique de couple repose sur la combinaison, selon la présente invention, d'un générateur G avec un moteur à courant continu L qui seront tous deux décrits ci-après en détail par l'intermédiaire d'un circuit comprenant

un condensateur C et deux diodes D+ et D (figure la).

Le générateur spécial G produit une tension dont la courbe de variation au cours du temps est triangulaire (figure lb): ul(t) = U 1 ( 1-4 t/ A T) pour O t 4 T/2 (équation la) ul(t) =-U 1 ( 1-4 t/ T) pour àT/2 t = T (équation lb), T=l/N 1 étant la durée d'une rotation à la vitesse N 1, tandis que àT=T/n est la durée pendant laquelle le générateur G passe en tournant juste au niveau d'une

paire de pôles, N étant le nombre de paires de pôles.

La tension de crête U 1 =k 1 N 1 peut etre proportionnelle à la vitesse de rotation N 1 du générateur G, et la tension continue U 2 = k 2 N 2 proportionnelle à la vitesse de rotation N 2 du moteur M La structure particulière du moteur M réside dans le fait qu'il est alimenté par l'intermédiaire de deux enroulements indépendants W 2 + et W 2, aux bornes desquels la contre-tension U 2 est appliquée avec des polarités opposées Pour des raisons de clarté, on n'a pas représenté sur la figure la les dispositifs de commutation du moteur à courant continu M, non plus que les dispositifs pour produire les champs magnétiques dans le générateur G et le moteur M. Sur la figure 2 a, à l'instant t= O la tension ul(t)=UI est à sa valeur positive de crgte, et le condensateur C est chargé à la tension Uc=Ui-U 2 à travers la diode D+ Lorsque la tension ul(t) diminue, il en va de même de u p(t) (voir la figure fla), et elle devient plus négative que +U 2; cependant, jusqu'à l'instant te, elle reste plus positive que -U 2, c'est-à-dire que les deux diodes D+, D sont

bloquées C'est seulement lorsque, aux instants pos-

térieurs à te, la tension up va tomber en-dessous de -U 2, que la diode D devient conductrice et maintient up à la valeur -U 2 Comme ul(t) continue à diminuer

jusqu'à t= T/2, à partir de l'instant te le condensa-

teur C est chargé, à travers la diode D-, à la tension de valeur égale et opposée uc=-Ul+U 2 A l'instant t = t T/2, ce processus prend fin et ul(t) commence à nouveau à cro 5 tre Ainsi, up(t) croit également, devient plus positif que -U 2, mais plus négatif que U 2 jusqu'à l'instant t=& T/2 +te, c'est-à-dire que les deux diodes D+, D sont bloquées C'est seulement lorsque up devient plus positif que U 2, que la diode D+ conduit et charge le condensateur C à nouveau à

la valeur uc=U 1-U 2.

Cette opération se répète alors périodique-

ment, les enroulements W 2 + et W 2 du moteur à courant continu M étant alors parcourus alternativement par le courant de charge i(t) du condensateur C Ce courant a l'intensité i(t)=C duc (t)/dt = C (du 1 (t) /dt dup(t)/dt) (équation 2), et il peut 9 tre désigné comme impulsionnel pour les phases de temps précédemment indiquées Si l'on considère D+ et D comme des diodes idéales, avec une tension directe Ud=O, et la tension du générateur G comme une tension idéalement triangulaire, on obtient, à partir des équations 1 et 2: 0 = t< te: D+ et D bloquées i(t) = 0 (équation 3 a te t A T/2: uc(t) = ul(t) + U 2 i(t) = -4 C U 1/AT )

(équation 3 b).

AT/2 < t< te+ T/2: D+ et D bloquées i(t) = O (équation 3 c) te+àT/2 C t < ' T: uc(t)=ul(t)-U 2 i(t) = 4 C U 1/d T (équation 3 d) En raison de la forme triangulaire de u 1 (t), on obtient donc une variation du courant au cours du temps, en forme d'impulsions rectangulaires, alternativement positives et négatives, comme représenté sur la figure 2 b Le courant positif traverse alors l'enroulement W 2 + du moteur M, et le courant négatif, son enroulement W 2 -, si bien que ledit moteur M est entraîné dans le m 9 me sens par les deux courants Comme, pendant les phases de blocage, la tension up(t) varie avec la même pente que u 1 (t), on a également, comme illustré sur la figure 2 a: te/2 U 2 =A T/4 U 1 ou te = (T/2) (U 2/U 1) (équation 4) c'est-à-dire que le temps de passage du courant Y T/2-( T/2) (U 2/U 1) augmente en m 9 me temps que la tension U 2 =k 2 N 2, c'est-à-dire lorsqu'augmente la

vitesse de rotation, N 2, de l'arbre de sortie.

On peut maintenant montrer comment s'établit la relation entre le couple et la vitesse de rotation

dans le cas de la combinaison selon la présente invention.

Pour cela, on doit tout d'abord calculer l'énergie A W reçue-par le moteur M pendant une période S T

de la tension triangulaire Pendant la première demi-

période O t < T /2, un courant constant i(t) (voir l'équation 3), traverse, sous la tension constante

-U 2, l'enroulement W 2 pendant la durée (A T/2-te).

Pendant la seconde demi-période A T/2 = t A T un courant, de même intensité mais de signe contraire, i(t), s'écoule pendant la même durée, sous une tension de même valeur et de signe contraire +U 2, si bien que le moteur M reçoit la même énergie pendant les deux demi-périodes, c'està-dire que: W = 2 U 2 i (T/2-te) = = 2 C U 4 /i&T) (,a T/2-( ( T/2))(U 2/Ul" -(= 4 C U 21 ( 31-U 2) (équation 5) Comme cette énergie est regue pendant chaque période &T, on peut en déduire la puisssance P 2 =-&W/1 T, et par suite aussi le couple M 2 = P 2/( 2 N 2), et, avec U k 1 l= k N, U 2 = k 22 et T = 1 n) on obtient: P 2 = ( 4 C U 2 (U 1-U 2)/d T ou (équation 6 a) P 2 =( 4 k 2 'n'C)'1 'N 2 (k 1 N 1-k 2 N 2) (équation 6 b) N 2 = ( 2 2 n C/t)-N 1 (k 1 N 1-k 2 N 2) (équation 7) Après avoir calculé ces relations pour la combinaison

d'un générateur idéal G avec un moteur idéal M, en uti-

lisant des diodes idéales D et un condensateur idéal C, aucune résistance ohmique n'influe sur le fonctionnement avec ce mode de calcul Par suite, dans le cas idéal également, il n'y a aucune perte d'énergie, et la puissance Pl délivrée par le générateur G, doit être égale à la puissance P 2, reçue par le moteur M (équation 6) Comme, au niveau également du générateur G, le couple est M 1 =P 1/( 2-'l N 1), on obtient: Pl =( 4 k 2 n C) N 1 IN 2 (k 1 N 1-k 22 N 2) = P 2 = P (équation 8) M 1 = ( 2 k 2 n C/T) N 2 (k 1 Nl-k 2 N 2) et (équation 9) 42/1 ilNI 1/N 2 (équation 10) L'équation 10 reproduit la caractéristique du convertisseur de couple selon la présente invention, le couple M 2, appliqué à l'arbre de sortie, paraissant tout d'abord devenir infini lorsque la vitesse de rotation dudit arbre de sortie, N 2, s'annule En partant de l'équation 7, on voit cependant (figure 3) que M 2 (N 2) diminue linéairement en partant d'une valeur maximale pour N 2 = O Cette valeur finale de M 2 devient cependant compréhensible si l'on observe que le couple M 1, produit par le générateur G (équation 9), s'annule également pour N 2 = O Ainsi, sur l'arbre de sortie, un couple maximal M 2 peut être maintenu à la vitesse de rotation N 2 = 0, avec P 2 = Pl = M 1 = O La transmission optimale de puissance entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie a donc lieu pour un rapport des vitesses de rotation pour lequel la dérivée d P/d N 2 = O, donc pour d P/d N 2 k N 2 N 2 =; 2/N 1 = k 1/2 k 2 (équation 11), ou bien pour le rapport des vitesses de rotation

pour lequel U 1 =k 1 N 1 est exactement double de U 2 =k 2 N 2.

Le couple appliqué à l'arbre de sortie M 2 et la puissance P diminuent finalement jusqu'à O lorsque N 2 atteint la valeur pour laquelle N 2 k 2 =N 1 k 1, c'est-à-dire pour

laquelle U 2 =U 1 (figure 3).

Les équations 6 à Il représentent d'une façon complète la caractéristique du convertisseur électrique de couple Il suffira d'expliquer ci-après pourquoi un couple N 2 =( 2 k 2 n C/k)k 1 11 est maintenu (équation 7) pour la vitesse de rotation N 2 = O de l'arbre de sortie, sans nécessiter un couple (équation 9) ou de la puissance (équation 8) sur le générateur G. Pour^N 2 =O, U 2 =NT 2 =O et, par suite, te=(/ T/2) (U 2/U 1)=O, c'està-dire que les impulsions de courant atteignent une largeur maximale de T/2 tandis que le courant i(t) ne produit, dans le

moteur N, aucune puissance, pour U 2 =O, et que P 2 est nul.

Aux bornes du générateur G est cependant appliquée la tension u 1 (t) avec des valeurs comprises entre -U et +U 1, si bien que la puissance instantanée pl(t) est certainement différente de O Cependant,

la puissance délivrée s'annule pendant chaque demi-

période AT/2 de la tension triangulaire u 1 (t), puisque, pendant cette durée, le courant i(t) est constant, mais que la tension u 1 (t) a des valeurs positives et négatives égales Le courant i entralne donc le générateur G de l'instant t = O à l'instant t = T/4, et de l' instant t =T/2 à l'instant t = 53 T/4, tandis qu'il

le freine pendant les intervalles de temps intermédiaires.

Cette alternance subsiste même lorsque la vitesse de rotation N 2 augmente alors que deeroit le rapport ta/tb entre les durées d'entraînement et de freinage (figure 2 a), jusqu'à ce que la vitesse de rotation N 2 ait atteint une valeur pour laquelle

D O N 2 k 2 = N 1 k 1/2, c'est-à-dire jusqu'à U 2 = UI/2.

Bien entendu, la puissance, Pl, déjà indiquée dans l'équation 8, peut être aussi calculée directement, et l'on obtient, avec les équations 1 et 3: AT/2

1 ul(t) i(t)dt = 2 u 1 ( 1-4 t/ T).

0 t e ( l 2)T/ (-4 C l/ a T) dt =-( 8 C Ul/b T) (t-2 t /,à D)| t / -C. (Ui U 2 U 2 (équation 12) Pl =AW/ 6 T 4 C U 2 (U 1-U 2)/ AT (équation 13) c'est-à-dire que la puissance Pl produite par le généra- teur G est égale à la puissance Pl consommée dans le moteur M comme on le voit en comparant les équations

13 et 6 a.

Sur la figure 3, on a représenté comment il est possible, pour une vitesse constante de rotation, N 1 de l'arbre d'entrée, et pour une valeur fixe de k 2, de régler la vitesse de rotation, N 2, de l'arbre de sortie selon le couple nécessaire Quoique le convertisseur électrique de couple fonctionne avec un bon rendement dans toute la gamme, c'est seulement au voisinage de k T 2 = k 1111/2 que la puissance maximale

est transmise En modifiant k 2 pendant le fonctionne-

ment, on peut alors, dans le cas o l'on a besoin d'une grande puissance dans une large gamme de variation de N 2, maintenir le produit k 2 N 2 vers k 1 N 1/2 Bien entendu, un accroissement de la puissance transmissible provoque également un accroissement supplémentaire du

couple M 2 aux faibles vitesses de rotation.

Dans le cas le plus simple, on peut modifier k 2 = UJ 2/N 2 grace à une transmission insérée entre le moteur et l'arbre de sortie Cette combinaison se I rencontre souvent dans les boites de vitesses à convertisseur hydrodynamique Dans le cas du convertisseur électrique, il existe en outre d'autres possibilités

très simples pour faire varier k 2 Comme la contre-

tension 1 2 = k 2 N 2 d'un moteur à courant continu, est proportionnelle à sa vitesse-de rotation N 2,à l'induction B 2 et à la longueur active des conducteurs,

k 2 lui-même doit être proportionnel à B 2 et à la lon-

gueur active des conducteurs Il est donc possible d'ajuster k 2 en modifiant la longueur active des conducteurs du moteur ou en modifiant son induction B 2 de manière que la puissance nécessaire soit toujours disponible. L Ia variation du champ a généralement peu d'intérêt pratique, puisque le champ du moteur M

selon la présente invention est produit avantageuse-

ment par des aimants permanents D'autre part, il existe deux possibilités simples, déterminées constructivement, pour agir sur k 2 en modifiant la longueur active-des conducteurs Comme le moteur à courant continu M est construit de préférence de manière qu'un enroulement fixe, W 2, disposé sur la surface latérale d'un cylindre, pénètre dans l'entrefer d'une roue polaire P 2 (figure 4), la profondeur de pénétration peut être modifiée de façon continue à l'aide du chariot S Il en résulte cependant également une variationd de la longueur active, 12, des conducteurs, de 2,dscnutus et finalement/k 2, si bien que ce dispositif a le r 8 le

d'une transmission à variation continue du rapport.

Pour l'application pratique, il suffit cependant d'une variation discontinue de k 2, qui peut avoir lieu d'une façon simple en connectant ou déconnectant, élément par élément, des longueurs,

12 de conducteur C'est ainsi par exemple que la lon-

gueur totale des conducteurs 12, peut être divisée en seize éléments 1 12 = 12/16, et que le moteur M peut fonctionner avec une longueur effective des conducteurs j l 12 = j 12/16 La figure 5 montre que, pour une grande valeur de k 2 (c'est-à-dire pour j = 16), on obtient un couple très grand pour N 2 = O et que, entre une vitesse inférieure de rotation N 2 (u) et une vitesse supérieure de rotation N 2 (o), il existe une large gamme avec une adaptation optimale des puissances Les éléments constants, a 12, de la longueur des conducteurs font que, aux faibles vitesses de rotation, avec des maxima étroits de puissance, on

obtient un échelonnement étroit, tandis que, aux vites-

ses de rotation élevées, avec de larges maxima de puissance, on obtient un échelonnement plus large, au-dessus de N 2, si bien que le défaut d'adaptation de la puissance reste limité à 1 % dans une très large

gamme de vitesses de rotation.

L'adaptation de k 2 à l'état de fonctionnement en utilisant l'une des méthodes indiquées ci-dessus,

apporte donc, selon la présente invention, un élargisse-

ment de la gamme de transmission maximale de la puissance.

Pour le fonctionnement du convertisseur électrique de couple selon la présente invention, il importe peu de quelle façon le générateur G produit une tension variant de façon triangulaire, comme indiqué

par l'équation 1 Cependant, on va décrire une réalisa-

tion particulièrement simple d'un générateur G de ce

type.

La roue polaire, P 1, du générateur G (figure 6) est constituée par un anneau intérieur et un anneau extérieur, comportant chacun 2 N aimants permanents EM, dont les pôles se font face de manière à former alternativement des zones de champ magnétique orienté radialement vers l'intérieur ou radialement vers l'extérieur Le champ magnétique est fermé par une bague interne et une bague externe, R, d'un matériau

perméable magnétiquement Dans l'entrefer pénètre l'en-

roulement cylindrique W 1, les composantes, parallèles à l'axe de rotation de la roue polaire P 1, des longueurs de conducteur étant perpendiculaires à la vitesse

relative v et au champ magnétique.

Sur la figure 7 a, l'enroulement W 1 est représenté de telle façon que le plan de l'entrefer se trouve dans le plan de la feuille On choisit l'instant t=O de manière que l'entrée 1, le point de rebroussement 3 et la sortie 5 de la boucle conductrice, W 1, en forme de V, coïncident avec les frontières de l'aimantation de la roue polaire La course S est nulle à l'instant t=O, et augmente linéairement suivant la relation s=v t On peut alors facilement, en fonc-

tion de s, connaître la longueur efficace de conduc-

teur de l'enroulement W 1, qui se trouve dans la direction de l'axe de rotation, c'est-à-dire, sur la figure 7 a, dans la direction des frontières de l'aimantation Les contributions des différents éléments de conducteur à la tension un I doivent être comptées positivement ou négativement selon le sens de déplacement du conducteur et selon le sens du champ magnétique:

1 (+ 112) (-B)+(+ 123) (+B)+(-134) (+B)+(-145) (-B)

ou (équation 14 a) ul = v B l-a+(l-a)-a+(l-a) l = v B ( 21-4 a) (équation 14 b) On voit sur la figure 7 aque a/s=l/(U/2 n), ou bien a = l s/(U/2 n) Comme les trajets S et la de largeur/l'aimant(U/2 n) sont dans le rapport des durées t et; T/2, on déduit de l'équation 14 b: ul(t) = v B ( 2 l-8 l t/ &T) = 2 v B l ( 1-4 t/& T) (équation 14 c) Lorsque t= T/2, l'entrée 1, le point de rebroussement 3 et la sortie 5 de la boucle conductrice

coïncident à nouveau avec les frontières de l'aimanta-

tion et le processus commence avec un sens du champ et une tension inversés, c'est-à-dire que: us(t) = -2 v B l ( 1-4 t/, T) (équation 14 d) Enfin, N bouclesconductrices peuvent être disposées sur le pourtour U de l'enroulement cylindrique W 1, ces boucles ayant alors toutes la même position angulaire relative S par rapport aux frontières de l'aimantation (figure 7 b) Ces boucles peuvent donc être montées en série, et elles multiplient u 1 (t) par le facteur n Si l'on pose enfin 2 n v B l= UI, les équations 14 c et 14 d se transforment dans les équations -la et lb. Comme le montre la figure 7 c, on peut imbriquer d'autres conducteurs de forme triangulaire, par exemple 2, 3 8, 11, 2 ' 8 ', avec le conducteur 1 Avec des enroulements imbriqués les uns dans les autres, d'une façon générale, i 1 I, i'=l I, seuls i et i' délivrent cependant des tensions en phaseopposées l'une à

l'autre uli(t) = -uli' ().

La présente invention procure l'avantage de permettre de réaliser le montage illustré sur la figure 1 séparément pour toutes les 2 I phases, et de limiter ainsi la puissance à transmettre à travers les condensateurs C et les diodes Dt et Dil de manière à pouvoir utiliser des composants usuels même pour une puissance totale élevée P Les courants modulés des différentes phases peuvent être alors additionnés au niveau d'une paire d'enroulements

W, W_ ou de plusieurs groupes de paires d'enroulements.

La répartition des enroulements W, w_ du moteur en plusieurs groupes est également avantageuse, selon la présente invention, car elle permet ainsi de limiter la puissance à transmettre par les dispositifs de commutation, de façon à pouvoir utiliser par exemple des semi-conducteurs usuels de puissance dans le cas d'une réalisation sans collecteur Cette répartition

est également possible lorsque des tolérances de fabri-

cation et des dispersions sur les caractéristiques des matériaux conduisent à de petites différences entre les phases à des enroulements w' puisque 2 i pusu toutes sont alimentées par différentes phases de l'enroulement du générateur G, c'est-à-dire chacune

par sa source propre de courant.

La figure 8 a représente à titre d'exemple

une répartition de ce genre en groupes de phases.

Tout d'abord, les quatre phases 1, 5, 1 ' et 5 ' de

la figure 7 c sont groupées de manière que leurs cou- rants positifs i 1, i 5, j 1 et i 5, sont additionnés après les diodes D+,

au niveau de U 2, tandis que les courants négatifs correspondants -i 1,- i 5, -i 1 ', et -i 5, sont additionnés au niveau de -U 2 Le mode de fonctionnement de l'une-des phases n'est pas influencé par le fait que d'autres phases sont connectées à la tension commune +U ou -U 2 Les phases sont choisies précisément, selon la présente invention, de telle sorte que, en cas d'adaptation de la puissance, les impulsions de courant se superposent en un courant continu ininterrompu comme indiqué au tableau de la figure 8 b - Les autres phases (figure 7 c) sont également réunies en groupes ( 2, 6, 2 ', 6 '),

( 3, 7, 3 ', 7 '), ( 4, 8, 4 ', 8 ') (figure 10).

Les enroulements du moteur M sont posés de manière que les conducteurs forment des méandres dans l'entrefer d'une roue polaire P 2 ' qui est constituée

de façon analogue & la roue polaire Pl (figure 6).

Dans le cas idéal, chaque conducteur produirait, comme

contre-tension, une tension rectangulaire alternative-

ment positive et négative Comme cependant, on ne peut que difficilement réaliser une variation rectangulaire du champ dans la roue polaire PI, on obtient une forme approximativement trapézoïdale (figure 8 c) pour la tension u 2 (t) d'une phaser Si l'on choisit par exemple Idans les douze phases du moteur M, les phases 1, 5 et 9, & chaque instant l'une au moins des phases a la tension +U 2, une autre la tension -U 2, par exemple, -30 à l'instant t O (figure 8 c), les phases 5 et 1 S'il y

a alors actionnement approprié-du commutateur appro-

prié Si (figure 8 a), c'est-à-dire si par exemple, & l'instant to, les commutateurs S et S+ 5 sont fermés, les courants positif et négatif du générateur peuvent traverser respectivement les phases correspondantes del'enroulement du moteur M Les autres phases du moteur sont bien entendu également réunies en groupes

(figure 10).

+ Les commutateurs Si peuvent être soit des semi-conducteurs de puissance, soit des commutateurs mécaniques Comme, cependantj les enroulements cylindriques W 1 et W 2 sont avantageusement montés fixes, et que les roues polaires, Pl et P 2, peuvent tourner en regard de ceux-ci avec des vitesses différentes, N et N 2, une commutation électronique, sans pièce mécanique mobile, est certainement avantageuse Une permutation de l'ordre de succession de l'actionnement des commutateurs

510 Si permet une inversion simple du sens de rotation.

Bien que le fonctionnement du convertisseur électrique de couple selon la présente invention soitindépendant de la structure qui a été illustrée à titre d'exemple, la réalisation des fonctions selon la présente invention conduit à une structure qui est

représentée sur la figure 9.

Une structure porteuse, symétrique de révolution, Tr, peut être fixée par une bride Fl à la machine

non représentée qui produit le couple d'entrée Mi.

La structure Tr comporte d'autre part les paliers Lai et La 2 de l'arbre d'entrée Wel et de l'arbre de sortie

We 2 Enfin, la structure Tr porte l'enroulement cylin-

drique W 1 du générateur G et l'enroulement W 2 du moteur M. Les roues polaires Pl et P 2 sont fixées sur les arbres Wel et We 2, et elles portent les aimants permanents PM (figure 6) Il est avantageux de disposer en deux systèmes concentriques la surface magnétique de la roue polaire P 2 qui est assez grande en raison du couple élevé appliqué à l'arbre de sortie, M 2, une quantité moindre de matière étant ainsi nécessaire

pour les aimants et les pièces de fermeture du flux.

Bien entendu, l'enroulement W 2 du moteur doit être

également disposé suivant deux cylindres concentriques.

Les condensateurs Ci, les diodes Di et les diodes Di ainsi que les dispositifs de commutation (figure 8 a) peuvent être fixés, d'une façon bien accessible, sur

la structure porteuse Tr, près de la bride Fl (circuits.

REVEINDICATIONS

1 Convertisseur électrique de couple, comportant un générateur de tension alternative, dont les enroulements sont connectés à un moteur à courant continu, chacun par l'intermédiaire d'un condensateur et d'un redresseur, caractérisé par le fait que (a) le moteur à courant continu (M) est à excitation indépendante ou bien à excitation par aimants permanent s,

(b) la tension (i U 1 (t)), délivrée par le géné-

rateur de tension alternative (G) varie au cours du temps (t) suivant une courbe à peu près triangulaire, et (c) les condensateurs (C) ont des valeurs suffisamment importantes pour limiter le courant à une valeur admissible même lorsque la vitesse de rotation

du moteur est nulle.

2 Convertisseur électrique de couple selon

la revendication 1, caractérisé par le fait que le géné-

rateur (G) est monophasé.

3 Convertisseur électrique de couple selon

la revendication 1, caractérisé par le fait que le géné-

rateur (G) est polyphasé.

4 Convertisseur électrique de couple selon

l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé

par le fait que le générateur (G),produisant une tension

alternative de forme triangulaire, forme, avec le conden-

sateur (C), un générateur de courantaproduisant des

courants modulés de façon constante, impulsion par-

impulsion. 5 Convertisseur électrique de couple selon

l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé

par le fait que le moteur à courant continu (M) comporte un enroulement c S'induit (W 2) à deux éléments, le premier et le second éléments dudit enroulement étant reliés par l'intermédiaire, respectivement, d'une première diode (D+) et d'une seconde diode (D-), de telle sorte

que lesdits éléments d'enroulement reçoivent respecti-

vement les parties positive et négative du courant de

décharge constant, impulsion par impulsion, du conden-

sateur (C).

6 Convertisseur électrique de couple selon

l'une quelconque des revendications 1, 3 et 4, caracté-

risé par le fait que les systèmes élémentaires résultant de la répartition des enroulements et des dispositifs de commutation du moteur à courant continu (M) sont montés

mécaniquement en parallèle, et ils reçoivent des cou-

rants modulés les uns indépendamment des autres.

7 Convertisseur électrique de couple selon

l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé

par le fait que les courants modulés de façon constante, impulsion par impulsion, dans le cas d'un générateur

polyphasé (G), sont imbriqués les uns dans les autres.

8 Convertisseur électrique de couple selon

l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé

par le fait que les conducteurs de l'enroulement (W 1) du générateur sont disposés en triangles sur la surface latérale d'un cylindre fixe, qui peut être enfoncé dans l'entrefer d'une roue polaire (Pi) munie d'un aimant

permanent (PM).

9 Convertisseur électrique de couple suivant

l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé

par le fait que les roues polaires (Pl et P 2) sont à cuvettes multiples et pourvues de plusieurs entrefers concentriques. Convertisseur électrique de couple suivant

l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé

par le fait que le moteur (M) est un moteur à courant

continu sans collecteur.