FR2691304A1 - Dispositif à moteur synchrone et machine synchrone. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif à moteur synchrone. Elle se rapporte à un dispositif qui comprend un stator bobiné avec un premier enroulement (A) et un second enroulement (B) sous forme d'un enroulement à double couche, un rotor ayant une configuration à pôles saillants et logé afin qu'il tourne dans le stator, un premier organe de commande (151) utilisé comme source d'énergie pour le premier enroulement (A) et réglant la fréquence de rotation du moteur, et un second organe de commande (153) utilisé comme source d'énergie pour le second enroulement (B) et réglant la puissance de sortie ou la valeur du couple du moteur. Application aux machines synchrones.

Description

La présente invention concerne une machine syn-

chrone, et en particulier elle concerne un générateur

synchrone et un moteur synchrone, linéaire ou rotatif.

L'invention concerne aussi un moteur principal de broche pour les machines-outils et analogues et elle concerne aussi un moteur synchrone dont la fréquence de rotation et la puissance ou le couple de sortie sont réglés simultanément. Un moteur synchrone utilisé dans des machines-outils ou analogues a habituellement un rotor et une armature Le rotor comporte des aimants permanents ou des bobinages qui sont excités par un courant continu L'armature a un bobinage à une seule couche ayant deux pôles, quatre pôles, six pôles ou analogues Un courant alternatif biphasé ou triphasé est utilisé pour la création d'un champ magnétique tournant.

Cependant, le moteur synchrone de la broche princi-

pale des machines-outils doit régler non seulement la fréquence de rotation mais aussi la puissance de sortie

simultanément.

Dans le cas d'une fraiseuse travaillant en bout, utilisée pour la rectification des surfaces planes, par exemple, la fraise travaillant en bout est habituellement directement raccordée à un moteur principal de broche Lors de la coupe de surfaces finement usinées, une vitesse périphérique constante et une force de coupe constante sont nécessaires Elles sont déterminées d'après le matériau et le type de la fraise travaillant en bout, le matériau de la pièce et analogue Il est donc préférable de conserver la puissance de sortie du moteur principal de broche à une valeur constante soit par création d'une faible vitesse et

d'un couple élevé, comme dans le cas d'une fraise travail-

lant en bout ayant un grand diamètre comme représenté sur la figure l B, soit par création d'une grande vitesse et d'un faible couple, comme dans le cas des fraises de petit diamètre représentées sur la figure l A.

Un moteur principal de broche utilisé pour l'entraî-

nement en rotation d'une broche principale d'une fraiseuse doit pouvoir transmettre une force constante de coupe quel que soit le rayon d'usinage Ainsi, comme l'indique la figure 2, le volume ou la force de coupe doit être constant même lorsque le rayon de traitement commence à diminuer proportionnellement à l 'avance de la coupe En conséquence, la puissance de sortie doit être maintenue constante par

augmentation de la fréquence de rotation du moteur.

Comme indiqué précédemment, le moteur utilisé avec une broche principale de machine-outil doit mettre en oeuvre un procédé de réglage de la fréquence de rotation et de la valeur du couple ou de la fréquence de rotation et de la puissance de sortie à des valeurs prédéterminées en même temps Cependant, le moteur classique utilisé pour la broche principale d'une machine-outil possède un bobinage à une seule couche et règle la phase, la fréquence, le gain, etc du courant qui circule Il est donc difficile de produire des caractéristiques prédéterminées de charge

étant donné la complication du procédé de commande.

Comme indiqué précédemment, un problème est dû au

fait que le moteur synchrone classique possède diffici-

lement les diverses caractéristiques nécessaires pour la broche principale des machines-outils étant donné la complication du procédé de réglage du courant due au fait

que le bobinage est à une seule couche.

En outre, le moteur synchrone des machines-outils classiques a une armature (stator) et un rotor Pour qu'un pôle de champ magnétique soit créé, le moteur synchrone possède un rotor ayant un aimant permanent ou un bobinage qui est excité par un courant continu Un moteur synchrone

ayant deux à huit pôles est très courant.

En outre, le générateur synchrone classique possède une armature (stator) et un rotor aussi Pour la création d' un pôle de champ magnétique, le générateur synchrone a un rotor ayant un aimant permanent ou un bobinage qui joue le

rôle d'un électro-aimant.

Cependant, la structure du générateur est complexe et est affaiblie par l'aimant permanent du rotor ou par un bobinage enroulé autour du rotor En conséquence, un problème est dû au fait que diverses anomalies sont créées par la déformation ou par la défaillance en cas de rotation

à grande vitesse.

Un autre problème se pose lorsque le générateur synchrone doit avoir diverses caractéristiques, par exemple une caractéristique de puissance constante de sortie sur une large plage de rotation, une caractéristique de rotation avec une faible pulsation du couple, et une caractéristique dépourvue de déformation thermique due au

comportement exothermique du rotor.

La présente invention a pour objet la réalisation

d'une machine synchrone qui convient à une broche princi-

pale de machine-outil et qui permet le réglage de la fréquence de rotation et de la valeur du couple ou de la fréquence de rotation et de la puissance de sortie à des

valeurs prédéterminées de manière simultanée.

Elle a aussi pour objet la réalisation d'une machine synchrone qui ne nécessite pas l'utilisation d'un aimant

permanent ou d'un bobinage.

A cet effet, la présente invention concerne, d'un premier point de vue, un dispositif à moteur synchrone qui comprend un stator bobiné avec un premier enroulement et un second enroulement sous forme d'un enroulement à double couche, un rotor ayant une configuration à pôles saillants et logé afin qu'il tourne dans le stator, un premier organe de commande utilisé comme source

d'énergie pour le premier enroulement et réglant la f ré-

quence de rotation du moteur, et un second organe de commande utilisé comme source

d'énergie pour le second enroulement et réglant la puis-

sance de sortie ou la valeur du couple du moteur.

En outre, l'invention concerne un dispositif à moteur synchrone qui comprend: un stator bobiné avec un premier enroulement et un second enroulement sous forme d'enroulement à double couche,

un rotor formé essentiellement de matériau à aniso-

tropie magnétique donnant des pôles saillants et logé afin qu'il puisse tourner dans le stator, un premier organe de commande utilisé comme source

d'énergie pour le premier enroulement et réglant la fré-

quence de rotation du moteur, et un second organe de commande utilisé comme source

d'énergie pour le second enroulement et réglant la puis-

sance de sortie ou la valeur du couple du moteur.

En outre, l'invention concerne un dispositif à moteur synchrone qui comprend: un stator bobiné avec un premier enroulement et un second enroulement sous forme d'un enroulement à double couche, un rotor ayant un organe à aimant permanent destiné à créer un flux magnétique inducteur et logé de manière qu'il tourne dans le stator, un premier organe de commande utilisé comme source

d'énergie pour le premier enroulement et réglant la fré-

quence de rotation du moteur, et un second organe de commande utilisé comme source

d'énergie pour le second enroulement et réglant la puis-

sance de sortie ou la valeur du couple du moteur.

En outre, l'invention concerne un dispositif à moteur synchrone qui comprend: un stator bobiné avec un premier enroulement et un second enroulement sous forme d'enroulement à double couche, un rotor ayant au moins un bobinage destiné à recevoir un courant et logé afin qu'il tourne dans le stator, un premier organe de commande utilisé comme source

d'énergie pour le premier enroulement et réglant la fré-

quence de rotation du moteur, et un second organe de commande utilisé comme source d'énergie pour le second enroulement et réglant la puis-

sance de sortie ou la valeur du couple du moteur.

En outre, l'invention concerne un dispositif à moteur synchrone qui comprend: un stator bobiné avec un premier enroulement et un second enroulement sous forme d'enroulement à double couche,

un rotor ayant un matériau présentant une aniso-

tropie magnétique et logé afin qu'il tourne dans le stator, un premier organe de commande utilisé comme source

d'énergie pour le premier enroulement et réglant la fré-

quence de rotation du moteur, et un second organe de commande utilisé comme source d'énergie du second enroulement et réglant la puissance de

sortie ou la valeur du couple du moteur.

Dans le dispositif à moteur synchrone précité, la fréquence de rotation du moteur est réglée par détection de la fréquence de rotation et de la position du rotor par le premier organe de commande afin que le courant transmis au premier enroulement soit réglé La puissance de sortie ou la valeur du couple est réglée par réglage du courant transmis au second enroulement afin que le champ magnétique tournant soit changé et que la force magnétique augmente ou diminue. D'un second point de vue, la présente invention concerne une machine synchrone qui comprend: une armature ayant un noyau sur lequel est bobiné un enroulement inducteur destiné à la création d'un flux

magnétique inducteur et un enroulement d'armature présen-

tant un angle de phase électrique de 900 pratiquement par rapport à l'enroulement inducteur, et un rotor logé dans l'armature afin qu'il puisse tourner et aimanté dans une direction prédéterminée par le

flux magnétique inducteur.

En outre, l'invention concerne une machine synchrone qui comprend: une armature ayant un noyau sur lequel sont bobinés un enroulement inducteur et un enroulement d'armature, l'enroulement inducteur ayant trois paires d'enroulements triphasés décalés successivement d'angle de phase de 1200 et créant un flux magnétique inducteur, l'enroulement d'armature ayant trois paires d'enroulements triphasés décalés successivement d'un déphasage égal à 120 et décalés pratiquement d'un angle de 900 par rapport à l'enroulement inducteur, et

un rotor logé afin qu'il puisse tourner dans l'arma-

ture et aimanté dans une direction prédéterminée par le

flux magnétique inducteur.

Dans la machine synchrone précitée, le rotor est aimanté dans un sens prédéterminé par le courant inducteur de l'enroulement inducteur, un couple rotatif est créé à partir du flux magnétique dû au courant inducteur et au courant d'armature transmis à l'enroulement d'armature, car tous les angles de phase du rotor, du courant d'armature et

du courant inducteur sont réglés à des valeurs prédéter-

minées et constantes indépendamment de l'emplacement du rotor En outre, si le rotor est entraîné par une force extérieure, la tension induite est produite d'une manière telle que la machine synchrone est utilisée comme machine

synchrone du type à pôles magnétiques à champ tournant.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion seront mieux compris à la lecture de la description

qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 A est une vue schématique représentant la disposition relative d'une fraise travaillant en bout sur une pièce et ayant un petit diamètre; la figure 1 B est une vue schématique représentant la disposition relative d'une fraise travaillant en bout sur une pièce et ayant un grand diamètre; la figure 2 est une vue schématique représentant la disposition relative d'une opération de coupe et du rayon de traitement de la machine rotative; la figure 3 est un diagramme synoptique de l'organe de commande utilisant le moteur synchrone à réluctance dans le premier mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est une vue schématique représentant la disposition relative de la direction des pôles magnétiques et du champ magnétique tournant du rotor dans le premier mode de réalisation;

la figure 5 est un schéma représentant la disposi-

tion relative du champ magnétique tournant créé par l'en-

roulement A et l'enroulement B et du champ magnétique composite dans le premier mode de réalisation; la figure 6 est une vue schématique en coupe d'un exemple de noyau d'armature comprenant des enroulements à double couche dans le premier mode de réalisation; la figure 7 est un diagramme des temps représentant les déphasages des courants des enroulements A et B lorsque le déphasage est égal à 90 dans le moteur synchrone à réluctance de la figure 3; la figure 8 est un diagramme des temps représentant les déphasages des courants des enroulements A et B dans le cas d'un courant triphasé pour le moteur synchrone à réluctance de la figure 3; la figure 9 est une vue schématique d'un exemple de noyau d'armature isolé par un matériau possédant une réluctance magnétique élevée et destiné à réduire les interférences entre les enroulements A et B dans le premier mode de réalisation; la figure 10 est une vue schématique d'un exemple de moteur synchrone ayant des aimants permanents à deux pôles selon la présente invention; la figure 11 est une vue schématique d'un exemple de moteur synchrone de la figure 10 comprenant quatre pôles; la figure 12 est une vue schématique de la structure de l'armature d'un moteur synchrone triphasé dans le second mode de réalisation de l'invention; la figure 13 est un diagramme des temps représentant les déphasages des courants transmis à l'enroulement inducteur et à l'enroulement d'armature dans le cas du moteur synchrone triphasé de la figure 12; la figure 14 est une vue schématique indiquant la densité magnétique créée par le courant inducteur dans le second mode de réalisation; la figure 15 est une vue schématique d'un exemple de rotor formé d'un corps ayant une anisotropie magnétique, dans le second mode de réalisation; la figure 16 est une vue schématique d'un exemple de rotor ayant une configuration à pôles saillants dans le second mode de réalisation; la figure 17 est une vue schématique d'un exemple de

rotor de type segmenté, dans le second mode de réali-

sation; la figure 18 est un exemple de rotor de type hybride, dans le second mode de réalisation; la figure 19 est un schéma d'un exemple de rotor ayant une configuration à pôles saillants dans le cas de quatre pôles, dans le second mode de réalisation; la figure 20 est un diagramme synoptique de l'organe de commande de la vitesse de rotation du moteur synchrone du second mode de réalisation;

la figure 21 est un diagramme synoptique représen-

tant l'organe de commande qui règle la position du moteur synchrone dans le second mode de réalisation;

la figure 22 est un diagramme synoptique représen-

tant l'organe de commande destiné à réduire au minimum la perte du moteur synchrone dans le second mode de réalisation; la figure 23 est un schéma d'un exemple de retard de phase du moteur synchrone obtenu avec une réactance dans le second mode de réalisation; la figure 24 et une vue schématique d'un exemple de moteur synchrone qui comporte en outre des aimants perma- nents pour le rotor dans le second mode de réalisation; la figure 25 A est une coupe longitudinale d'un exemple de moteur synchrone dont l'armature est séparée en deux afin que le montage soit simplifié, dans le second mode de réalisation; la figure 25 B est une coupe du moteur synchrone de la figure 25 A; la figure 26 est une vue en coupe partielle d'un exemple constituant un corps ayant un arbre de rotor du moteur et une broche principale d'une machine-outil dans le second mode de réalisation; la figure 27 est une coupe partielle schématique

d'un exemple dans lequel l'enroulement inducteur et l'en-

roulement d'armature sont disposés côte à côte dans le second mode de réalisation; la figure 28 A est une vue schématique représentant la disposition relative de l'enroulement inducteur et de l'enroulement d'armature de la figure 27; la figure 28 B est une vue schématique représentant la disposition relative de l'enroulement inducteur et de l'enroulement d'armature de la figure 27; la figure 29 est une vue schématique de la structure d'un mode de réalisation dans lequel la présente invention est appliquée à un moteur linéaire; la figure 30 est une vue schématique utile pour la

description d'un principe mis en oeuvre dans des exemples

de générateur synchrone selon l'invention; et la figure 31 est un diagramme synoptique d'un exemple d'organe de commande destiné à maintenir le courant fourni à une valeur constante dans le générateur synchrone

de la figure 30.

Premier mode de réalisation On décrit maintenant, en référence aux dessins annexés, un dispositif à moteur synchrone dans un premier

mode de réalisation de l'invention.

Sur la figure 3, le dispositif à moteur synchrone comprend un moteur synchrone 101 à réaction et un circuit de commande du moteur 101 Le moteur 101 comporte un stator et un rotor Son circuit de commande est décrit dans la suite. On se réfère maintenant à la figure 4 pour la

description du moteur synchrone à réaction 101 Lorsque

l'enroulement de stator reçoit un courant triphasé pour la création d'un champ magnétique tournant, le rotor est excité dans la direction de l'axe polaire P suivant laquelle la réluctance magnétique est la plus faible Ceci est dû au fait que la réluctance magnétique change pour les divers angles du rotor La direction P de l'axe polaire

correspond à la direction dans laquelle dépasse le rotor.

En conséquence, le rotor est entraîné en rotation par le champ magnétique tournant et l'axe polaire est formé par l'aimantation. En outre, bien que le rotor représenté sur la figure 4 ait une configuration à pôles saillants en coupe afin que le rotor soit aimanté dans la direction prédéterminée (direction de l'axe polaire), le rotor peut avoir une forme circulaire dans le cas d'un corps magnétique à anisotropie magnétique, le rotor peut comporter plusieurs fentes disposées dans la direction de l'axe polaire, le rotor peut être de type hybride ou le rotor peut posséder deux axes

polaires, comme représenté sur les figures 15 à 19.

On se réfère maintenant à la figure 6; le stator du moteur synchrone 101 comporte en outre des enroulements à double couche qui sont plus précisément l'enroulement A (U-V-W) et l'enroulement B (u-v-w) Le champ magnétique tournant est commandé par réglage d'un vecteur composite de ces enroulements On décrit dans la suite un diagramme il synoptique du dispositif de commande du champ magnétique tournant. On décrit maintenant le circuit de commande en référence à la figure 3 Le circuit de commande comprend un premier et un second organe de commande Le premier organe de commande est destiné à transmettre un courant IA à l'enroulement A Le premier organe de commande comporte un dispositif 151 de commande de fréquence de rotation, un détecteur 103 destiné à détecter la fréquence de rotation N10 du moteur 101, un détecteur 105 destiné à détecter la position du rotor et à créer un signal R de position de rotor, un premier circuit 107 de soustraction destiné à comparer la fréquence de rotation N* du dispositif de

commande de fréquence de rotation à la fréquence de rota-

tion N du moteur afin qu'il détermine une différence el, un circuit 109 de détermination d'une commande de courant ml de l'enroulement A, d'après la différence el, un premier circuit convertisseur 113 destiné à transmettre un premier

courant prédéterminé, c'est-à-dire le courant Il de l'en-

roulement A, et une première unité 111 de commande qui détermine un premier signal de commande Ml, c'est-à-dire un signal de commande par modulation par impulsions de largeur

variable destiné à la commande du premier circuit conver-

tisseur 113 d'après la commande de courant ml, le signal R de position du rotor et un premier courant détecté Il,

comme décrit maintenant.

Le premier détecteur 123 de courant détecte le premier courant prédéterminé afin qu'il crée le premier courant détecté Il qui représente une première valeur de courant Lorsque la différence el est positive, en d'autres termes lorsque la fréquence de rotation N est nettement inférieure à la fréquence de rotation prédéterminée N*, le premier circuit 109 de détermination de courant détermine le signal ml de commande de courant afin qu'il augmente le courant Il Dans le cas opposé, le premier circuit 109 détermine le signal de commande de courant ml afin qu'il

réduise le courant Il.

La première unité 111 de commande crée une valeur de courant de commande qui correspond au signal R de position du rotor, d'après le signal ml de commande de courant En outre, la première unité de commande 111 compare la valeur du courant de commande à la première valeur de courant et crée le premier signal de commande Ml afin qu'il détermine la différence entre eux La première unité de commande 111 forme un premier signal de commande Ml, par exemple un signal de commande modulé par impulsions de largeur

variable destiné à la commande du premier circuit conver-

tisseur 113 Dans le cas o un courant triphasé est trans-

mis au moteur synchrone, la première unité de commande crée trois signaux de commande modulés par impulsions de largeur variable, présentant des déphasages de 120 les uns par

rapport aux autres.

La fréquence de rotation du moteur et la position du rotor sont détectées à l'aide d'un codeur rotatif ou d'un

résolveur de manière connue dans la technique.

On décrit maintenant le second organe de commande qui est destiné à transmettre un courant IB à l'enroulement B Le second organe de commande comprend un dispositif 153 de commande d'une puissance de sortie pour le moteur, un circuit arithmétique 121 de sortie destiné à calculer la puissance de sortie du moteur en fonction de données provenant du détecteur 103 de fréquence de rotation, du détecteur 105 de position, du premier détecteur 123 de courant et du second détecteur 125 de courant, un second circuit de soustraction 127 destiné à comparer la puissance de sortie P* commandée par le dispositif de commande de sortie à la puissance de sortie calculée par le circuit arithmétique 121 afin qu'il détecte une différence e 2, un second circuit 129 de détermination de courant destiné à créer un signal de commande de courant m 2 qui est destiné à déterminer le courant transmis à l'enroulement B d'après la différence e 2, un second circuit convertisseur 133 destiné à transmettre un second courant prédéterminé, c'est-à-dire le courant destiné à l'enroulement B, et une seconde unité de commande 131 qui transmet un second signal de commande M 2, par exemple un signal de commande modulé par impulsions de largeur variable destiné à la commande du second circuit convertisseur 133 d'après le signal de commande de courant m 2, le signal R de position du rotor et un second courant

détecté 12, comme décrit dans la suite.

Le second détecteur 125 de courant détecte le second courant prédéterminé afin qu'il forme le second courant

détecté I 2 Lorsque la différence e 2 est positive, c'est-à-

dire lorsque la puissance de sortie calculée par le circuit

arithmétique 121 est inférieure à la puissance prédéter-

minée de sortie P*, le second circuit 129 de détermination de courant transmet le signal de commande de courant m 2 de manière que le courant transmis à l'enroulement B augmente,

si bien que la force magnétique du champ magnétique compo-

site augmente Ainsi, comme l'indique la figure 4, si la direction d'un pôle magnétique du rotor est désignée par P et la direction composite du champ magnétique tournant qui est créé par le courant IA et le courant IB est appelée HO, le courant IB de l'enroulement B augmente de manière que

l'angle de charge ô augmente.

Ceci est dû au fait que le couple de rotation augmente par déplacement ou changement de la direction d'un courant alternatif qui crée un champ magnétique tournant, vers une position perpendiculaire à la direction du vecteur champ magnétique des pôles magnétiques En conséquence, comme l'indique la figure 5, un champ magnétique HB créé par le courant IB de l'enroulement B augmente dans le sens positif par rapport au champ magnétique tournant HA créé par le courant IA de l'enroulement A Le champ magnétique composite HO se déplace si bien que la phase avance Si la différence e 2 est négative, le courant IB augmente de manière que le champ magnétique HB augmente dans le sens négatif. La seconde unité de commande 131 crée une valeur de courant de commande correspondant au signal R de position

du rotor en fonction du signal de commande de courant m 2.

En outre, la seconde unité de commande 131 compare la valeur du courant de commande à une seconde valeur de courant du second détecteur 125 de courant afin qu'elle crée le second signal de commande M 2 destiné au second circuit convertisseur 133 d'après leur différence mutuelle. Le second signal de commande M 2 est destiné à la régulation

du courant IB de l'enroulement B de manière que le dépha-

sage en avance ou en retard du courant IB transmis au second circuit convertisseur par rapport au courant IA transmis au premier circuit convertisseur devienne égal à 900 Dans le cas o un courant triphasé est transmis au moteur synchrone, la seconde unité de commande crée trois signaux de commande modulés par impulsions de largeur variable qui présentent des déphasages de 120 les uns par

rapport aux autres.

La fréquence de rotation N* et la puissance de sortie P* demandées par un dispositif 151 de commande de fréquence de rotation et un organe 153 de commande de

sortie respectivement, ne sont pas obligatoirement cons-

tantes et peuvent varier en fonction du moment et des conditions Par exemple, au démarrage du moteur et dans des conditions analogues, une commande programmée ou logique

peut être utilisée.

On se réfère maintenant à la figure 6; le noyau d'armature possède quatre pôles et vingt-quatre fentes et deux enroulements dans un enroulement à double couche, c'est-à-dire l'enroulement A et l'enroulement B qui reçoivent un courant alternatif triphasé Sur la figure 6,

la référence 201 désigne le noyau d'armature et la réfé-

rence 203 le rotor Les références 205 et 207 désignent un enroulement à double couche Dans ce cas, l'enroulement A est désigné par une combinaison des bobinages U, V, W, U', V' et W' L'enroulement B est désigné par une combinaison des bobinages u, v, w, u', v' et w' Les enroulements sont bobinés de manière connue dans la technique Pour que les interférences soient réduites entre les enroulements A et B, l'armature peut comporter un isolement formé d'un matériau 211 qui possède une réluctance magnétique élevée entre les enroulements A et B. La figure 7 représente la relation de phase des courants transmis aux bobinages U et u, dans le cas o le courant de l'enroulement A et le courant de l'enroulement B

présentent un déphasage mutuel de 900.

La figure 8 représente la relation de phase entre les courants circulant dans chaque enroulement auquel est transmis le courant alternatif triphasé La fréquence de rotation du moteur et la direction des pôles du rotor peuvent être détectées à l'aide d'un codeur rotatif ou

résolveur de manière connue dans la technique.

Lorsque le champ magnétique rotatif HA est supérieur au champ magnétique rotatif HB, par exemple lorsqu'une valeur de courant IAI circulant dans l'enroulement A est

un multiple élevé de la valeur du courant IIBI, la direc-

tion du pôle magnétique qui aimante le rotor est déterminée par le champmagnétique tournant HA créé presque uniquement par le courant IA, et le courant de l'enroulement B peut être utilisé comme courant de réglage pratiquement du champ

magnétique tournant HA.

Bien que le déphasage entre les courants IA et IB soit de 90 dans le moteur synchrone décrit précédemment, cet angle peut avoir une valeur prédéterminée a ( O < a < 90 ) Il est préférable que le déphasage soit

égal à 90 pour la maîtrise et la réduction des interfé-

rences dues à la réaction de l'armature, etc. La puissance de sortie peut être calculée avec la fréquence de rotation du moteur, la position du rotor et les courants IA et IB qui circulent dans les enroulements de manière connue dans la technique, ou la puissance de

sortie peut être déterminée expérimentalement à l'avance.

Dans le moteur synchrone décrit précédemment, bien qu'on ait décrit un procédé de réglage de la fréquence de rotation et de la puissance de sortie simultanément, ce procédé peut être utilisé pour le réglage simultané de la

fréquence de rotation et du couple de sortie.

On se réfère maintenant aux figures 10 et Il pour la

description de moteurs synchrones selon des variantes de

l'invention Chacun des moteurs synchrones a des pôles magnétiques produits par des aimants permanents La figure 10 représente le cas dans lequel le nombre des pôles magnétiques est égal à deux et la figure 11 le cas dans

lequel il est égal à quatre.

Sur la figure 10, la référence 231 désigne un rotor.

Celui-ci possède des aimants permanents 233 et 235 fixés à

l'extérieur du rotor La référence 241 désigne une arma-

ture Celle-ci est bobinée avec un enroulement A 243 et un

enroulement B 245 sous forme d'enroulement à double couche.

Lorsqu'un courant est transmis à l'enroulement A et à

l'enroulement B comme représenté sur la figure, c'est-à-

dire lorsque le courant de l'enroulement B est en retard de par rapport à l'enroulement A, un champ magnétique tournant de l'enroulement A est créé dans la direction indiquée en trait plein, et un champ magnétique tournant de l'enroulement B est créé dans la direction indiquée en

trait interrompu.

La direction des pôles magnétiques du rotor est essentiellement déterminée par les aimants permanents La fréquence de rotation et la puissance de sortie du moteur sont déterminées par le champ magnétique tournant créé par les courants transmis aux enroulements A et B Si le déphasage entre les courants IA et IB est égal à 90 , la direction des pôles peut être facilement réglée par réglage du courant IB En outre, un angle de charge peut aussi être réglé facilement Les valeurs des courants IIAI et IIBI ne sont pas obligatoirement différentes et peuvent avoir des

valeurs relativement semblables.

Il est possible de régler la réaction du moteur synchrone avec les aimants permanents de la manière décrite

en référence à la figure 3.

Sur la figure 11, le nombre de pôles magnétiques est égal à quatre Dans ce cas, le moteur synchrone à réaction peut aussi être commandé de la manière décrite précédemment

en référence à la figure 10.

Bien que la description ne concerne qu'un moteur

synchrone de type rotatif, elle peut s'appliquer à un moteur synchrone de type linéaire. Comme décrit précédemment, le premier mode de réalisation peut facilement régler la fréquence de rotation et la puissance de sortie ou la fréquence de rotation et le couple de sortie En conséquence, il a une grande utilité comme moteur de la broche principale des machines-outils dans lesquelles la puissance de sortie est de préférence constante. Second mode de réalisation

On se réfère maintenant aux dessins pour la descrip-

tion d'un moteur synchrone rotatif dans un second mode de

réalisation de l'invention.

Sur la figure 12, un moteur synchrone triphasé 101 comporte un noyau 13 d'armature ayant vingt-quatre fehtes

Un enroulement inducteur 17 et un enroulement d'arma-

ture 19 sont enroulés autour du noyau 13 d'armature sous forme d'un enroulement à double couche, passant dans chacune des fentes 15 Le noyau 13 d'armature loge un rotor 21 de manière que celui-ci puisse tourner Le rotor 21 peut

être facilement aimanté en direction prédéterminée.

L'enroulement inducteur 17 comprend une première, une seconde, une troisième, une quatrième, une cinquième et

une sixième bobine inductrice u, v, w, u', v' et w'.

L'enroulement 19 d'armature comprend une première, une seconde, une troisième, une quatrième, une cinquième et une

sixième bobine d'armature U, V, W, U', V' et W' La pre-

mière, la seconde et la troisième bobine u, v, W font mutuellement un angle de 1200 La quatrième, la cinquième et la sixième bobine u', v' et w' font mutuellement un angle de 1200 La première, la seconde et la troisième

bobine d'armature U, V et W font un angle de 120 mutuel-

lement La quatrième, la cinquième et la sixième bobine

d'armature U', V' et W' font mutuellement un angle de 1200.

La première, la seconde et la troisième bobine u, v et w sont décalées de 90 par rapport à la première, la seconde

et la troisième bobine d'armature U, V, W respectivement.

La quatrième, la cinquième et la sixième bobine u', v' et w' sont décalées d'un angle de 900 par rapport à la qua- trième, à la cinquième et à la sixième bobine d'armature

U', V' et W' respectivement.

On se réfère maintenant à la figure 13 en coopéra-

tion avec la figure 12 pour la description qui suit.

Lorsque les courants Iu, Iv et Iw d'enroulement inducteur sont transmis à l'enroulement 17, un champ magnétique composite N et S est créé Dans ce cas, la distribution de flux magnétique est une onde sinusoïdale Si on appelle <Pm

le flux magnétique maximal, avec un centre de flux magné-

tique 6 égal à zéro, le flux magnétique est représenté par l'équation ( 1): = 4 m cos 6 ( 1) Dans le cas o un rotor a un axe d'aimantation préférentielle, lorsque les courants des enroulements inducteurs sont réglés de manière que le centre de flux

magnétique du champ magnétique corresponde à l'axe d'aiman-

tation préférentielle, le rotor est aimanté dans la direc-

tion prédéterminée Dans ce cas, le champ magnétique a la densité de flux magnétique représentée par l'équation ( 2): B = Bm cos O ( 2) Des courants triphasés IU, IV et IW sont transmis à l'enroulement d'armature Ces courants IU, IV et IW sont en avance par rapport aux courants d'enroulement inducteur Iu, Iv et Iw de l'angle prédéterminé a ou de préférence 90 de

phase électrique.

Ceci provoque la création d'un couple T pour la rotation du rotor suivant la règle de Fleming Le couple T

est décrit de la manière suivante.

Dans le cas o les phases des courants d'armature IU, IV et IW sont réglées afin qu'elles correspondent aux pôles magnétiques du rotor aimanté, le couple T est exprimé de la manière suivante Les densités de flux magnétique BU, BV et BW de chacun des bobinages d'armature U, V et W sont représentées par les équations ( 3): BU = Bm cos O BV = Bm cos( 8 120 ) BW = Bm cos(O 240 ) ( 3) Comme les courants d'armature IU, IV, IW sont réglés

afin qu'ils correspondent aux positions des pôles magné-

tiques, ces courants IU, IV et IW sont représentés par l'équation ( 4): IU = Im cos 8 IV = Im cos(e 120 ) IW = Im cos( 8 240 ) ( 4) En conséquence, le couple T est représenté par l'équation ( 5): T = K(BU IU + BV IV + BW IW) = ( 3/2) K Bm Im ( 5) Bm désignant la densité maximale de flux magnétique, Im la valeur maximale du courant d'armature et 8 l'angle de phase entre le centre du pôle magnétique et le bobinage U En outre, la densité de flux magnétique à' est produite par le courant d'armature Cependant, comme le rotor est formé d'une substance à anisotropie magnétique et la réluctance magnétique est élevée dans la direction du flux magnétique,

le flux magnétique P' n'est pas affecté.

La relation précitée est illustrée schématiquement

sur la figure 14.

On se réfère maintenant aux figures 15 à 18 pour la

description d'un exemple de rotor à anisotropie magnétique.

Un rotor 31 est formé d'un corps à anisotropie magnétique

et sa section est circulaire Le métal du corps à aniso-

tropie magnétique est formé d'acier au silicium à grain orienté, d'acier au nickel à grain orienté ou analogue Sur la figure 15, le corps à anisotropie magnétique peut être facilement aimanté dans une première direction X mais

difficilement dans une seconde direction Y qui est perpen-

diculaire à la première direction X. On se réfère maintenant à la figure 16 pour la

description d'un autre exemple de rotor à anisotropie

magnétique Un rotor 33 est du type à pôles saillants et il comprend un corps magnétique isotrope Le rotor 33 peut être facilement aimanté dans la première direction X mais difficilement aimanté dans la seconde direction Y étant donné la coupure. On se réfère maintenant à la figure 17 pour la

description d'un autre exemple de rotor à anisotropie

magnétique Le rotor 35 est du type segmenté Le rotor 35 a un tronçon interne et un tronçon externe Le tronçon interne est formé d'un corps non magnétique 37 Le tronçon externe est formé d'un corps magnétique 39 Le corps magnétique 39 a des entrefers 41 dans la première direction

X Les entrefers 41 peuvent être des corps non magnétiques.

Le rotor 35 peut être facilement aimanté dans la première direction X, à cause de sa faible résistance magnétique, mais il est difficilement aimanté dans la seconde direction Y.

On se réfère à la figure 18 pour la description d'un

autre exemple de rotor à anisotropie magnétique Le rotor 43 est de type hybride Ce rotor 43 est formé d'un corps magnétique 45 Le corps magnétique 45 a des entrefers 47 dans la première direction X Les entrefers 47 peuvent être formés d'un corps non magnétique En conséquence, le rotor 43 peut être facilement aimanté dans la première direction X mais peut être difficilement aimanté dans la seconde direction Y. On se réfère maintenant à la figure 19 pour la

description d'un autre exemple de rotor possédant quatre

pôles magnétiques Le rotor 49 peut être facilement aimanté dans les directions X et XI mais difficilement dans les

directions Y et Y' respectivement.

Comme décrit précédemment, le rotor a une aniso-

tropie magnétique dans la direction prédéterminée qui est

perpendiculaire à la direction de l'axe de rotation.

L'armature est bobinée avec deux paires d'enroulements triphasés Les phases des courants des deux enroulements sont décalées de 90 l'une par rapport à l'autre de préférence Ainsi, un flux magnétique créé par les courants

des enroulements inducteurs et les courants des enroule-

ments d'armature crée un couple suivant la règle de Fleming En conséquence, il est possible d'obtenir un réglage complet du vecteur capable de donner le couple le plus avantageux de valeur maximale pour le flux magnétique 4 P et le courant I. Si le flux magnétique est proportionnel au courant inducteur, le couple T est représenté par l'équation ( 6):

T = K 2 IA IB ( 6)

IA représentant le courant inducteur et IB le courant d'armature.

De la manière indiquée précédemment, un flux magné-

tique à' dû à la réluctance de l'armature est aussi créé

par le courant d'armature IB La direction du flux magné-

tique à' est perpendiculaire à celle du premier flux magnétique précité b Cependant, si le rotor est formé d'un matériau isotrope de section circulaire, il existe un entrefer constant autour du rotor et celui-ci ne peut pas

tourner.

Si le rotor a une anisotropie magnétique, comprenant un axe d'aimantation préférentielle dans la direction du flux magnétique, un couple T est produit selon l'équation

( 5), même si le rotor a une forme circulaire et si l'entre-

* fer entourant le rotor est constant.

En conséquence, le moteur synchrone selon l'inven-

tion comporte un rotor formé d'un matériau ayant une aimantation préférentielle dans la direction du premier flux magnétique précité g et présentant des difficultés d'aimantation dans la direction du second flux magnétique

précité à'.

En conséquence, le moteur synchrone selon la pré-

sente invention ne nécessite pas un bobinage inducteur autour du rotor ou la création d'un champ permanent pour le rotor comme dans les machines synchrones classiques En outre, le moteur synchrone selon la présente invention ne nécessite pas de lames d'acier au silicium pour le rotor ni la formation de fentes avec un enroulement du type à cage d'écureuil formé d'aluminium, de cuivre ou analogue, et ne dégage pas de chaleur dû au courant induit, par

rapport à un moteur classique d'induction.

Le moteur synchrone selon la présente invention peut

être utilisé de la manière suivante.

La puissance de sortie P (exprimée en watts) du moteur de l'équation ( 5) est représentée par l'équation ( 7): P = 2 nn T = F 3 EI ( 7 j n désignant le nombre de tours par seconde du moteur, T le couple (en N m), E une force contre- électromotrice (en volts) entre les enroulements triphasés, et I un courant de phase (en ampère) La force contre-électromotrice (exprimée en volts) est représentée par l'équation ( 8) dans laquelle k désigne une constante proportionnelle et c P une densité de flux magnétique E = k P N ( 8) Comme l'indiquent les équations ( 7) et ( 8), le moteur synchrone peut être utilisé des différentes manières suivantes: un moteur synchrone qui rend constante la densité de flux magnétique 4 > et qui a une caractéristique de couple constant entre des vitesses de rotation nulle et n, un moteur synchrone qui donne une densité de flux magnétique variable et qui a une caractéristique de puissance constante de sortie entre des vitesses nulle et n, un moteur synchrone à rendement élevé dont le produit <P.I est convenablement réglé afin que les pertes du moteur soient réduites au minimum pour diverses charges, etc En conséquence, le moteur synchrone selon l'invention peut être utilisé dans tous les domaines de l'industrie On

décrit dans la suite quelques exemples concrets.

La description relative à la figure 20 concerne un

servomoteur en courant alternatif dont la vitesse est

réglée par le moteur synchrone 101 selon l'invention.

Comme l'indique la figure 12, le moteur synchrone 101 possède l'enroulement 19 d'armature et l'enroulement

inducteur 17 Ces enroulements 19 et 17 reçoivent respecti-

vement un courant d'armature Ia et un courant inducteur If.

Le détecteur 143 détecte une position des pôles magnétiques et la vitesse de rotation Ce détecteur 143 détecte la vitesse de rotation et la position des pôles magnétiques de manière connue dans la technique, par exemple avec un

codeur rotatif et un résolveur rotatif.

Le courant d'armature Ia et le courant inducteur If

sont réglés par le premier et le second circuit convertis-

seur 145 et 147 comme décrit dans la suite Ainsi, la vitesse de rotation du moteur synchrone 101 est réglée de

la manière suivante.

D'abord, un amplificateur 161 de vitesse de rotation reçoit un signal Si de commande de vitesse de rotation qui est représentatif de la fréquence voulue de rotation Le

détecteur 143 de position et de rotation détecte la fré-

quence de rotation du moteur synchrone 101 afin qu'il crée

un signal 52 de vitesse de rotation qui parvient à l'ampli-

ficateur 161 En fonction de la commande de vitesse de

rotation et des signaux Si et 52 de rotation, l'amplifica-

teur 161 crée un signal 53 de commande de contrôle de

courant d'armature.

Un amplificateur 163 reçoit le signal 53 de commande de contrôle de courant d'armature ainsi qu'un signal 55 de commande de courant d'armature Un signal 57 de courant d'armature détecté par un détecteur 115 placé du côté de sortie du premier circuit convertisseur 145 est renvoyé à l'amplificateur 163 Ce dernier reçoit un signal 59 de

commande de circuit convertisseur.

Lorsque l'amplificateur 171 de courant inducteur reçoit le signal Sll de commande de courant inducteur, le signal 513 de courant inducteur détecté par le détecteur 117 placé du côté de sortie du second circuit convertisseur est renvoyé à l'amplificateur 171 Ce dernier transmet un signal 515 de commande de circuit convertisseur destiné à

la commande du second circuit convertisseur 147.

En outre, un amplificateur 173 de commande des phases des courants d'armature et inducteur reçoit un signal 54 de position de pôles magnétiques, le signal 57 de

courant d'armature et le signal 513 de courant inducteur.

Le premier et le second circuit convertisseur 145 et 147 reçoivent des signaux de commande 517 et 519 destinés au

réglage de la phase et de la fréquence des courants prove-

nant de l'amplificateur 173, respectivement Ainsi, le moteur synchrone selon l'invention est utilisé comme servomoteur alternatif pour le réglage des courants Ia et

If afin qu'il donne la vitesse de rotation voulue.

La figure 21 représente un autre exemple de la présente invention sous forme d'un diagramme synoptique d'un servomoteur en courant alternatif dans lequel la plage de déplacement de charge ou d'angle de rotation sous charge est réglée La figure 21 représente les mêmes circuits que

la figure 20 avec les mêmes références et leur description

est donc omise.

Un amplificateur 251 d'écart de position reçoit un signal 521 de commande de position qui représente la plage

voulue de déplacement de charge ou d'angle voulu de rota-

tion sous charge Un signal 523 de plage de déplacement de charge est détecté par un capteur 253 L'amplificateur 251 d'écart de position reçoit le signal 523 et le signal 525 de position de pôles magnétiques L'amplificateur 161 de vitesse de rotation reçoit un signal 527 de commande de vitesse de rotation produit par l'amplificateur 251 d'écart de position et faisant ainsi tourner le moteur avec réglage de la plage de déplacement ou de l'angle de rotation sous

charge.

On se réfère maintenant à la figure 22 pour la

description d'un autre exemple de système de commande de

rendement élevé selon l'invention Ce système de commande de rendement élevé permet une réduction au minimum des pertes du moteur synchrone 101 Sur la figure 22, les circuits analogues à ceux de la figure 20 sont désignés par

les mêmes références numériques et leur description est

omise. Comme décrit précédemment, la puissance de sortie est représentée par l'équation P = 2 nn T comme l'indique l'équation ( 7), et le couple T est représenté par

T = k 2 IA IB comme indiqué dans l'équation ( 6) En consé-

quence, le moteur synchrone peut fonctionner avec un

rendement élevé lorsque le rapport entre le courant d'arma-

ture Ia et le courant inducteur If est régulé de manière que les pertes du moteur soient réduites au minimum en

fonction des caractéristiques du moteur et du flux magné-

tique inducteur La caractéristique de flux magnétique inducteur est définie par la résistance Ra d'enroulement d'armature, la résistance Rf d'enroulement inducteur et le courant inducteur If Les caractéristiques du moteur, telles que les pertes dans le fer, sont déterminées par la

fréquence des courants d'armature et inducteur La fré-

quence voulue de rotation et le couple voulu sont réglés suivant le rapport donnant le fonctionnement de rendement

élevé.

On se réfère maintenant à la figure 22 pour la

description d'un exemple de système de commande de

rendement élevé destiné à réduire au minimum les pertes

dans le cuivre du moteur.

Si le courant d'armature est appelé Ia (exprimé en ampères), le courant inducteur est appelé If (exprimé en ampères), la résistance d'armature est appelée Ra (exprimée en ohms), et la résistance d'enroulement inducteur est appelée Rf (exprimée en ohms), les pertes Pc dans le cuivre (exprimées en watts) sont représentées par l'équation ( 9) et le couple T (exprimé en N m) par l'équation ( 10)

2 2

Pc = Ia Ra + If Rf ( 9) T = K Ia If ( 10) Un couple de charge est déterminé à partir des courants Ia et If détectés par les détecteurs 115 et 117 des courants d'armature et inducteur Les courants Ia et If sont variables, sans donner un couple inférieur au couple de charge, pour la détermination d'un premier signal Ia* de commande de contrôle et d'un second signal If* de commande de contrôle destinés à réduire au minimum les pertes dans le cuivre Pc, et ils permettent ainsi le réglage du premier et du second signal de commande de contrôle Ia* et If*. Plus précisément, sur la figure 22, un circuit 211 de réglage au minimum des pertes du moteur reçoit le courant d'armature Ia détecté par le détecteur 115 et le courant inducteur If détecté par le détecteur 117 La résistance Ra d'armature et la résistance Rf d'enroulement inducteur du circuit 211 sont réglées à une valeur propre déterminée par le moteur Le premier et le second signal de commande de contrôle Ia* et If* produits dans le circuit 211 sont transmis à l'amplificateur 163 de courant d'armature et à l'amplificateur 171 de courant inducteur à la place du signal 57 de courant d'armature et du signal 513 de courant inducteur de la figure 20, si bien que les pertes dans le cuivre du moteur sont minimales et que la commande est

assurée avec un rendement élevé.

On se réfère maintenant à la figure 23 pour la

description d'un autre exemple de moteur synchrone selon

l'invention Le moteur synchrone comporte un rotor 227,

l'enroulement d'armature 19 et l'enroulement inducteur 17.

L'enroulement 19 est directement connecté à une source de courant alternatif triphasé L'enroulement 17 est connecté à la source triphasée par l'intermédiaire d'un condensateur 221 et d'un commutateur électromagnétique 223 Ce dernier

est commandé par un circuit synchrone 225.

D'abord, lorsque l'enroulement d'armature 19 reçoit le courant alternatif triphasé lorsque l'interrupteur 223 est ouvert, un courant induit circule dans le rotor 227, si bien qu'un champ magnétique tournant créé par l'enroulement 19 et le courant induit produit un couple suivant la règle de Fleming et fait tourner le moteur comme un moteur d'induction Lorsque la vitesse de rotation du moteur se rapproche de la vitesse synchrone du fait du couple induit, le circuit synchrone 225 est commandé afin qu'il ferme l'interrupteur 223 L'enroulement inducteur 17 reçoit un courant déphasé de 900 par le condensateur 221 afin qu'un pôle magnétique inducteur soit créé dans le rotor 227 Une attraction est ainsi créée entre le pôle magnétique inducteur et le champ magnétique tournant Le rotor est synchronisé sur l'attraction et tourne comme un moteur synchrone Un bobinage ou à la fois un bobinage et un condensateur peuvent être utilisés à la place du

condensateur 221.

On se réfère maintenant à la figure 24 pour la

description d'un autre exemple de l'invention Le moteur

synchrone possède un rotor 241 Dans ce cas, le rotor 241 a des aimants permanents 243 a et 243 b Un flux magnétique 1 l d'aimants permanents est créé par les aimants permanents 243 a et 243 b Un flux magnétique < d'enroulement inducteur

est créé par l'enroulement inducteur 17 (u, v, w).

Le rotor 241 possède le détecteur de position des pôles magnétiques (non représenté) pour le réglage du courant magnétique inducteur afin que la direction du flux magnétique 41 des aimants permanents corresponde à la

direction du flux magnétique P de l'enroulement inducteur.

Dans ce cas, si le flux 41 et le flux c ont la même phase, un flux magnétique inducteur composite Ee = sl + ', augmente

le flux magnétique inducteur Si le flux magnétique perma-

nent 11 et le flux de l'enroulement inducteur 'P ont des phases opposées, le flux magnétique composite Ec P = 1 4

diminue le flux magnétique.

On se réfère maintenant aux figures 25 A et 25 B pour

la description d'un exemple de moteur synchrone ayant une

armature qui peut être divisée en deux parties afin que le montage du moteur soit facilité Sur les figures 25 A et

B, les armatures divisées 261 a et 261 b ont des enroule-

ments 263 a et 263 b respectivement.

Ainsi, les restrictions dues au montage du rotor sont réduites Les armatures séparées 261 a et 261 b peuvent être combinées par mise en regard dans le sens de la flèche sur la figure En conséquence, un palier 265 peut être monté sur un axe de rotation 267 indépendamment du montage

du moteur.

On se réfère maintenant à la figure 26 pour la

description d'un exemple dans lequel la broche principale

d'une machine-outil est formée en une seule pièce avec l'arbre du rotor du moteur Une armature 285 est enroulée,

avec un enroulement d'armature et un enroulement inducteur.

Dans le cas o la broche principale 281 est formée d'un corps magnétique, sa partie d'extrémité est traitée sous forme d'un rotor selon l'invention, avec disposition d'une armature 285 autour du rotor si bien qu'il est possible de former la machine-outil et le moteur sous forme d'un simple corps Un organe 287 de coupe est monté sur un outil d'usinage 289 Un outil d'usinage 289 est fixé à la broche principale 281 Cette dernière est supportée par des

paliers 291 afin qu'elle puisse tourner.

On se réfère maintenant aux figures 27, 28 A et 28 B

pour la description d'un autre exemple de moteur synchrone

qui peut être assemblé dans la direction de l'axe Le moteur synchrone comporte un enroulement inducteur 301, un enroulement d'armature 303, des noyaux d'armature 305 et 307, un arbre rotatif 313, et un rotor 319 Les noyaux d'armature 305 et 307 sont enroulés avec l'enroulement

inducteur 301 et l'enroulement d'armature 303 respective-

ment Les noyaux 305 et 307 sont placés côte à côte dans la direction axiale Des axes de référence 309 et 311 sont ajustés afin que le déphasage des noyaux 305 et 307 soit égal à 90 de préférence Sur la figure 27, le rotor 319 est formé d'un corps magnétique 315 et d'une partie 317 de corps magnétique autour de l'arbre rotatif 313 Les noyaux d'armature 305 et 307 sont placés à l'extérieur du rotor 319 Un corps magnétique 321 de connecteur destiné à la

construction d'un circuit magnétique est placé à l'exté-

rieur des noyaux d'armature 305 et 307 et forme le circuit

magnétique fermé représenté en trait interrompu En consé-

quence, le moteur synchrone de cet exemple a les mêmes

performances que le moteur synchrone précité ayant plu-

sieurs enroulements Comme la distance transversale à

l'armature peut être raccourcie grâce aux armatures divi-

sées, le moteur synchrone de cet exemple peut être utilisé pour des machines qui nécessitent un moteur allongé. On se réfère maintenant à la figure 29 pour la

description d'un exemple d'application de l'invention à un

moteur linéaire Le moteur linéaire 401 comporte une armature 403 et une aiguille 405 L'armature 403 constitue l'armature triphasée qui possèdedeux pôles et vingt-quatre fentes représentés sur la figure 12 L'aiguille 405 a un pôle magnétique ayant la structure segmentée représentée

sur la figure 8.

L'armature 403 comporte un noyau d'armature 407 et un enroulement inducteur 409 comportant des bobinages u, v et W et un enroulement d'armature 411 comprenant des bobinages U, V et W Le noyau 407 d'armature a une section

en forme de peigne et est bobiné avec l'enroulement induc-

teur 409 et l'enroulement d'armature 411 sous forme d'en-

roulement à double couche L'aiguille 405 a plusieurs pôles magnétiques 413 donnés par un corps magnétique, par exemple de fer, et une plaque de montage 417 formée d'un corps non magnétique, par exemple d'aluminium Les pôles magnétiques 413 sont montés sur la plaque 417 de montage avec un espace prédéterminé 415 Lorsque les enroulements 409 et 411

reçoivent le courant alternatif triphasé, une force hori-

zontale est produite entre l'armature et l'aiguille Ainsi, si l'armature est fixe, l'aiguille se déplace et, si

l'aiguille est fixe, l'armature se déplace.

Bien que cet exemple comporte deux pôles et vingt-

quatre fentes, cet exemple n'est pas limitatif dans le cas

de la figure 29 et peut être modifié diversement.

On se réfère maintenant à la figure 30 pour la

description d'un principe mis en oeuvre dans des exemples

de générateurs synchrones selon l'invention Le générateur comporte un noyau d'armature 501 et un rotor 507 Le noyau 501 a un enroulement à double couche, plus précisément un

enroulement inducteur 503 et un enroulement d'armature 505.

Le rotor 507 possède une aimantation facile dans la direc-

tion verticale de la figure et difficile en direction horizontale sur la figure, car le rotor est du type à pôles saillants Les enroulements 503 et 505 sont des enroule- ments triphasés et comportent deux pôles chacun Les

enroulements 503 et 505 sont disposés afin que leur dépha-

sage soit de préférence de 900.

Lorsque l'enroulement inducteur 503 ayant les bobinages u, v et W reçoit le courant triphasé, un flux magnétique inducteur 509 est créé Un courant d'enroulement inducteur est réglé de manière qu'il corresponde à l'axe central des pôles magnétiques 511 du flux magnétique 509 avec un axe d'aimantation préférentielle 513 du rotor, de manière constante La tension triphasée est induite dans l'enroulement d'armature 505 qui a des bobinages u', v' et w', par rotation du rotor qui est toujours aimanté en direction constante En conséquence, un générateur est réalisé. La tension de sortie V (exprimée en volts) et la fréquence de sortie f (exprimée en hertz) du générateur sont représentées par les équations suivantes ( 11) et ( 12) respectivement: V =Kl'-P N ( 11) f =K 2 n p ( 12) K 1 et K 2 étant des constantes proportionnelles, 4 un flux magnétique (exprimé en webers) et N désigne la fréquence de rotation par seconde (tours par seconde) Si le courant inducteur If correspond au flux magnétique inducteur à, l'équation ( 13) est la suivante: b = K 3 If ( 13) Comme décrit précédemment, le générateur synchrone selon l'invention ne nécessite pas un enroulement du rotor avec un bobinage ni le montage d'un aimant permanent sur le rotor En conséquence, la présente invention permet la réalisation d'un générateur synchrone ayant un rotor

extrêmement simple et robuste.

La figure 31 est un diagramme synoptique d'un organe de commande destiné à régler la tension de sortie afin qu'elle soit constante malgré les fluctuations de la charge dans le générateur synchrone selon l'invention.5 Sur la figure 31, l'organe de commande comprend un générateur synchrone 521 et un circuit de commande assurant le maintien de la tension de sortie à une valeur constante malgré les fluctuations de la charge. Le générateur synchrone 521 comporte un rotor 523 et un enroulement d'armature 505 Le rotor 523 est connecté à un moteur 525 tel qu'une turbine, un moteur à combustion interne, ou une turbine hydraulique, et tourne à une

vitesse constante L'enroulement d'armature 505 est rac-

cordé à la charge 527 Le rotor 523 a un détecteur 531 de position de pôles magnétiques, par exemple un codeur

rotatif, créant un signal 551 de position de pôles magné-

tiques L'armature 505 a un dispositif 535 de mesure de potentiel qui détecte la tension de sortie et crée le

signal 552 de tension de sortie.

Le circuit de commande comprend un amplificateur 537 de tension d'armature, un amplificateur 539 de courant inducteur, un circuit convertisseur 543, un amplificateur 541 de réglage de la phase du courant inducteur, et un détecteur 542 du courant inducteur L'amplificateur 537 reçoit un signal de commande de tension 553 sous forme d'une tension voulue et le signal 552 de tension de sortie simultanément L'amplificateur 539 reçoit un signal 555 de commande de courant inducteur provenant de l'amplificateur 537 et un signal de courant inducteur 557 détecté par le

détecteur 542 du courant inducteur.

L'amplificateur 541 de réglage de la phase du courant inducteur reçoit un signal 559 de commande de valeur du courant inducteur produit par l'amplificateur 539 et un signal 551 de position des pôles magnétiques Le circuit convertisseur 543 reçoit un signal 561 de commande

de circuit convertisseur provenant de l'amplificateur 541.

Si la charge n'est pas raccordée au générateur synchrone, c'est-à-dire si celui-ci fonctionne sans charge, la tension induite est égale à la tension de sortie Si la charge est raccordée au générateur synchrone, un courant circule dans l'enroulement d'armature U, V, W et une chute

de tension est due à l'impédance de l'enroulement d'arma-

ture et réduit la tension de sortie Ainsi, l'amplificateur 537 reçoit le signal 552 du dispositif 535 afin qu'il maintienne la tension de sortie à une valeur constante par compensation de cette chute de tension L'amplificateur 537 amplifie l'écart entre le signal 553 de commande de tension et le signal 552 de tension de sortie afin qu'il transmette

le signal 555 de commande de courant inducteur à l'amplifi-

cateur 539 Ce dernier amplifie l'écart entre les signaux 555 et 557 et transmet le signal 559 de commande de la valeur du courant inducteur à l'amplificateur 541 En fonction du signal 551 de position et du signal 559, l'amplificateur 541 crée un signal 561 de commande de circuit convertisseur afin que le courant inducteur soit20 transmis de façon convenable à l'enroulement inducteur, même si le rotor a un emplacement différent Le circuit convertisseur 543 crée le courant inducteur en fonction du signal 561 et règle la valeur du courant inducteur En conséquence, la tension de sortie est constante même

lorsque la charge varie.

Comme indiqué précédemment, dans le second mode de réalisation, la machine synchrone peut avoir un rotor de structure simple et robuste parce que le rotor ne nécessite ni aimants permanents ni bobinages Aux vitesses élevées, le rotor ne risque pas d'être détérioré étant donné sa

structure robuste.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux moteurs et machines qui viennnent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non

limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (22)

REVENDICATIONS

1 Dispositif à moteur synchrone, caractérisé en ce qu'il comprend: un stator bobiné avec un premier enroulement (A) et un second enroulement (B) sous forme d'un enroulement à double couche, un rotor ayant une configuration à pôles saillants et logé afin qu'il tourne dans le stator, un premier organe de commande ( 151) utilisé comme source d'énergie pour le premier enroulement (A) et réglant la fréquence de rotation du moteur, et un second organe de commande ( 153) utilisé comme source d'énergie pour le second enroulement (B) et réglant

la puissance de sortie ou la valeur du couple du moteur.

2 Dispositif à moteur synchrone, caractérisé en ce qu'il comprend: un stator bobiné avec un premier enroulement (A) et un second enroulement (B) sous forme d'enroulement à double couche,

un rotor formé essentiellement de matériau à aniso-

tropie magnétique donnant des pôles saillants et logé afin qu'il puisse tourner dans le stator, un premier organe de commande ( 151) utilisé comme source d'énergie pour le premier enroulement (A) et réglant la fréquence de rotation du moteur, et un second organe de commande ( 153) utilisé comme source d'énergie pour le second enroulement (B) et réglant

la puissance de sortie ou la valeur du couple du moteur.

3 Dispositif à moteur synchrone, caractérisé en ce qu'il comprend: un stator bobiné avec un premier enroulement (A) et un second enroulement (B) sous forme d'un enroulement à double couche, un rotor ayant un organe à aimant permanent destiné à créer un flux magnétique inducteur et logé de manière qu'il tourne dans le stator, un premier organe de commande ( 151) utilisé comme source d'énergie pour le premier enroulement (A) et réglant la fréquence de rotation du moteur, et un second organe de commande ( 153) utilisé comme source d'énergie pour le second enroulement (B) et réglant

la puissance de sortie ou la valeur du couple du moteur.

4 Dispositif à moteur synchrone, caractérisé en ce qu'il comprend: un stator bobiné avec un premier enroulement (A) et un second enroulement (B) sous forme d'enroulement à double couche, un rotor ayant au moins un bobinage destiné à recevoir un courant et logé afin qu'il tourne dans le stator, un premier organe de commande ( 151) utilisé comme source d'énergie pour le premier enroulement (A) et réglant la fréquence de rotation du moteur, et un second organe de commande ( 153) utilisé comme source d'énergie pour le second enroulement (B) et réglant

la puissance de sortie ou la valeur du couple du moteur.

Dispositif à moteur synchrone, caractérisé en ce qu'il comprend: un stator bobiné avec un premier enroulement (A) et un second enroulement (B) sous forme d'enroulement à double couche,

un rotor ayant un matériau présentant une aniso-

tropie magnétique et logé afin qu'il tourne dans le stator, un premier organe de commande ( 151) utilisé comme source d'énergie pour le premier enroulement (A) et réglant la fréquence de rotation du moteur, et un second organe de commande ( 153) utilisé comme source d'énergie du second enroulement (B) et réglant la

puissance de sortie ou la valeur du couple du moteur.

6 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce que le second organe de commande ( 153) maintient une différence de phase entre le courant du premier enroulement (A) et le courant du second enroulement (B) à une valeur de 90 , et il comporte en outre un circuit destiné à régler l'amplitude du gain en

courant transmis au premier enroulement (A).

7 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce que: le premier organe de commande ( 151) comporte un dispositif de commande de fréquence de rotation destiné à créer un signal de commande de courant pour la commande de la fréquence de rotation du moteur, un premier circuit ( 109) de détermination de courant d'enroulement destiné à comparer la fréquence commandée de

rotation à des données représentant la fréquence de rota-

tion du moteur pour la création d'une différence entre eux et pour la détermination et la création d'un premier signal de commande de courant destiné au premier enroulement (A), et un circuit de transmission d'un courant au premier enroulement (A) destiné à transmettre un premier courant prédéterminé au premier enroulement (A) en fonction du

premier signal de commande de courant, des données repré-

sentant la valeur du premier courant du premier enroulement (A) et de données de position du rotor, et le second organe de commande ( 153) comporte un organe de commande d'une puissance commandée de sortie du moteur, un circuit arithmétique ( 121) de sortie destiné à calculer une puissance calculée de sortie du moteur en fonction des données de courant transmises au premier et au second enroulement (B), de données de fréquence de rotation du moteur et de données de position du rotor,

un second circuit ( 129) de détermination d'enroule-

ment destiné à comparer le signal de sortie de puissance

calculée à la puissance commandée de sortie pour la créa-

tion d'une différence mutuelle et pour la création d'un second signal de commande de courant destiné au second enroulement (B) en fonction de la différence, et un second circuit de transmission d'un courant d'enroulement destiné à transmettre un second courant prédéterminé au second enroulement (B) en fonction du second signal de commande de courant provenant du second circuit de détermination d'enroulement, des secondes données de valeur de courant du second enroulement (B) et

des données de position du rotor.

8 Machine synchrone, caractérisée en ce qu'elle comprend: une armature ayant un noyau ( 13) sur lequel est bobiné un enroulement inducteur ( 17) destiné à la création d'un flux magnétique inducteur et un enroulement d'armature

( 19) présentant un angle de phase électrique de 900 prati-

quement par rapport à l'enroulement inducteur ( 17), et un rotor ( 21) logé dans l'armature afin qu'il puisse tourner et aimanté dans une direction prédéterminée par le

flux magnétique inducteur.

9 Machine synchrone, caractérisée en ce qu'elle comprend: une armature ayant un noyau ( 13) sur lequel sont bobinés un enroulement inducteur ( 17) et un enroulement d'armature ( 19), l'enroulement inducteur ( 17) ayant trois paires d'enroulements triphasés décalés successivement d'angle de phase de 1200 et créant un flux magnétique inducteur, l'enroulement d'armature ( 19) ayant trois paires d'enroulements triphasés décalés successivement d'un déphasage égal à 1200 et décalés pratiquement d'un angle de 900 par rapport à l'enroulement inducteur ( 17), et un rotor ( 21) logé afin qu'il puisse tourner dans l'armature et aimanté dans une direction prédéterminée par

le flux magnétique inducteur.

Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'enroulement d'armature ( 19) présente un angle de phase électrique de 900 par rapport à l'enroulement

inducteur ( 17).

11 Machine selon l'une des revendications 8 et 9,

caractérisée en ce que le rotor est un rotor ( 31) présen-

tant une anisotropie magnétique.

12 Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce que le rotor présentant une anisotropie magnétique

comprend un corps magnétique ayant une anisotropie magné-

tique et ayant une configuration prédéterminée.

13 Machine selon la revendication 12, caractérisée en ce que le corps présentant une anisotropie magnétique est un organe choisi dans le groupe qui comprend l'acier au silicium à grain orienté et l'acier au nickel à grain orienté. 14 Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce que le corps ( 33) à anisotropie magnétique est sous

forme de pôles saillants.

Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce que le corps à anisotropie magnétique a une partie de corps magnétique à l'extérieur et une partie de corps non magnétique à l'intérieur, le corps magnétique ayant un entrefer en forme de fente ou un organe non magnétique dans

la direction d'un diamètre prédéterminé.

16 Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce que le corps ( 35) à anisotropie magnétique a un organe magnétique ayant un entrefer en forme de fente ou un

organe non magnétique en direction d'un diamètre prédé-

terminé. 17 Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce que le corps ( 49) à anisotropie magnétique est sous

forme à quatre pôles saillants.

18 Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que le rotor est raccordé afin qu'il soit solidaire

d'un axe de charge d'une machine ou d'un outil.

19 Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'enroulement inducteur ( 17) et l'enroulement d'armature ( 19) reçoivent deux paires de courants triphasés décalés mutuellement d'un angle de phase électrique de 900, et la machine synchrone comporte en outre un dispositif de commande destiné à régler le couple, la fréquence de rotation et l'angle de rotation et à décaler la puissance du moteur par réglage de la fréquence et de l'intensité des

courants triphasés.

20 Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'enroulement inducteur ( 17) et l'enroulement d'armature ( 19) sont alimentés par deux paires de courants

triphasés décalés mutuellement d'un angle de phase prédé-

terminé, la machine comprenant en outre un dispositif de commande destiné à régler le couple, la fréquence de rotation et l'angle de rotation et à décaler la puissance du moteur par réglage de la fréquence et de l'intensité des

courants triphasés.

21 Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif de commande destiné à régler de façon optimale deux paires de courants triphasés transmis à l'armature afin que les pertes du

moteur soient réduites au minimum dans le cas d'une rota-

tion prédéterminée et d'une charge prédéterminée.

22 Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'enroulement d'armature ( 19) est connecté à une source d'énergie triphasée afin qu'il tourne sous l'action du couple induit avec une rotation presque synchrone, alors que l'enroulement inducteur ( 17) est alimenté par une

source d'énergie triphasée par l'intermédiaire d'un conden-

sateur ou d'une réactance, la machine comprenant en outre un circuit synchrone destiné à donner au rotor un pôle magnétique inducteur par transmission au rotor d'un courant décalé d'un angle de phase électrique prédéterminé pour la

synchronisation du moteur.

23 Machine selon la revendication 22, caractérisée en ce que le rotor a un pôle magnétique inducteur décalé

d'un angle de phase de 90 .

24 Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que le rotor possède un organe à aimant permanent destiné à créer un pôle magnétique inducteur sous forme de la somme du flux magnétique créé par l'aimant permanent et

d'un flux magnétique créé par un courant inducteur.

Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'armature ( 261 a, 261 b) est formée afin qu'elle soit séparable en deux parties au moins afin qu'un stator puisse être assemblé après que le rotor a été monté sur une machine. 26 Machine selon la revendication 25, caractérisée en ce que le rotor ( 281) est formé en une seule pièce avec

un arbre d'une machine sous forme d'un corps.

27 Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que le noyau est divisé en deux parties ( 261 a, 261 b) en direction axiale, l'une des parties ayant un enroulement

inducteur ( 17) et l'autre un enroulement d'armature ( 19).

28 Machine selon la revendication 9, caractérisée

en ce qu'elle est utilisée pour un moteur linéaire, l'arma-

ture ( 403) est formée sous forme linéaire et le stator

comprend une aiguille ( 405) ayant plusieurs pôles magné-

tiques disposés en direction axiale.

29 Machine selon la revendication 9, caractérisée

en ce qu'elle est utilisée comme générateur synchrone.