FR2704369A1 - Moteur autosynchrone à bague commutante. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un moteur électrique autosynchrone avec un rotor, un stator formé d'au moins deux enroulements (E1, E2) ayant chacun leurs extrémités en contact avec un dispositif de commutation mécanique tournant (BT) entraîné par le rotor et monté aux bornes d'une source d'alimentation (VP). Au moins un interrupteur électronique (K) est inséré entre le dispositif de commutation mécanique tournant (BT) et l'une des bornes de la source d'alimentation pour interrompre le courant dans au moins un des enroulements lorsque le dispositif de commutation mécanique tournant commute. Application: Moteur autosynchrone notamment pour véhicule automobile électrique.

Description

MOTEUR AUTOSYNCHRONE A BAGUE COMMUTANTE
La présente invention est relative à un moteur électrique autosynchrone qui peut notamment être utilisé dans un véhicule automobile électrique ou dans des applications domestiques ou industrielles. On rappelle qu'un moteur autosynchrone est un moteur dans lequel on produit au stator un champ magnétique tournant exactement à la même vitesse que le rotor quelle que soit cette vitesse c'est à dire en particulier au démarrage.

Dans le domaine de la technique de traction électrique de véhicules automobiles, existe le problème majeur de réduire la quantité et le prix de revient de la matière première mise en oeuvre.

La présente invention a pour but d'améliorer les moteurs électriques autosynchrones en réduisant leur coût, leur poids, leur entretien et en augmentant leur fiabilité.

Les moteurs autosynchrones connus comportent des enroulements statoriques, généralement montés en étoile, reliés en série chacun avec une paire d'interrupteurs électroniques. Les interrupteurs sont actionnés à une fréquence (qu'on peut appeler haute fréquence) très supérieure à la fréquence électrique des champs magnétiques tournants engendrés au stator; la fréquence (basse) des champs magnétiques tournants correspond à la vitesse de rotation du moteur. Les interrupteurs servent à hacher le courant à haute fréquence avec un rapport cyclique variable de sorte qu'on peut, d'une part contrôler la valeur du courant moyen dans l'enroulement statorique auquel ils sont reliés pendant des intervalles de temps périodiques (basse fréquence) où un courant circule effectivement dans cet enroulement, et d'autre part, interrompre totalement ce courant pendant d'autres intervalles de temps périodiques (basse fréquence) pendant lesquels d'autres interrupteurs sont actionnés. Avec plusieurs enroulements statoriques et donc deux fois plus d'interrupteurs, on peut aiguiller le courant successivement ( à basse fréquence) dans les enroulements de manière à créer le champ magnétique statorique tournant.

L'enveloppe de variation du courant moyen dans un enroulement est définie par la variation du rapport cyclique du courant haché, qu'on peut régler à volonté en fonction de la forme d'onde souhaitée pour le courant moyen.

Dans cette configuration, le cuivre des enroulements n'est pas utilisé de manière optimum, car chaque enroulement n'est parcouru par du courant que pendant une fraction de temps et il y a beaucoup d'interrupteurs électroniques coûteux.

Dans d'autres moteurs autosynchrones, on utilise une bague de commutation entraînée par le rotor qui comporte au moins une portion reliée à une première borne d'une source d'alimentation et au moins une portion reliée à une seconde borne de la source d'alimentation. Les deux portions sont isolées électriquement. Les enroulements statoriques ont leurs deux extrémités terminées par des balais qui frottent sur la bague. En tournant, la bague permet l'alimentation des enroulements et chaque enroulement est parcouru alternativement par du courant dans un sens puis dans l'autre.

L'utilisation du cuivre est meilleure mais il se produit des étincelles au moment où un balai quitte une portion conductrice. Ces étincelles sont dangereuses pour la fiabilité du moteur et engendrent une usure importante des balais qu'il faut changer régulièrement.

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un moteur autosynchrone moins cher qui utilise mieux le cuivre de ses enroulements statoriques et qui accepte des courants importants sans risque d'étincelles.

Pour cela la présente invention propose un moteur autosynchrone avec un rotor, un stator formé d'au moins deux enroulements statoriques ayant chacun leurs extrémités en contact avec un dispositif de commutation mécanique entraîné par le rotor et monté aux bornes d'une source d'alimentation, le dispositif de commutation mécanique étant prévu pour diriger le courant fourni par la source dans les enroulements statoriques alternativement dans un sens puis dans l'autre. II est prévu au moins un interrupteur électronique ayant une première extrémité reliée au dispositif de commutation mécanique et une seconde extrémité reliée à l'une des bornes de la source d'alimentation, cet interrupteur électronique est commandé en fonction de la position du rotor de manière à interrompre le courant dans au moins un des enroulements lorsque le dispositif de commutation commute.

Puisque le courant est interrompu lorsque le dispositif de commutation mécanique commute il n'y a plus de risque d'étincelles.

L'interrupteur électronique commandé à haute fréquence permet par ailleurs de contrôler la valeur du courant moyen dans au moins un enroulement statorique et par conséquent le couple moteur.

Le dispositif de commutation mécanique pourra être formé d'au moins une bague tournante comportant au moins une première portion conductrice reliée à l'une des bornes de la source d'alimentation par l'intermédiaire de l'interrupteur électronique, une seconde portion conductrice reliée à l'autre borne de la source d'alimentation, et d'au moins une paire de balais reliés chacun à une extrémité d'un enroulement et frottant sur la bague. Les balais s'useront modérément puisque les commutations s'effectuent en l'absence de courant.

La bague peut être cylindrique ou en forme de disque.

De préférence, on utilisera deux enroulements statoriques décalés de 90 degrés électriques. On donnera de préférence aux forces électromotrices crées dans les enroulements statoriques une forme sensiblement rectangulaire de manière à ce que du courant circule dans les enroulements lorsqu'elles sont maximales.

Lorsque le dispositif de commutation mécanique tournant est relié à plusieurs interrupteurs électroniques, ces demiers interrompront le courant dans les enroulements à des moments différents de manière à avoir en permanence du couple.

Le moteur selon l'invention pourra fonctionner en générateur frein avec un interrupteur électronique supplémentaire.

Son rotor peut être bobiné ou à aimant et dans ces deux cas il est possible d'inverser son sens de rotation.

En utilisant son rotor bobiné et ses enroulements statoriques il est possible de recharger sa source d'alimentation, le moteur étant alors à l'arrêt. On n'a pas besoin de circuits de recharge distincts de ceux qui servent à faire fonctionner le moteur.

Avec au moins un enroulement supplémentaire couplé électromagnétiquement aux enroulements statoriques, il est possible de recharger une batterie de servitude. On n'a pas besoin de générateur ou d'alternateur pour recharger une telle batterie. On n'est pas non plus obligé d'utiliser comme batterie de servitude une partie de la source d'alimentation du moteur, ce qui serait préjudiciable à l'équilibre entre les différents éléments accumulateurs qui composent généralement la source d'alimentation du moteur (batterie).

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faisant référence aux figures ciannexées dans lesquelles:
- la figure 1 représente un schéma électrique d'un moteur selon l'invention;
- la figure 2a représente un schéma électrique d'une variante d'un moteur selon l'invention;
- la figure 2b représente, au cours du temps, les forces électromotrices prenant naissance dans les enroulements statoriques du moteur de la figure 2a et les états de conduction des interrupteurs électroniques;
- les figures 3a,3b,3c représentent des exemples de réalisation de bagues commutantes d'un moteur selon l'invention;
- la figure 4a représente un schéma électrique d'un moteur selon l'invention;
- la figure 4b représente, au cours temps les positions du dispositif de commutation mécanique tournant et les états de conduction des interrupteurs électroniques;
- la figure 5 représente un schéma électrique d'un moteur selon l'invention fonctionnant en générateur frein;
- la figure 6 représente un schéma électrique d'un moteur selon l'invention tournant dans les deux sens de rotation et fonctionnant en moteur et en générateur frein;
- les figures 7a,7b représentent des schémas électriques d'un moteur selon l'invention à rotor à aimant, tournant soit dans un sens, soit dans l'autre;
- la figure 7c représente un schéma électrique d'un moteur selon l'invention à rotor à aimant tournant dans les deux sens;
- la figure 7d représente un schéma électrique d'une variante d'un moteur selon l'invention à rotor à aimant tournant dans les deux sens;
- la figure 8 représente un schéma électrique d'un moteur selon l'invention à excitation série;
- la figure 9 représente un schéma électrique d'un moteur selon l'invention avec circuit de compoundage;
- la figure 10 représente un schéma électrique d'un moteur selon l'invention avec fonction de chargeur;
- la figure Il représente un schéma électrique d'un moteur selon l'invention avec fonction de convertisseur pour recharger une batterie de servitude.

La figure 1 représente le schéma électrique d'un moteur autosynchrone selon l'invention. Son rotor bobiné ou à aimant n'est pas représenté dans un but de clarté. Le stator comporte deux enroulements El,
E2 indépendants et décalés de 90 degrés électriques et un dispositif de commutation mécanique tournant entraîné par le rotor pour diriger un courant dans chaque enroulement alternativement dans un sens et dans l'autre. Le dispositif de commutation est formé d'au moins une bague tournante BT et de balais fixes. Les deux extrémités de chaque enroulement sont terminées par un balai b10,bI I pour l'enroulement El et b20,b21 pour l'enroulement E2. Chaque balai frotte sur la bague tournante BT entraînée par le rotor du moteur.

La bague BT se compose de deux portions conductrices B1, B2 séparées par deux portions isolantes B3,B4. La portion conductrice B1 est reliée à une première borne d'une source d'alimentation VP continue. II s'agit ici de la borne positive d'une batterie. Un interrupteur électronique K a une première extrémité reliée à la portion conductrice B2 et l'autre extrémité reliée à la seconde borne de la source d'alimentation VP (borne négative).

Sur la figure 1, les portions conductrices et isolantes sont égales. La bague
BT est représentée dans une position telle que les balais b10,b11 de l'enroulement El frottent respectivement sur les portions conductrices B1,B2 et les balais b20,b21 de l'enroulement E2 respectivement sur les portions isolantes B3,B4.

Dans cette position, le courant fourni par la source d'alimentation
VP circule dans l'enroulement El du balai b10 vers le balai bill,
I'enroulement E2 n'est pas alimenté. Après une rotation de la bague BT d'un quart de tour dans le sens de la flèche, le courant circule dans l'enroulement
E2 du balai b21 vers le balai b20, I'enroulement El n'est plus alimenté.

Après une nouvelle rotation d'un quart de tour, le courant circule dans
I'enroulement El du balai bI I vers le balai b10, l'enroulement E2 n'est plus alimenté. Après une nouvelle rotation d'un quart de tour, le courant circule dans l'enroulement E2 du balai b20 vers le balai b21 et l'enroulement El n'est plus alimenté. Grâce au dispositif de commutation mécanique, on crée dans les enroulements E1,E2 un champ magnétique statorique toumant.

Dans cette configuration, les deux enroulements El, E2 sont parcourus chacun leur tour par du courant statorique qui passe d'abord dans un sens puis en sens inverse.

Les enroulements El, E2 décalés de 90 degrés électriques sont le siège de forces électromotrices alternatives en quadrature.

Dès qu'un balai quitte une portion conductrice B1 ou B2, on ouvre l'interrupteur électronique K pour interrompre le courant circulant dans l'enroulement relié à ce balai.

II n'y a plus de risques d'étincelles au niveau du balai. Son usure est réduite et le balai qui commute ne met pas la source d'alimentation en court-circuit.

En rotation, l'ouverture de l'interrupteur K est commandée en fonction de la position du rotor. On a auparavant calé mécaniquement la bague etlou les balais par rapport à une position de référence du rotor. On détecte la position du rotor au moyen d'un capteur de position angulaire qui peut être, par exemple, de type résolveur, de manière à permettre après traitement dans un processeur, I'ouverture de l'interrupteur électronique K.

Ce capteur de position angulaire est représenté sur la figure 3a.

L'interrupteur électronique K, fonctionnant en hacheur, assure aussi un contrôle du courant moyen dans les enroulements par une modulation appropriée. II hache le courant à une fréquence qui est beaucoup plus grande que la fréquence de commutation de la bague BT, cette dernière correspondant à la vitesse de rotation du rotor. Le contrôle du courant moyen dans les enroulements est essentiellement réalisé par la modulation du rapport cyclique de mise en conduction de l'interrupteur électronique K. Tous types de modulation y compris la modulation PWM peuvent être utilisés. L'interrupteur électronique peut être réalisé à base de transistors bipolaires, MOSFET, IGBT, de thyristors. L'interrupteur électronique K est commandé par un circuit hacheur non représenté. On sait réaliser des circuits hacheurs permettant d'établir des formes d'ondes de courant moyen désirées.

On s'arrange pour que le champ magnétique statorique tournant soit maintenu en quadrature de phase par rapport au champ rotorique pour avoir un couple maximum et pour cela on commande les courants statoriques dans les enroulements en fonction de la position du rotor. On détecte cette position au moyen du capteur de position angulaire de manière à permettre après traitement dans le processeur la commande de l'interrupteur électronique K.

Une diode de roue libre d est montée entre la première extrémité de l'interrupteur électronique K et la première borne de la source d'alimentation VP. Elle permet d'absorber les transitoires de courant dus à la présence des enroulements qui apparaissent lors de l'ouverture de l'interrupteur électronique K
Les enroulements statoriques sont parcourus par du courant alternativement dans un sens puis dans l'autre. On a supprimé grâce à l'interrupteur électronique les étincelles au niveau du dispositif de commutation mécanique et on n'utilise qu'un seul interrupteur électronique coûteux.

Selon une variante on peut augmenter le temps de passage du courant dans les enroulements statoriques.

La figure 2a illustre cette configuration. Maintenant le dispositif de commutation mécanique tournant comporte deux bagues tournantes BT1,
BT2 entraînées par le rotor. La bague BTI est composée d'une première demi-bague B8 conductrice reliée à une première borne de la source d'alimentation VP et d'une seconde demi-bague conductrice B9 reliée à une seconde borne de la source d'alimentation VP par l'intermédiaire de l'interrupteur électronique KI. Les deux demi-bagues conductrices B8 et B9 sont isolées l'une de l'autre par deux portions isolantes 2. L'enroulement El est terminé par deux balais fixes b10 et bll qui frottent sur cette bague BT1 de manière à ce que l'enroulement puisse être alimenté par du courant alternativement dans un sens puis dans l'autre. Les portions isolantes 2 sont relativement étroites, de préférence inférieures à la largeur des balais
L'autre bague BT2 a la même structure et est associée à l'enroulement E2 et à l'interrupteur électronique K2. Les deux bagues BT1,
BT2 et les enroulements sont positionnés de manière à ce que les deux interrupteurs électroniques ne soient pas ouverts en même temps. Le courant circule toujours dans au moins un des enroulements ce qui permet d'avoir toujours du couple. Le contrôle du courant statorique s'effectue de manière indépendante dans chaque enroulement. Les forces électromotrices prenant naissance dans les enroulements statoriques sont en quadrature car les enroulements sont décalés de 90 degrés électriques. Dans cette configuration, le fait de générer des forces électromotrices ayant une forme d'onde sensiblement rectangulaire au lieu de sensiblement sinusoïdale, présenterait un grand intérêt au point de vue puissance massique du moteur.

La figure 2b représente dans le temps, I'évolution des forces électromotrices dans les enroulements El et E2 (sensiblement sinusoïdales ou rectangulaires) et l'état de conduction des interrupteurs électroniques.

Les interrupteurs électroniques K1, K2 ne sont pas ouverts en même temps.

Les figures 3a, 3b,3c représentent des exemples de réalisation de bagues commutantes. D'autres structures sont envisageables avec par exemple une bague fixe et des balais tournants.

Sur la figure 3a on a représenté une bague tournante BT associée à un seul enroulement El, I'enroulement E2 serait associé à une autre bague identique. La bague est cylindrique et tourne sur elle même grâce à un système d'entraînement mécanique lié au rotor et représenté symboliquement par le trait tireté t. Le rotor n'est pas représenté. La bague a été calée par rapport à une position de référence du rotor.

La bague BT comporte une première portion conductrice 40 reliée à une première borne de la source d'alimentation VP et une seconde portion conductrice 41 reliée à une seconde borne de la source d'alimentation VP par l'intermédiaire d'un interrupteur électronique K1. Les deux portions conductrices 40,41 sont isolées l'une de l'autre par une zone isolante 42.

Les deux portions conductrices ont chacune une forme de demi-anneau bordé par une piste annulaire. Les deux portions conductrices 40,41 sont disposées tête-bêche de manière à ce que les demi-anneaux soient juxtaposés.

L'alimentation en courant des portions conductrices 40,41 se fait à l'aide des contacts c1,c2 respectifs qui glissent sur les pistes annulaires.

Les balais b10 et bll reliés chacun à une extrémité de l'enroulement El frottent sur la bague BT au niveau des demi-anneaux. Ils sont diamétralement opposés afin que lorsque l'un frotte sur l'une des portions conductrices, I'autre frotte sur l'autre portion conductrice.

L'interrupteur électronique K1 est associé à une diode de roue libre dl. Un capteur de position angulaire A de type résolveur par exemple est associé au dispositif de commutation. II tourne entraîné par le rotor. II est calé par rapport à la position de référence du rotor.

Au lieu d'utiliser deux bagues distinctes BT l'une associée à l'enroulement El et l'autre associée à l'enroulement E2, on peut utiliser une seule bague double. C'est ce qu'illustre la figure 3b. La bague double représentée BD est composée de deux bagues BT élémentaires (comme celles de la figure 3a) accolées au niveau de leur première portion conductrice 40 .

La bague BD double comporte alors une première portion conductrice double 40' et deux secondes portions conductrices 41 a et 41b placées de part et d'autre de la première portion conductrice 40'. L'une des secondes portions conductrices 41 a est reliée à la seconde borne de la source d'alimentation VP par l'intermédiaire d'un premier interrupteur électronique K1 et l'autre également par l'intermédiaire d'un second interrupteur électronique K2.

Les balais blO,bll et b20,b21 des enroulements El et E2 frottent sur la bague double BD au niveau des demi-anneaux des bagues élémentaires de manière à ce que l'un des balais soit en contact avec l'un des demi-anneaux lorsque l'autre est en contact avec l'autre. Les enroulements sont pratiquement alimentés en courant en permanence. Les deux bagues élémentaires et les balais sont agencés pour que les commutations se fassent à chaque rotation d'un quart de tour de la bague double BD.

Au lieu de réaliser la bague en cylindre, elle peut être en disque; c'est ce qu'illustre la figure 3c. La bague représentée est associée à un seul enroulement El. On en utilisera une autre pour l'enroulement E2. Cette bague comporte une première portion conductrice 40 formée d'une piste circulaire extérieure bordée intérieurement par une demi-couronne et une deuxième zone conductrice 41 formée d'une piste intérieure circulaire bordée extérieurement par une demi-couronne. Les deux demi-couronnes sont juxtaposées pour former une couronne. Une zone isolante 42 sépare électriquement la première portion conductrice 40 de la seconde 41. La première portion 40 conductrice est reliée à une première bome de la source d'alimentation VP et la seconde à la seconde borne par l'intermédiaire de l'interrupteur électronique K1. Les deux portions conductrices 40,41 sont alimentées grâce à des contacts c1,c2 qui frottent sur le disque au niveau des pistes circulaires. L'enroulement El est alimenté grâce à deux balais blO,bll qui frottent sur le disque au niveau des demi-couronnes. Ces balais sont disposés de manière à ce que l'un soit en contact avec la première portion conductrice 40, lorsque l'autre est en contact avec la seconde portion 41. Le courant peut circuler dans l'enroulement alternativement dans un sens puis dans l'autre. Au lieu d'utiliser deux bagues distinctes en forme de disque, I'une associée à l'enroulement El et l'autre à l'enroulement E2, il est possible de les accoler.

La figure 4a représente le schéma électrique d'un moteur autosynchrone selon l'invention.

Le moteur comporte deux enroulements statoriques E1,E2 décalés de 90 degrés électriques. Ils sont reliés au dispositif de commutation mécanique tournant qui permet de faire circuler du courant fourni par la source d'alimentation VP dans les enroulements alternativement dans un sens puis dans l'autre et ceci pratiquement en permanence.

Le dispositif de commutation mécanique tournant représenté à la figure 3a est ici schématisé sous la forme d'un commutateur classique tel que C1 ou C2 à quatre bornes inverseuses (el ,sl ,e2,s2). Son fonctionnement est identique à ce qui a été décrit précédemment. Chaque commutateur C1,C2 comporte une borne d'entrée e reliée à une première borne de la source d'alimentation VP (ici la bome positive) et une bome de sortie s reliée à la seconde borne de la source d'alimentation VP par l'intermédiaire d'un interrupteur électronique respectivement Kl,K2. Dans une première position des commutateurs C1,C2 les bornes e sont reliées aux bornes elles bornes s sont reliées aux bornes sl. Sur la figure 4a, les commutateurs C1 et C2 sont dans leur première position. Dans une seconde position des commutateurs C1,C2 les bornes e sont reliées aux bornes e2 et les bornes s sont reliées aux bornes s2. Les bornes e2 sont reliées aux bornes sl et les bornes s2 aux bornes el. Les enroulements El, E2 sont montés entre les bornes el et si Dans chaque enroulement le courant circule dans le sens el s1 lorsque le commutateur est dans la première position et dans le sens sl el lorsque le commutateur est dans la seconde position. Des diodes de roue libre dl ,d2 associées aux interrupteurs électroniques respectivement K1,K2 sont prévues pour absorber les transitoires de courant dus à la présence des enroulements et qui apparaissent lors de l'ouverture des interrupteurs électroniques. Chaque diode est connectée entre l'entrée e et la sortie s d'un commutateur.

Un contact I, par exemple commandé manuellement, est inséré entre l'entrée e des commutateurs C1 et C2 et la cathode des diodes dl, d2.

Ce contact I est fermé en fonctionnement moteur et est ouvert en fonctionnement chargeur, ce fonctionnement est décrit ultérieurement à la figure 10.

Le moteur dans cette configuration a un rotor bobiné à un seul enroulement E5. Le contrôle du courant rotorique s'effectue grâce à un interrupteur électronique K5, associé à une diode de roue libre d5 montée en parallèle avec l'enroulement E5. L'interrupteur électronique K5 peut être de même nature que les interrupteurs électroniques K1, K2. Cet interrupteur
K5 contrôle le courant d'excitation qui traverse l'enroulement E5 par modulation de largeur d'impulsion par exemple. Cet enroulement génère le flux et permet dans une certaine plage le contrôle de la vitesse.

La figure 4b représente dans le temps, les positions des commutateurs C1, C2 et les états de conduction des interrupteurs électroniques K1, K2. Les interrupteurs électroniques ne s'ouvrent pas ensemble, ce qui permet d'avoir en permanence du courant dans au moins un des enroulements. L'interrupteur K1 est ouvert lorsque le commutateur C1 passe de sa première position (1 ) à sa deuxième position (2). Il en est de même pour l'interrupteur K2 et le commutateur C2.

II n'y a pas d'étincelle au moment où les commutateurs passent d'une position à l'autre puisque les interrupteurs sont ouverts. Le balai qui assure la commutation ne met pas la source VP en court-circuit.

Dans ce montage, le courant fourni par la source d'alimentation
VP peut se répartir en deux parts égales dans les enroulements; les interrupteurs électroniques et les diodes associées seront dimensionnés en conséquence. La valeur de l'intensité du courant dans les enroulements est donnée par la modulation appliquée aux interrupteurs électroniques.

Le moteur en rotation peut délivrer une puissance moitié avec l'un des enroulements statoriques en cas de défaillance d'un composant associé à l'autre enroulement statorique.

Le sens de rotation du moteur peut être inversé en inversant le sens de passage du courant rotorique dans l'enroulement rotorique E5 à l'aide d'un relais électromécanique par exemple. C'est que montre la figure 6 décrite ultérieurement.

La figure 5 représente le schéma électrique qui permet le fonctionnement en générateur frein du moteur de la figure 4a. Le passage en générateur frein s'effectue en maintenant ouverts les interrupteurs électroniques K1 et K2 c'est pourquoi ils ne sont pas représentés. Deux autres interrupteurs électroniques K3, K4 associés aux diodes de roue libre respectives d3, d4 sont prévus. Les interrupteurs électroniques K3 et K4 sont montés entre la première borne de la source d'alimentation VP et la borne s des commutateurs C1, C2 respectifs alors que les diodes de roue libre d3, d4 sont montées entre la borne s des commutateurs C1,C2 respectifs et la seconde borne de la source d'alimentation VP. Les diodes d3,d4 ne laissent passer du courant dans les enroulements que dans le sens inverse du sens en fonctionnement moteur.

Les forces électromotrices qui se développent dans les enroulements statoriques créent des courants qui passent dans les interrupteurs électroniques K3,K4 fermés. En ouvrant les interrupteurs électroniques K3,K4 au moment de la commutation du dispositif de commutation, les courants sont obligés de circuler dans un sens de recharge de la source d'alimentation VP et ils traverseront les diodes d3, d4. Le contrôle du flux magnétique peut être effectué par l'interrupteur électronique
K5 qui commande le courant moyen dans l'enroulement rotorique E5. Les interrupteurs électroniques K3 et K4 contrôlent les courants statoriques de la même manière que les interrupteurs électroniques K1, K2.

Comme pour le fonctionnement moteur, la défaillance d'un composant associé à l'un des enroulements permet la récupération d'énergie par l'autre enroulement.

La figure 6 représente le schéma électrique d'un moteur autosynchrone selon l'invention pouvant fonctionner dans les deux sens de rotation et en générateur frein.

Le schéma de la figure 6 correspond à la superposition des schémas des figures 4a et 5 auxquels on a ajouté un relais électromécanique Y.

Pour que le moteur puisse fonctionner dans les deux sens de rotation, I'enroulement rotorique E5 est connecté aux bornes du relais électromécanique Y à quatre contacts inverseurs actionné manuellement par exemple. Ce relais Y permet d'inverser le sens du courant rotorique dans l'enroulement E5 et par conséquent d'inverser le sens de rotation du moteur.

Ce relais Y possède une entrée y1 reliée à une première borne de la source d'alimentation VP et une sortie y2 reliée à la seconde borne de la source d'alimentation VP (positive) de la source d'alimentation VP sont reliées maintenant à la seconde borne (négative).

Le sens de passage du courant dans les enroulements statoriques a été inversé par rapport à celui circulant dans les enroulements représentés à la figure 7a. En fonctionnement moteur, les interrupteurs électroniques K3, K4 associés aux diodes de roue libre d3,d4 servent, tandis qu'en fonctionnement générateur frein ce sont les interrupteurs électroniques K1, K2 associés aux diodes de roue libre dl, d2 qui interviennent.

Pour que le moteur puisse tourner dans un sens ou bien dans l'autre, il suffit d'utiliser un commutateur par exemple manuel à deux positions qui permet de connecter les entrées e des commutateurs mécaniques tournants Cl, C2 soit à la première borne de la source d'alimentation VP soit à la seconde borne. C'est que qu'illustre la figure 7c, le commutateur manuel est référencé X.

II est bien entendu qu'il est aussi possible d'inverser le sens de rotation d'un moteur à rotor bobiné de cette manière.

Sur la figure 7c, le moteur représenté peut fonctionner soit en moteur, soit en générateur frein, dans les deux sens de rotation.

En fonctionnement moteur par exemple, les interrupteurs K1, K2 sont utilisés pour un sens de rotation et les interrupteurs K3, K4 pour l'autre sens. Ce montage avec quatre interrupteurs convient bien car on a la fois une fonction de moteur et une fonction de générateur frein.

La figure 7d illustre le cas d'un moteur selon l'invention fonctionnant dans les deux sens de rotation. Son rotor est à aimant et il n'a pas de fonction de générateur frein. Ce moteur utilise deux relais électromécaniques Y1 Y2 à quatre contacts inverseurs actionnés par exemple manuellement et simultanément lorsqu'on veut inverser le sens de rotation du moteur. Dans cette configuration, il n'y a que deux interrupteurs électroniques K1, K2 au lieu des quatre utilisés dans le montage de la figure 7c. Si le fonctionnement en générateur frein n'est pas souhaité on n'utilise que deux interrupteurs électroniques coûteux au lieu de quatre. Dans une première position 1 des relais Yl ,Y2 le moteur tourne dans un sens et dans une seconde position 2 des relais Y1,Y2 le moteur tourne en sens inverse.

Ce montage convient bien dans une application domestique par exemple dans un lave linge.

La figure 8 représente le schéma électrique d'un moteur selon l'invention à excitation série. Dans les exemples précédents, lorsque le rotor était bobiné il était à excitation séparée. Des courants différents parcouraient les enroulements statoriques et rotorique. Dans un moteur à excitation série, les enroulements statoriques et rotorique sont en série. Sur la figure 8, le rotor est formé d'un enroulement E4 qui est monté entre la borne d'entrée e des commutateurs mécaniques C1,C2 et la première borne de la source d'alimentation VP. Une diode de roue libre d6 est montée en parallèle avec l'enroulement E4.

La figure 9 représente le schéma électrique d'un moteur selon l'invention avec un circuit de compoundage. Le rotor du moteur est formé d'un enroulement principal E5 (associé à l'interrupteur électronique K5 et à la diode d5 comme sur les figures 4a et 5) et d'un enroulement complémentaire E4 connecté entre la première borne de la source d'alimentation VP et la borne d'entrée e des commutateurs mécaniques
C1,C2. Une diode de roue libre d6 est montée en parallèle avec l'enroulement E4. Cet enroulement E4 est parcouru par du courant statorique. II renforce les Ampères-tours de l'enroulement rotorique principal
E5. Cette possibilité confère au moteur des caractéristiques couple-vitesse et rendement intéressantes en terme de flexibilité et économie énergétique.

Dans le domaine des véhicules automobiles on utilisera de préférence un moteur autosynchrone selon l'invention, à excitation séparée comme celui représenté à la figure 6 par exemple. Comme on l'a décrit, le contrôle de la vitesse et du couple s'effectue par une double action sur les courants rotoriques et statoriques. Les interrupteurs KI K1,K2 associés aux diodes dl, d2 permet de contrôler les courants statoriques dans les enroulements E1,E2. L'interrupteur K5 associé à la diode d5 permet de contrôler le courant rotorique. Une diminution de ce courant rotorique provoque un défluxage (diminution de flux) qui permet un fonctionnement en sur vitesse. Cette double action permet de couvrir toute la plage de fonctionnement couplelvitesse du moteur dans ses diverses sollicitations.

On se réfère maintenant à la figure 10. Il peut être intéressant d'utiliser les interrupteurs électroniques du stator et les enroulements statoriques pour recharger la source d'alimentation VP. En fonctionnement chargeur, le moteur est à l'arrêt et les enroulements El, E2 sont montés en série. Pour cela on a ouvert le contact I représenté à la figure 4a. Le dispositif de commutation mécanique tournant C1, C2 est à l'arrêt (non représenté sur la figure 10).

Une diode d3 est montée en parallèle avec l'interrupteur électronique K1, une diode d4 est montée en parallèle avec l'interrupteur électronique K2.

Les deux enroulements El, E2 statoriques en série forment le secondaire d'un transformateur dont le primaire est réalisé par l'enroulement rotorique E5. L'enroulement rotorique E5 est maintenant relié au secteur.

Une force électromotrice sinusoïdale à la fréquence du secteur est présente aux bornes des deux enroulements statoriques. Le fonctionnement en chargeur s'effectue sur les deux alternances de la force électromotrice sinusoïdale. Pour la première alternance, seuls la diode dl, la diode d4 et l'interrupteur électronique K1 interviennent. L'interrupteur électronique K2 est maintenu ouvert. Pour la deuxième alternance, seuls la diode d2, la diode d3 et l'interrupteur électronique K2 interviennent. L'interrupteur électronique Kl est maintenu ouvert.

Dans la première alternance, I'interrupteur K1 est commuté à haute fréquence (très supérieure à la fréquence du secteur); pendant qu'il est fermé le courant engendré dans les enroulements statoriques El, E2 se referme à travers la diode d4 passante. Lorsque l'interrupteur K1 s'ouvre, le courant inductif continue à circuler à travers la diode dl, la source d'alimentation VP et la diode d4, rechargeant la source VP. Pendant la deuxième alternance le fonctionnement est le même avec la diode d3, la diode d2 et l'interrupteur électronique K2. Par rapport au montage de la figure 4a, on a ajouté les diodes d3 et d4, mais si le moteur est agencé pour fonctionner aussi en générateur frein, on dispose déjà de ces diodes.

Les interrupteurs électroniques K1, K2 permettent de contrôler le courant de charge de la source d'alimentation VP, de limiter le taux d'harmoniques prélevées au secteur et de pouvoir travailler à cos (phi) voisin de un.

La figure 11 représente le schéma électrique d'un moteur selon l'invention ayant une fonction de convertisseur pour recharger une batterie de servitude BS servant à d'autres usages que le fonctionnement du moteur lui-même. Par exemple dans un véhicule électrique, de nombreuses fonctions électriques doivent être assurées par une batterie auxiliaire (phares, éclairage du tableau de bord, etc..) et il est préférable d'éviter de prélever de l'énergie sur la source d'alimentation générale pour ces fonctions. Le circuit selon invention permet une recharge de la batterie de servitude BS pendant la rotation du moteur, ce qui est important pour un véhicule automobile. La recharge peut aussi s'effectuer pendant le fonctionnement en générateur frein.

Le moteur représenté est du même type que celui de la figure 4a.

Deux enroulements statoriques supplémentaires E'1 et E'2 respectivement couplés électromagnétiquement aux enroulements El, E2.

Les tensions U1, U2 présentes respectivement aux bomes des enroulements E'1 et E'2 sont envoyées dans un circuit redresseur R générant le courant de charge de la batterie de servitude BS. La tension VS en sortie du circuit redresseur, ajustée à une valeur désirée (6 ou 12 Volts), constitue la tension de charge de la batterie de servitude BS.

En fonctionnement moteur, les tensions U1, U2 sont d'amplitude constante et de fréquence variable. Le circuit redresseur R peut être commandé, par tout moyen connu, de façon à autoriser ou non la charge de la batterie de servitude BS à des moments judicieusement choisis, par exemple ceux où les performances du moteur ne doivent pas être dégradées.

Ce fonctionnement en convertisseur d'alimentation d'une batterie de servitude est compatible avec le fonctionnement en moteur dans les deux sens de rotation, en générateur frein dans les deux sens de rotation décrit à la figure 6 et en chargeur moteur arrêté décrit à la figure 10. La fréquence des tensions U1 et U2 est celle du secteur dans le cas du fonctionnement en chargeur; c'est celle du moteur dans les autres cas. D'autres montages sont possibles pour les enroulements supplémentaires et il est notamment possible de ne pas utiliser le point milieu entre les deux enroulements supplémentaires.

Dans toute la description précédente on a décrit des moteurs diphasés, I'invention s'applique aussi aux moteurs triphasés ou plus généralement polyphasés.

Claims (21)

REVENDICATIONS

1 - Moteur électrique autosynchrone comportant un rotor (E5), un stator formé d'au moins deux enroulements (El, E2) statoriques ayant chacun leurs deux extrémités en contact avec un dispositif de commutation (BT) mécanique tournant entraîné par le rotor et monté aux bornes, d'une source d'alimentation (VP), pour diriger un courant foumi par la source d'alimentation dans les enroulements statoriques alternativement dans un sens puis dans l'autre, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins un interrupteur électronique (K) ayant une première extrémité reliée au dispositif de commutation (BT) mécanique toumant et une seconde extrémité reliée à l'une des bornes de la source d'alimentation, cet interrupteur électronique étant commandé en fonction de la position du rotor pour interrompre le courant dans au moins un des enroulements lorsque le dispositif de commutation mécanique tournant commute.

2 - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur électronique est commandé par un circuit hacheur à haute fréquence pour contrôler le courant moyen dans au moins un des enroulements statoriques.

3 - Moteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que dispositif de commutation mécanique est formé d'au moins une bague tournante (BT) comportant au moins une première portion conductrice (41) reliée à l'une des bornes de la source d'alimentation (VP) par l'intermédiaire de l'interrupteur électronique (K1), au moins une seconde portion conductrice (40) reliée à l'autre bome de la source d'alimentation et d'au moins une paire de balais fixes (bl 0,bl 1) reliés chacun à une extrémité d'un enroulement (El) et frottant sur la bague.

4 - Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague est cylindrique, les deux portions (40, 41) conductrices ayant chacune la forme d'un demi anneau dans une zone où frottent les balais (blo,bl 1) de la paire.

5 - Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque demi anneau est bordé d'une piste conductrice annulaire sur laquelle frotte un contact (cI ,c2) relié à l'une des bornes de la source d'alimentation.

6 - Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague est en forme de disque, les deux portions conductrices ayant chacune la forme d'une demi-couronne dans une zone où frottent les balais de la paire.

7 - Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque demi-couronne est bordée d'une piste conductrice circulaire sur laquelle frotte un contact relié à l'une des bornes de la source d'alimentation.

8 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 7, ayant un stator formé de deux enroulements statoriques (El, E2), caractérisé en ce que les deux enroulements statoriques sont décalés de 90 degrés électriques.

9 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, lorsque le dispositif de commutation mécanique tournant est relié à plusieurs interrupteurs électroniques (K1, K2), ces derniers interrompent le courant dans les enroulements statoriques à des moments différents.

10 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les enroulements statoriques (El, E2) sont le siège de forces électromotrices alternatives sensiblement rectangulaires.

Il - Moteur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'une diode de roue libre (d) protégeant l'interrupteur électronique (K) est montée entre la première extrémité de l'interrupteur électronique et l'autre borne de la source d'alimentation (VP).

12 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte, pour pouvoir fonctionner en générateur frein, un interrupteur électronique supplémentaire (K2) monté entre la première extrémité de l'interrupteur électronique (K1) servant en fonctionnement moteur et l'autre extrémité de la source d'alimentation (VP).

13 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le rotor est formé d'au moins un enroulement (E5) rotorique parcouru par un courant.

14 - Moteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que des moyens (Y) permettent d'inverser le sens du courant circulant dans l'enroulement rotorique pour inverser le sens de rotation du moteur.

15 - Moteur selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que ces moyens comportent un relais électromécanique (Y) à quatre contacts inverseurs, I'enroulement rotorique (E5) étant connecté à ce relais.

16 - Moteur selon l'une des revendications 13 à 15 caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de compoundage formé d'au moins un enroulement rotorique supplémentaire (E4) branché entre l'autre borne de la source d'alimentation (VP) et le dispositif de commutation (C1, C2) mécanique.

17 - Moteur selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est à excitation série, I'enroulement rotorique (E4) étant monté entre l'autre borne de la source d'alimentation (VP) et le dispositif de commutation (C1, C2) mécanique.

18 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le rotor comporte au moins un aimant (8).

19 - Moteur selon l'une des revendications 13 ou 18, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (Y1, Y2) pour inverser le sens de circulation des courants dans les enroulements statoriques (El, E2) de manière à inverser le sens de rotation du moteur.

20 - Moteur selon la revendication 19, caractérisé en ce que les moyens pour inverser le sens de circulation des courants dans les enroulements statoriques comportent au moins un relais électromécanique (Y1,Y2) à quatre contacts inverseurs auquel est connecté le dispositif de commutation mécanique (C1,C2).

21 - Moteur selon la revendication 11 avec un rotor bobiné (E5) caractérisé en ce qu'il comporte, des moyens pour recharger la source d'alimentation (VP),lorsqu'il est à l'arrêt, ces moyens utilisant le rotor comme primaire d'un transformateur, les deux enroulements (El, E2) statoriques reconfigurés en série comme secondaire, au moins l'interrupteur électronique (K1) associé à la diode de roue libre (dl) et une diode (d3) complémentaire montée en parallèle avec l'interrupteur électronique (K1).

22 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 21, caractérisé en ce qu'il comporte, au stator, au moins un enroulement supplémentaire (E'1,

E'2) couplé électromagnétiquement aux enroulements statoriques et en ce qu'il est prévu un circuit de redressement (R) connecté entre l'enroulement supplémentaire et une batterie de servitude (BS) pour recharger la dite batterie de servitude pendant la rotation du moteur.