FR3066054A1 - Correction d'excentricite dans une machine electrique - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet une méthode de correction d'excentricité entre un rotor (3) et un stator (1) d'une machine électrique (10), le stator comprenant plusieurs bobines (4) réparties à la circonférence du stator et aptes à générer un champ magnétique lorsqu'elles sont parcourues par un courant électrique. Cette méthode comprend une étape de mesure de la variation circonférentielle de l'entrefer (2) entre le rotor et le stator résultant de l'excentricité, ladite mesure comprenant une mise en rotation du rotor et une mesure de la force électromotrice induite à chaque bobine résultant de ladite rotation, l'entrefer étant proportionnel à ladite force électromotrice ; ainsi qu'une étape de compensation d'une variation circonférentielle de forces de Laplace dans le rotor, ladite variation étant due à la variation circonférentielle de l'entrefer mesurée.

Description

CORRECTION D’EXCENTRICITE DANS UNE MACHINE ELECTRIOUE L’invention a trait au domaine des machines électriques, et plus particulièrement à la correction d’excentricité entre le rotor et le stator de machines électriques.

Le document de brevet publié WO 99/39426 A1 divulgue un système d’entraînement constitué d’une machine électrique comprenant un stator et au moins deux rotors montés selon le même axe. Il décrit le mode d’alimentation de ce type de machine électrique. La machine fonctionnant en courant triphasé, les paires de pôle de chaque phase sont alimentées d’un même courant. Cependant, ce document manque d’aborder la problématique d’excentricité entre rotor et stator.

Les problèmes d’excentricité peuvent être limités en usinant des logements de paliers du rotor directement dans le carter du stator. De telles mesures sont d’une efficacité limitée car la valeur de l’entrefer entre le rotor et le stator ne peut être mesurée directement avec précision, et restent contraignantes quant à l’architecture de la machine électrique. Il peut en effet être désirable de prévoir d’autres architectures, comme notamment d’assembler le rotor et le stator sur une pièce externe, ce qui a pour conséquence d’augmenter les chaînes de côte et, partant, les tolérances de concentricité. Un défaut de concentricité entre le stator et le rotor d’une machine électrique provoque des vibrations et des bruits parasites. La correction d’excentricité peut par ailleurs s’avérer fastidieuse, voire telle que certaines machines sont à mettre au rebut. L’invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l’état de la technique susmentionné. Plus particulièrement, l’invention a pour objectif de proposer une méthode de correction de l’excentricité statique entre le rotor et le stator, qui entraîne moins de contraintes au niveau du choix de l’architecture et de l’assemblage des pièces constitutives des machines électriques. L’invention a pour objet une méthode de correction d’excentricité entre un rotor et un stator d’une machine électrique, le stator comprenant plusieurs bobines réparties à la circonférence du stator, remarquable en ce qu’elle comprend les étapes suivantes : mesure de la variation circonférentielle de l’entrefer entre le rotor et le stator résultant de l’excentricité, ladite mesure comprenant une mise en rotation du rotor et une mesure de la force électromotrice induite à chaque bobine résultant de ladite rotation, l’entrefer étant proportionnel à ladite force électromotrice ; et compensation d’une variation circonférentielle de forces de Laplace dans le rotor due à la variation circonférentielle de l’entrefer mesurée.

La machine électrique est avantageusement une machine synchrone ou asynchrone. La machine électrique est avantageusement un moteur électrique qui peut également fonctionner en générateur.

Selon un mode avantageux de l’invention, l’étape de compensation de la variation circonférentielle de forces de Laplace dans le rotor comprend la mise en œuvre de moyens corrigeant l’amplitude du champ magnétique généré par les bobines lorsqu’elles sont parcourues par un courant électrique.

Alternativement, ou de manière complémentaire, l’étape de compensation de la variation circonférentielle de forces de Laplace dans le rotor peut comprendre une correction géométrique de l’excentricité, notamment en agissant sur des paliers du rotor fixés au stator.

La correction d’amplitude du champ magnétique peut être réalisée de plusieurs manières, comme notamment en modifiant le courant électrique parcourant les bobines, en générant des champs magnétiques additionnels, en mettant en place des écrans à champ magnétique, en modifiant le nombre de spires de certaines bobines, ou en combinant plusieurs de ces mesures.

Selon un mode avantageux de l’invention, la correction du champ magnétique comprend une amplification du courant électrique circulant dans les bobines. Le gain d’amplification peut être supérieur ou inférieur à 1.

Selon un mode avantageux de l’invention, les moyens de correction du champ magnétique généré par les bobines sont mis en œuvre au niveau de l’alimentation générale de la machine électrique, telle qu’un onduleur. Cette mesure est particulièrement intéressante lorsque la machine électrique comprend une paire de pôles par phase, car dans ce cas, les courants des différentes phases peuvent être corrigés directement au niveau de l’alimentation. Cette mesure est également applicable aux machines électriques comprenant plusieurs paires de pôles par phase, auquel cas l’alimentation contrôle la distribution de courant parmi les paires de pôles d’une même phase.

Selon un mode avantageux de l’invention, les moyens de correction du champ magnétique généré par les bobines sont mis en oeuvre au niveau de l’alimentation des bobines. Cette mesure est particulièrement intéressante lorsque la machine électrique comprend plusieurs paires de pôles par phase, car dans ce cas il est utile de corriger les courants parcourant les différentes bobines d’une même phase. Une telle correction se fait alors avantageusement au niveau de la connexion des bobines sur le stator. Les bobines sont alors découplées et sont alimentées avec des courants différents et proportionnels avec un rapport fixe par rapport au courant unique qui serait appliqué si le stator et le rotor était concentriques.

Selon un mode avantageux de l’invention, les moyens de correction du champ magnétique généré par les bobines comprennent des composants électroniques de puissance connectés aux bobines.

Selon un mode avantageux de l’invention, la correction du champ magnétique généré par les bobines comprend une variation du nombre de spires des bobines.

Selon un mode avantageux de l’invention, les moyens de correction du champ magnétique généré par les bobines comprennent un circuit répartiteur de courant et/ou de tension parmi les bobines.

Selon un mode avantageux de l’invention, le champ magnétique est corrigé par l’application au courant parcourant les bobines d’un gain proportionnel au rapport entre un entrefer moyen et l’entrefer au niveau de la bobine concernée. L’invention a également pour objet une machine électrique comprenant un rotor et un stator, le stator comprenant plusieurs bobines réparties à la circonférence du stator et aptes à générer un champ magnétique lorsqu’elles sont parcourues par un courant électrique, remarquable en ce que ladite machine comprend, en outre, des moyens configurés pour corriger l’amplitude du champ magnétique généré par les bobines de manière à compenser localement une variation circonférentielle de forces de Laplace dans le rotor, ladite variation étant due à une excentricité entre le stator et le rotor.

Les mesures de l’invention sont intéressantes en ce qu’une telle méthode réduit les exigences de tolérances dans l’assemblage des machines électriques. Elle permet en effet de facilement mesurer l’excentricité en vue de sa correction. Lorsque la correction est appliquée au niveau du champ magnétique, l’invention permet d’accepter l’erreur statique entre le rotor et le stator, et d’atténuer les vibrations en équilibrant les forces de Laplace mettant en rotation le rotor.

La méthode de correction d’excentricité peut avantageusement s’appliquer à la correction d’une excentricité résultant d’une erreur d’angle ou d’une erreur de parallélisme entre les axes du rotor et du stator, ou d’une combinaison des deux types d’erreurs. Lorsque le désaxage provient, partiellement ou exclusivement, d’un désalignement angulaire, le champ magnétique local peut être corrigé en fonction du désaxage moyen le long de la machine. Si la machine présente un jeu de bobines sur sa longueur, la méthode permet également de corriger le champ magnétique localement en fonction du positionnement axial. Ce type de correction peut être mis en œuvre par l’application de champs magnétiques externes et, alternativement ou de manière complémentaire, une alimentation adaptée du jeu de bobines le long de la machine. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide de la description et des dessins parmi lesquels : - La figure 1 est un schéma de la disposition des enroulements dans un stator ; - La figure 2 illustre le principe d’excentricité ; - La figure 3 présente un mode de mise en œuvre de l’invention ; - La figure 4 présente une variante de l’invention.

La figure 1 présente sur la partie (a) un schéma de la disposition des enroulements ou bobines dans un stator 1. Ces enroulements sont décalés les uns par rapport aux autres de 2ττ/3ρ, où p est le nombre de paires de pôles. Le nombre de paires de pôles p d’une machine électrique donne le nombre d’enroulements par phase. L’intérêt d’augmenter le nombre de paires de pôles est de créer un champ magnétique multipolaire dans l’entrefer 2.

Dans le cas d’une machine alimentée en courant alternatif triphasé et à deux paires de pôles, alors chaque phase est constituée de 2 bobines, et le stator est constitué de 6 bobines au total.

Ces enroulements statoriques constituent l’inducteur de la machine lorsqu’elle fonctionne en régime moteur. Alimentés en courant alternatif triphasé, ils produisent un champ magnétique tournant dans l’entrefer de la machine, du fait de leur disposition dans le stator. La vitesse de rotation de ce champ tournant, dite vitesse de synchronisme et notée N, est donnée par le rapport de la pulsation du courant statorique sur le nombre de paires de pôles. Ainsi, en doublant le nombre de paires de pôles, la vitesse de synchronisme est divisée par deux. La partie (a) de la figure 1 montre également l’influence du nombre de paires de pôles sur la forme du champ magnétique résultant.

La partie (b) de la figure 1 représente la forme du courant dans chacune des phases.

La figure 2 illustre le principe d’excentricité entre le rotor 3 et le stator 1 lorsqu’ils sont montés de façon coaxiale. Une vue de face d’un rotor 3 statiquement excentrique par rapport à l’axe de la machine, met en évidence le décalage entre chacun des centres du rotor et du stator, et reflète le degré de déplacement du rotor. L’excentricité statique correspond au cas où l’axe de rotation du rotor et l’axe du stator sont parallèles mais non confondus, bien que le rotor soit équilibré, c’est-à-dire que son axe d’inertie et son axe de rotation soient confondus.

La figure 3 présente un mode de mise en œuvre de l’invention.

Le schéma (a) de la figure 3 représente la disposition du rotor à l’intérieur du stator. Pour un entrefer moyen de 0.1 en échelle absolue, le schéma met en évidence une excentration de 0.07 au niveau de l’angle 130°. Ceà illustre le fait que la distance est réduite au niveau de cet angle.

Le schéma (b) représente la variation de l’entrefer selon l’angle de rotation du rotor. L’équation polaire de la surface circulaire dans laquelle s’inscrit le rotor est donnée par l’expression suivante : f— cos(a)2 exc2 sin(0)2 + 2 cos(a) sin(a) exc2 cos(0) sin(0) — sin(a)2 exc2 cos(0)2 + (R — J)2 + sin(a) exc sin(0) + cos(a) exc cos(0) L’entrefer est un espace d’air fonctionnel séparant le rotor et le stator, permettant d’assurer la mobilité d'une partie du circuit magnétique. Il est notamment caractérisé par sa réluctance, qui représente son aptitude à s'opposer à sa pénétration par un champ magnétique. Cette grandeur physique, analogue à une résistance dans un circuit électrique, est proportionnelle à l’épaisseur locale de l’entrefer.

La force magnétomotrice est la force physique motrice permettant de générer un flux magnétique. Elle est analogue à la force électromotrice dans un circuit électrique. La force magnétomotrice F générée par les enroulements ou bobines statoriques est donnée par la formule suivante, où I est l’intensité du courant statorique, et N le nombre de spires de la bobine considérée : F = I * N,.

La réluctance R permet ensuite de relier la force magnétomotrice F au flux φ de champ magnétique B au niveau de l’entrefer, selon la relation suivante : 1

φ= —* F

Cette relation provient de la loi d’Hopkinson.

Lorsque l’alimentation de la machine électrique ne fait l’objet d’aucune correction, la force magnétomotrice générée par les enroulements de chaque phase est uniforme. Les points du rotor situés dans des zones d’entrefer réduit seront donc soumis à un champ magnétique B plus élevé par rapport aux zones où cet entrefer est plus grand. Cela est dû au fait que la réluctance est proportionnelle à l’épaisseur d’entrefer locale.

Les forces de Laplace qui apparaissent sur le rotor seront donc plus élevées au niveau des zones d’entrefer réduit. Elles sont en effet proportionnelles au carré du champ magnétique. Ce phénomène aura donc tendance à accentuer l’excentricité du rotor.

Le schéma (c) de la figure 3 illustre la courbe (i) des forces auxquelles le rotor excentrique est soumis. Celles-ci sont comparativement plus élevées que les forces exercées au niveau de l’angle 310° par exemple, làoù l’entrefer est plus grand. En comparaison, la courbe (ii) illustre les forces auxquelles un rotor serait soumis en l’absence d’excentricité ou en cas d’excentricité respectant les tolérances de coaxialité.

La méthode de l’invention propose donc de corriger cet effet, en appliquant à l’amplitude du courant de chaque bobine, un gain proportionnel à la valeur de l’entrefer local, comme illustré sur le schéma (d) de la figure 3. Ce gain d’amplification est indépendant de la valeur du courant appliqué si la machine était équilibrée, et est égal au rapport de l’entrefer mesuré localement sur l’entrefer moyen. Les efforts résultant de cette correction sont répartis uniformément sur la circonférence du rotor.

La figure 4 présente une variante de l’invention, qui propose d’identifier la valeur de l’entrefer angulaire en mesurant les forces électromotrices générées dans le stator, lorsque la machine fonctionne comme une génératrice. L’entrefer local étant proportionnel à la valeur de la force électromotrice, sa variation en fonction de l’angle polaire peut être obtenue avec précision.

Lors de l’étape (a) de la figure 4, la machine est assemblée, et le rotor est mis en rotation. Une force électromotrice apparaît dans les enroulements statoriques, et un courant est généré.

La mesure de la variation de cette force électromotrice en fonction de l’angle polaire permet d’ajuster la position du rotor, comme illustré à l’étape (b) de la figure 4. Ce réglage se fait de façon itérative, jusqu’à ce que la force électromotrice mesurée en tout point égale sa valeur moyenne.

La position du rotor est ensuite fixée grâce à des paliers 5 lors de l’étape (c), et l’assemblage obtenu est donc une machine électrique dont le rotor présente une excentricité acceptable.

Claims (10)

1. Revendications

   1. Méthode de correction d’excentricité entre un rotor (3) et un stator (1) d’une machine électrique (10), le stator comprenant plusieurs bobines (4) réparties à la circonférence du stator ; caractérisée par les étapes suivantes : - mesure de la variation circonférentielle de l’entrefer (2) entre le rotor et le stator résultant de l’excentricité, ladite mesure comprenant une mise en rotation du rotor et une mesure de la force électromotrice induite à chaque bobine résultant de ladite rotation, l’entrefer étant proportionnel à ladite force électromotrice ; et - compensation d’une variation circonférentielle de forces de Laplace dans le rotor due à la variation circonférentielle de l’entrefer (2) mesurée.
2. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’étape de compensation de la variation circonférentielle de forces de Laplace dans le rotor comprend la mise en oeuvre de moyens corrigeant l’amplitude du champ magnétique généré par les bobines lorsqu’elles sont parcourues par un courant électrique.
3. 3. Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que la correction du champ magnétique comprend une amplification du courant électrique circulant dans les bobines.
4. 4. Méthode selon l’une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les moyens de correction du champ magnétique généré par les bobines sont mis en oeuvre au niveau de l’alimentation générale de la machine électrique, telle qu’un onduleur.
5. 5. Méthode selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les moyens de correction du champ magnétique généré par les bobines sont mis en oeuvre au niveau de l’alimentation des bobines.
6. 6. Méthode selon l’une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les moyens de correction du champ magnétique généré par les bobines comprennent des composants électroniques de puissance connectés aux bobines.
7. 7. Méthode selon l’une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que la correction du champ magnétique généré par les bobines comprend une variation du nombre de spires des bobines.
8. 8. Méthode selon l’une des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que les moyens de correction du champ magnétique généré par les bobines comprennent un circuit répartiteur de courant et/ou de tension parmi les bobines.
9. 9. Méthode selon l’une des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que le champ magnétique est corrigé par l’application au courant parcourant les bobines d’un gain proportionnel au rapport entre un entrefer moyen et l’entrefer au niveau de la bobine concernée.
10. 10. Machine électrique (10) comprenant un rotor (3) et un stator (1), le stator comprenant plusieurs bobines (4) réparties à la circonférence du stator et aptes à générer un champ magnétique lorsqu’elles sont parcourues par un courant électrique, caractérisé en ce que ladite machine comprend, en outre, des moyens configurés pour corriger l’amplitude du champ magnétique généré par les bobines de manière à compenser localement une variation circonférentielle de forces de Laplace dans le rotor, ladite variation étant due à une excentricité entre le stator et le rotor.