FR3097703A1 - Moteur épicycle - Google Patents

Abstract

Machine électrique à courant continu tournante autour d’un axe (Δ) de transmission constituée : D’un Rotor composé d’un cylindre inducteur (Ci) dont l’axe (d) parallèle à (Δ) tourne autour de (Δ) a une vitesse angulaire lente ω et comportant une pluralité de secteurs d’aimants inducteurs (Sa) de directions d’aimantation perpendiculaire à (Δ) et de sens alternés pour deux secteurs adjacents. D’un stator cylindrique d’axe (Δ) séparé dudit cylindre inducteur du rotor par un entrefer (e1) et comportant des encoches portant des conducteurs tels que deux encoches adjacentes sont parcourues des courants de polarités alternés. Caractérisée en ce que : Lesdits secteurs d’aimants (Sa) du cylindre inducteur tournent autour de l’axe (d) dudit cylindre à une vitesse de rotation rapide (Q. ω) et sont animés dans le référentiel de la machine, d’un mouvement qui est la composée d’une rotation rapide (R. ω) propre autour de leur axe (d) et de la rotation plus lente (ω) du cylindre du rotor autour de (Δ).

Description

Moteur Epicycle

Dans la suite on appelle machine électrique un dispositif électromagnétique réversible pouvant fonctionner aussi bien en moteur électrique qu’en génératrice. Le domaine de l’invention est le domaine des machines électriques à courant continu, sans commutation, de petite ou grande dimension pour des applications de faibles puissances (petits actionneurs électriques) ou de fortes puissances (production d’électricité ou traction électrique).

Parmi les machines à courant-continu sans dispositif de commutation de courant, on connaît les machines « homopolaires » dont les lignes d’induction dans l’entrefer sont toujours dans le même sens sur toute la surface de l’entrefer. Les machines homopolaires du type « roue de Barlow » se sont essentiellement développées dans la configuration dite « machine de Poirson ». On connaît leurs avantages : Robustesse, commande très simple, silence, collecteur simple sans commutation de courant. Néanmoins, le principal inconvénient est qu’elles ont par construction un seul tour de bobinage induit, ce qui impose un fonctionnement à faible tension et très fort courant.
Citons leurs applications déjà anciennes en Electrolyse (On connaît des machines de type 600 kW, 12V, 50000 A). De nos jours, seule une application pour la propulsion marine semble proposée, du fait notamment du silence de ces moteurs.

Partant, historiquement, les machines à courant continu à collecteur commutateur (machine cc) les ont remplacées car elles permettent la mise en série de multiple spires et la diminution de l’ampérage associé.
On sait leurs gros avantages : réglage facile de la vitesse, du couple et du sens de rotation à travers une commande facile, mais aussi leur gros inconvénient du à leur collecteur à commutation de courant qui est complexe de réalisation, siège d’arcs électriques au moment de la commutation (donc leur emploi impropre dans certains environnement) qui l’usent rapidement, génèrent des parasites, les problèmes de frettage, de brasage des lames de collecteur etc. Bien qu’encore largement utilisées à cause de leurs avantages, de par les inconvénients liés à ces machines, on préfère souvent actuellement aux moteurs à courant continu à collecteur d’autres machines telles que les machines synchrones autopilotées, les machines à réluctance variable, les moteurs dits « brushless » (ou sans « balais ») connues de l’homme de métier mais qui ont aussi leurs inconvénients divers (commande par électronique de puissance pilotée par capteurs de positions, modélisation complexe, bruits …). On trouve de nombreux ouvrages dans la littérature procurant une vision synthétique de l’ensemble des principes régissant ces machines. Par exemple : « Les moteurs électriques expliqués aux électroniciens : Réalisations pratiques - démarrage, variation de vitesse, freinage » de Gérard Guihéneuf aux éditions Elektor.

Les dispositifs classiques de l’art antérieur sont aussi décrits dans le livre « Motors for Makers » de Matthew Scarpino éditions « Que » auquel les renvois de pages ci-dessous font référence.

L’invention telle qu’elle va être décrite concerne donc un moteur à courant continu d’un nouveau type conservant les avantages des moteurs à courants continus et qui pallie aux inconvénients mentionnés. Elle est donc distinguable de toute forme d’art antérieur en ce sens que la machine décrite ci-après n’est pas monospire, ne comporte pas de contacts électriques en friction et de dispositifs de commutation mécanique (collecteur commutateur de courant) tels qu’on en trouve dans les moteurs dits « brushed » (p34) et qu’elle ne comporte pas de capteur de position et de dispositifs d’ électronique de puissance de commutation asservis tels qu’on en dispose dans les moteurs dit « Brushless » (p42). Economiquement, cette machine permet donc d’économiser un collecteur mécanique ou l’intégralité de l’électronique de régulation.

Dans la demande de brevet français enregistrée sous le numéro 18/00836 déposée le 02/08/2018 on décrit un concept de base pour lequel l’invention en objet dans cette demande est un perfectionnement. Tout en étant dans la dépendance de la demande de base, cette nouvelle demande propose une structure simplifiée selon de nouveaux concepts inventifs.
Nous en rappelons les principes de la première demande ci-après.
Dans la demande citée, on décrit un certain nombre de structures à deux dimensions au sens où les lignes des champs magnétiques n’ont pas de composantes axiales et sont identiques quelle-que-soit l’endroit où l’on considère une coupe perpendiculaire à l’axe de rotation et fonctionnant aussi bien en moteur qu’en génératrice. Toutes les structures ont un rotor composé au moins d’une partie tournante qui comporte des aimants et des pièces ferromagnétiques aptes à faire circuler le flux magnétique créé.

Dans les machines décrites dans la demande citée, on dispose de parties que l’on nommait « couronnes ». On entend par le mot « couronne » une partie du moteur le plus souvent à symétrie orthogonale par rapport à l’axe (Δ) tournante autour de (Δ) composée d’une ou plusieurs pièces.

Par définition on appelait :
« Couronne inductive » (CO_i) la partie du rotor composée de 2N cylindres portant des aimants inducteurs ainsi que des pièces ferromagnétiques permettant de refermer le flux magnétique et formant l’entrefer (e1) avec le stator.
« Couronne d’axe » (CO_a) la partie du rotor (ferromagnétique ou non) solidaire de l’axe de la machine pour la première structure et constituant le bâti du stator pour la deuxième structure. Cette couronne est donc nommée en référence à la première structure. Cette couronne pourra permettre de refermer le flux magnétique de la machine.
« Couronne courant » (CO_c) la partie du stator (première structure) ou du rotor qui comprend les conducteurs alimentés en courant continu de la machine.
En se limitant à une première structure de machine décrite, les parties mobiles au rotor de la machine sont la « Couronne inductive » (CO_i) et la « Couronne d’axe » (CO_a). Le stator est fixe et consiste en la « Couronne courant» (CO_c) qui comprend les conducteurs alimentés en courant continu de la machine.
Les deux parties mobiles du rotor sont liées mécaniquement et mobiles en rotation par rapport à un stator.

Dans ladite structure, les bobinages étant présents au stator, il n’est donc pas besoin de dispositifs de type « slip-ring » ou contacts tournants pour faire parvenir un courant au niveau d’un Rotor.

L’idée fondamentale de l’invention de base consistait à donner aux parties mobiles de la machine qui comprennent des aimants inducteurs un double mouvement relatif. L’un concerne la rotation autour de leurs axes propres des pièces portant les aimants et l’autre un mouvement de rotation de la couronne inductrice du rotor qui inclut également les pièces portant les aimants. Dans les machines classiques, lors de la rotation du rotor sur une période, le champ magnétique inducteur est dirigé alternativement vers des courants de polarités opposées engendrant ainsi un couple alternatif de résultante nulle. Pour obtenir un couple positif, il faut donc inverser périodiquement le courant soit mécaniquement comme dans les machines à courant continu, soit par une commande électronique. L'idée est donc la suivante : au lieu d'inverser le sens du courant, on va le garder constant mais inverser le sens du champ magnétique d'induction et cela de manière naturelle sans intervention extérieure, lors de la rotation du rotor. Ceci ne peut être réalisé efficacement qu’avec le mouvement composé de deux rotations proposé selon l’invention pour lequel les directions initiales d’aimantation se retrouvent lorsque le rotor tourne de .

Le calcul montre alors que la composante du tenseur de Maxwell B_N.H_T, dans laquelle B_Nest la composant normale du champ magnétique et H_Tla composante tangentielle dans l’entrefer, est significative et non nulle. L’idée fondamentale de la conception selon l’invention est de faire tourner l’induction B_Ndans l’entrefer (e1) plus rapidement que le rotor de façon à ce que le produit B_N.H_Treste en moyenne largement positif sur une révolution du moteur.

Pour ce faire, dans cette première demande, on met en rotation par un jeu mécanique d’engrenages la couronne inductrice du rotor équipée de cylindres d’axes (dk) et munis d’aimants tout en veillant à ce que les directions d’aimantation tournent Q fois plus rapidement que le rotor lui-même. Ainsi, le mouvement du vecteur « aimantation » porté par un cylindre est une composition de deux rotations : la rotation des cylindres sur eux-mêmes suivi de la rotation autour de l’axe (Δ) du rotor qui comprend ces cylindres.

On a donc décrit dans la demande précitée des structures qui relèvent d’un même principe de machine électrique à courant continu tournante autour d’un axe (Δ) de transmission constituée :
D’un Rotor composé d’au moins une couronne inductrice (CO_i), tournante autour de (Δ) a une vitesse angulaire ω et comportant des aimants inducteurs dont l’aimantation est perpendiculaire à (Δ).
D’un stator cylindrique d’axe (Δ) séparé de ladite couronne du rotor par un entrefer (e1).
Caractérisée en ce que:
Lesdits aimants de la couronne sont animés dans le référentiel de la machine, d’un mouvement qui est la composée d’une rotation rapide (Q. ω) propre autour de leurs axes (d_k) et de la rotation plus lente (ω) de la couronne inductrice du Rotor.
Par axes (d_k) des aimants, on désigne dans la demande précédente l’axe des pièces cylindriques qui les portent.

On comprend donc que chaque extrémité d’un vecteur « aimantation » porté par une pièce cylindrique décrit ce qu’on appelle mathématiquement un épicycle, c’est-à-dire un mouvement qui est la composée d’une rotation propre du cylindre sur lui-même, le centre dudit cylindre subissant lui-même une rotation plus lente autour de l’axe de soulèvement du Rotor de la machine.

Les perfectionnements apportés aux concepts de la première demande sont les suivants :
Dans la demande citée, pour des raisons de symétrie de réalisation, il était envisagé un nombre pair de cylindres composant la couronne inductive. Les cylindres de la couronne avaient un diamètre sensiblement plus petit que le rayon intérieur (r) du stator - ou du rayon de l’espace balayé par le rotor qui est sensiblement le même à l’entrefer près- de façon à maximiser les couples obtenus et la symétrie de rotation du rotor. Cependant, la conception mécanique était plus complexe. Pour des raisons de simplicité de réalisation on propose dans la présente demande une structure comprenant un seul cylindre dans la couronne inductive, dont l’axe est bien-sûr distinct de l’axe du rotor et dont le diamètre est inférieur au diamètre intérieur du stator, afin de conserver le mouvement épicycle, mais pouvant être supérieur à son rayon (r). En quelque-sorte, le rotor se compose uniquement d’un seul cylindre en mouvement, d’un axe central (Δ) et des éléments mécaniques de liaison entre les deux.

En conséquence, et afin de s’assurer du bon fonctionnement de la machine, on disposera d’une nouvelle caractéristique, comme il sera décrit plus loin, qui consistera à disposer de secteurs d’aimants adjacents de sens d’aimantation alternés portés par l’unique cylindre de la couronne inductive. Par rapport à la demande brevet initiale, c’est cette caractéristique qui autorise également à se passer d’un retour ferromagnétique du flux d’induction à travers une couronne d’arbre ferromagnétique qui n’existe pas nécessairement ou des cylindres adjacents ferromagnétiques qui n’existent plus. Le retour ferromagnétique du flux d’induction se fait dont directement entre deux aimants adjacents via le stator.

On va donc décrire une machine électrique à courant continu tournante autour d’un axe (Δ) de transmission constitué :
D’un Rotor composé d’un cylindre inducteur (C_i) dont l’axe (d) parallèle à (Δ) tourne autour de (Δ) a une vitesse angulaire lente ω et comportant une pluralité de secteurs d’aimants inducteurs (Sa) de directions d’aimantation perpendiculaire à (Δ) et de sens alternés pour deux secteurs adjacents.
D’un stator cylindrique d’axe (Δ) séparé dudit cylindre inducteur du rotor par un entrefer (e1) et comportant des encoches portant des conducteurs tels que deux encoches adjacentes sont parcourues des courants de polarités alternés.
Caractérisée en ce que :
Lesdits secteurs d’aimants (Sa) du cylindre inducteur tournent autour de l’axe (d) dudit cylindre à une vitesse de rotation rapide (Q. ω) et sont animés dans le référentiel de la machine, d’un mouvement qui est la composée d’une rotation rapide (R. ω) propre autour de leur axe (d) et de la rotation plus lente (ω) du cylindre du rotor autour de (Δ).

Le stator consiste en un cylindre ferromagnétique creux extérieur qui comprend 2N encoches (E_k) portant des bobinages agencés de façon à faire circuler dans les conducteurs logés dans les encoches un courant axial continu de polarité alternée + et - pour deux encoches voisines.
Selon l’invention, le but est de faire en sorte que, lorsque le centre du cylindre de la couronne inductrice tourne autour de l’axe (Δ) de la machine à la vitesse ω alors le cylindre de ladite couronne tourne sur lui-même à la vitesse Q. ω.

Par ailleurs la géométrie épicycle à un seul cylindre permet de prévoir des rapports de type rationnel:
Q= vitesse de rotation cylindre/vitesse de rotation rotor (couronne inductive)= m/n
Alors que pour les machines à symétrie orthogonale de la demande précitée, ce rapport était plutôt un nombre entier.

Par exemple, pour n (6) secteurs d’aimants au cylindre du rotor et m (8) encoches au stator, le rotor fait 1/n (6) tour quand le cylindre fait 1/m (8) tour. Le cylindre tourne sur lui-même m/n (8/6 = 4/3) fois plus vite que le rotor. Dans ce qui suit, on parlera indifféremment « d’aimants » ou de « secteur d’aimants ».

Les figures suivantes vont nous permettre maintenant de décrire l’invention de façon précise : , [Fig 2], [Fig 3], [Fig 4] et [Fig 5] illustrent une machine à 8 encoches (Ek) au stator portant les conducteurs dont on a représentés le sens de circulation (+,-) des courants et 6 secteurs aimantés au rotor d’une machine à un seul cylindre selon des coupes perpendiculaires à l’axe de rotation (Δ), illustrant notamment les sens d’aimantation des secteurs d’aimants du cylindre inducteur de la première couronne du Rotor. Dans cette machine, le diamètre (di) du cylindre inducteur est supérieur au rayon (r) du stator.

représente l’évolution des mouvements relatifs du rotor par rapport au stator selon l’invention dans le cas favorable où les aimants tournent sur eux-mêmes dans le sens inverse du rotor (axe (Δ)). [Fig 1] montrent 3 positions de la machine représentées avec le stator fixe. L’évolution des angles a et b de la figure représentent respectivement le mouvement antihoraire de l’axe du cylindre (Ci) donc du rotor et le mouvement horaire correspondant à la rotation du cylindre sur lui-même.

On constate que les premières et troisièmes positions (pour et ) sont équivalentes vis-à-vis des interactions magnétiques entre les encoches du stator et les aimants du rotor (polarités identiques en vis-à-vis).

De manière équivalente aux figures précédentes, , [Fig 3], [Fig 4], [Fig 5] représentent des schémas de simulation d’une machine à un seul cylindre pour quatre positions du rotor celui-ci par rapport au stator. Ces schémas ont été obtenus par implantation de la structure dans le logiciel de simulation 2D FEMM. Dans ces représentations, pour la commodité des simulations le stator « tourne ». Naturellement seul compte la position relative du cylindre (Ci) par rapport au stator.

Ces figures permettent de représenter les différents matériaux à utiliser pour la réalisation de la machine. « Pure Iron » représente les matériaux ferromagnétiques, « Copper+ » ou « Copper- » représentent les conducteurs de cuivre logés dans les encoches (E_k) et le sens du courant associé. On reconnait également l’entrefer (Air) et les secteurs aimantés (Aimant) du cylindre inducteur (Sa) dont les sens d’aimantation sont représentés. On voit que c’est par l’alternance des sens d’aimantations du cylindre et le choix du rapport R des vitesses de l’épicycle, que le dispositif peut proposer un couple moteur toujours bien orienté. Les figures reprennent l’exemple pour lequel on a disposé n (6) aimants au rotor et m (8) encoches au stator, Le cylindre tourne sur lui-même 4/3 fois plus vite que le rotor.

est la position de départ. [Fig 3] est la position obtenue à partir de la position initiale après une première rotation du rotor de et une rotation en sens inverse des aimants de . On comprend que le choix des angles de rotation pour la représentation du phénomène correspond au rapport des vitesses, soit 4/3 dans l’exemple. est la position obtenue à partir de la seconde position après une rotation du rotor de et une rotation en sens inverse des aimants de . est la position obtenue à partir de la troisième position après une rotation du rotor de et une rotation en sens inverse des aimants de .
On voit que l’on revient après un quatrième incrément angulaire à une position équivalente à la position initiale vis-à-vis des interactions magnétiques entre les encoches du stator et les aimants du rotor (polarités identiques en vis-à-vis).

montre une solution mécanique selon une coupe suivant le plan (A) de la figure I afin que le cylindre inducteur tourne Q fois plus lentement autour de (Δ) que la rotation propre du cylindre autour de (d). L’axe (d) du cylindre tourne à la vitesse du rotor autour de l’axe (Δ) de la machine. Une couronne d’engrenage solidaire du stator, un engrenage (EgC) solidaire du cylindre, et un palier à roulement à billes mécanique (RB) transmettent la rotation du cylindre autour de son axe (d) à l’axe (Δ) du rotor. Dans l’exemple on prend le diamètre de l’engrenage (EgC) égal à 3/4 du diamètre du Rotor, ce qui dimensionne également la distance du pallier de transmission à l’axe au quart du rayon rotor, on réalise ainsi le rapport de vitesse souhaité. Dans le cas général, le rapport des vitesses rotation rotor/vitesse rotation cylindre vaut le rapport du diamètre de l’engrenage sur le diamètre du Rotor. Notons que dans le cas illustrés, le cylindre tourne dans un sens opposé à la couronne d’axe, ce qui est favorable à l’obtention d’un couple maximal comme le montre les calculs.

Il est bien clair que cette machine a l’énorme avantage de la simplicité par rapport aux machines multicylindres précédemment décrites. Il subsiste un inconvénient : Des efforts radiaux tournants dissymétriques peuvent entrainer un déséquilibre du moment d'inertie du rotor, de fortes vibrations liées à un phénomène de « balourd » mécanique. Pour le minimiser, on pourra prévoir une ou plusieurs pièces ferromagnétiques liées à la couronne en vis-à-vis du cylindre inducteur et tournant (lentement) avec elle. Simplement, une pièce (P1) pourra s’insérer dans l’espace entre le cylindre et le stator. Une autre pièce (P2) pourra s’insérer latéralement dans l’espace entre le rotor et le stator en formant un nouvel entrefer du côté opposé à l'entrefer actif, elle pourra comporter alors une partie aimantée pour une meilleure symétrie de compensation du balourd lié au cylindre. Ces pièces, matérialisées en pointillé sur permettent de réintroduire des efforts radiaux opposés et d'équilibrer le moment d'inertie sans diminuer les performances de couple.

Une autre solution alternative consiste à mettre en ligne 2 machines similaires agencées de manière à ce que la position des monocylindres donne des efforts radiaux opposés. Les deux parades peuvent naturellement se combiner.

Par ailleurs on distingue sur la figure les têtes des bobinages inducteurs (TB), les différents roulements à billes (RB) ou simples paliers lisses nécessaires à la rotation autour des axes de la machines ((Δ) et l’axe du cylindre (C), les aimants dont les sens d’aimantation sont représentés par des flèches, l’entrefer (e1).

Il est à noter qu’en fonction des configurations possibles de la machine, le sens de rotation des cylindres peut être opposé ou de même sens à celui du rotor de manière à obtenir un couple résultant qui soit optimal et significatif. Il est évident que d’autres choix de nombres d’encoches m et de secteurs aimantés n sont possibles. En particulier m=10 et n=8 semble donner d’intéressantes performances.

Nous mentionnerons également que la machine est sensible à la forme des encoches de la couronne de conducteurs et qu’il est utile pour ses performances de prévoir un optimum de largeur (en conservant toutefois suffisamment de fer) pour garder une linéarité en courant la meilleure possible de façon que, par exemple, si on double le nombre de tour de bobinage, on double à peu près le couple.

Nous mentionnons également le fait que, tout en gardant les principes fondateurs de l’invention, les aimants inducteurs du cylindre pourraient être remplacés par des bobinages. Il faudrait alors adjoindre au rotor une bague lisse de type joint tournant (« slip-ring » pour amener un courant continu d’excitation au rotor.

Il est bien entendu que la machine selon l’invention fonctionne en moteur ou réciproquement en générateur en vertu du principe de réciprocité qui préside à ce type de machine. Le fonctionnement en générateur est particulièrement séduisant, car il transforme un mouvement mécanique qui peut-être lent (éolienne…) en un générateur de courant continu sans aucun besoin d’électronique complémentaire de redressement par exemple. Un intérêt supplémentaire de la machine est de ne nécessiter aucune compétences transverses dans la mise à mise de ces machines qu’elles soient informatiques, électroniques ou système.

La commande d’une machine électrique selon l’invention est donc extrêmement simple. Il suffit d’alimenter les conducteurs du stator avec un courant d’une certaine intensité pour obtenir un couple proportionnel audit courant, ou d’augmenter la tension d’alimentation pour obtenir une vitesse proportionnelle.

Réciproquement, la machine pouvant fonctionner comme on l’a dit en générateur, on recueillera une tension d’autant plus élevée que le Rotor tournera vite.

Claims (7)

1. Machine électrique à courant continu tournante autour d’un axe (Δ) de transmission constituée :
   D’un Rotor composé d’un cylindre inducteur (C_i) dont l’axe (d) parallèle à (Δ) tourne autour de (Δ) a une vitesse angulaire lente ω et comportant une pluralité de secteurs d’aimants inducteurs (Sa) de directions d’aimantation perpendiculaire à (Δ) et de sens alternés pour deux secteurs adjacents.
   D’un stator cylindrique d’axe (Δ) séparé dudit cylindre inducteur du rotor par un entrefer (e1) et comportant des encoches portant des conducteurs tels que deux encoches adjacentes sont parcourues des courants de polarités alternés. Caractérisée en ce que lesdits secteurs d’aimants (Sa) du cylindre inducteur tournent autour de l’axe (d) dudit cylindre à une vitesse de rotation rapide (Q. ω) et sont animés dans le référentiel de la machine, d’un mouvement qui est la composée d’une rotation rapide (R. ω) propre autour de leur axe (d) et de la rotation plus lente (ω) du cylindre du rotor autour de (Δ).
2. Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que le diamètre (di) du cylindre inducteur est supérieur au rayon intérieur (r) du stator.
3. Machine électrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce qu’elle possède m encoches au stator et n aimants au rotor et que le rapport entre de vitesse Q entre la vitesse de rotation du cylindre autour de son axe (d) et celle de son axe (d) autour de l’axe (Δ) de la machine soit m/n.
4. Machine électrique selon les revendications 1, 2 ou 3 caractérisée en ce que les efforts électromagnétiques sur le cylindre inducteur sont transmis à l’axe (Δ) par un système d’engrenages dont le rapport de réduction correspond audit rapport Q de vitesses.
5. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en que les aimants inducteurs du cylindre sont remplacés par des bobinages parcourus par un courant continu fourni au cylindre à travers un joint tournant.
6. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu’elle comporte au moins une pièce (P1, P2, …) ferromagnétique solidaire du rotor et destinée à compenser l’effet balourd du cylindre inducteur.
7. Machine électrique caractérisée en ce qu’elle comporte au moins 2 machines selon l’une quelconque des revendications précédentes placées en séries de manière à ce que l’effet balourd de l’une compense celui de l’autre.