FR3099859A1 - Machine électrique pour une hybridation d’un aéronef - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un ensemble constituant une phase d’une machine électrique machine électrique comportant un stator (1) et un rotor (2) d’axe X, le stator (1) comportant une unique bobine d’excitation (3), une unique bobine d’induit (4), des pièces polaires (5) magnétiques agencées par paires et réparties sur la circonférence du stator (1) et une couronne (60) magnétique reliant les pièces polaires (5), la bobine d’excitation (3) et la bobine d’induit (4) étant communes à plusieurs paires de pièces polaires (5), le stator et le rotor (2) étant conçus pour, lors de la rotation du rotor (2) par rapport au stator (1), faire varier le sens du flux magnétique dans la bobine d’induit (4), le sens du flux magnétique généré par la bobine d’excitation (3) étant constant au niveau du rotor (2).
Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3
Description
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne une machine électrique à courant alternatif, à mouvement rotatif ou linéaire, en particulier configurée pour être intégrée dans un aéronef hybride.
Etat de la technique antérieure
Le domaine de l’aéronautique fait aujourd’hui face au défi de l’hybridation des aéronefs, c’est-à-dire l’aptitude à combiner l’utilisation des énergies fossiles, majoritairement aujourd’hui du kérosène, à d’autres types énergies, telle que par exemple l’énergie électrique.
Pour cela, des travaux ont été nécessaires afin de fiabiliser et d’améliorer l’efficacité des machines électriques.
En particulier, les travaux de ces dernières années ont fait émerger les avantages des machines dites à excitation homopolaire, appelées machines homopolaires dans la suite de ce document, dans le contexte de l’hybridation des aéronefs.
En effet, les machines homopolaires sont particulièrement adaptées à l’environnement des moteurs d’aéronefs, car :
- il y a peu de variation de l’induction au sein du rotor comme dans toute machine synchrone, mais sans intégrer un bobinage ou des aimants au sein de celui-ci (le rotor est dit « passif »): cette caractéristique permet d’utiliser un rotor sous forme d’un assemblage de pièces massives, dont l’intégration est alors possible sur des arbres de turbomachine. De tels rotors présentent par conséquent une meilleure robustesse à haute vitesse et de faibles pertes fer.
- l’excitation est réalisée par une bobine (on parle alors d’excitation bobinée). Cela permet de régler l’excitation et de couper l’excitation lorsqu’un dysfonctionnement est observé. L’excitation est alimentée séparément par du courant continu, ce qui la distingue des machines à réluctance ayant aussi un rotor « passif ».
- il n’y a pas de transmission de puissance vers les parties tournantes comme par exemple des contacts bagues-balais nécessitant de l’entretien. Tout cela contribue à autoriser ce type de machine à fonctionner dans des environnements peu accessibles soumis à de fortes vibrations.
- l’excitation est réalisée par une bobine (on parle alors d’excitation bobinée). Cela permet de régler l’excitation et de couper l’excitation lorsqu’un dysfonctionnement est observé. L’excitation est alimentée séparément par du courant continu, ce qui la distingue des machines à réluctance ayant aussi un rotor « passif ».
- il n’y a pas de transmission de puissance vers les parties tournantes comme par exemple des contacts bagues-balais nécessitant de l’entretien. Tout cela contribue à autoriser ce type de machine à fonctionner dans des environnements peu accessibles soumis à de fortes vibrations.
Parmi les machines homopolaires, certaines topologies permettent d’utiliser exclusivement des bobinages cylindriques (excitation et induit), particulièrement robustes.
La demande de brevet internationale WO 2012/085438 présente un exemple de machine homopolaire présentant de tels avantages.
Bien que de telles machines électriques se révèlent intéressantes, le contexte de l’hybridation des aéronefs rend nécessaire l’étude de l’amélioration du rendement et de la puissance massique des machines électriques embarquées, ainsi que l’étude de la résistance de ces machines électriques aux environnements sévères (vibrations, températures élevées, absence d’intervention de maintenance).
L’objet du présent document est donc de proposer une autre alternative de machine homopolaire à bobinage cylindrique, et de présenter une nouvelle structure de machine électrique avec des qualités, telles que le rendement et la robustesse à haute température, particulièrement adaptées à l’hybridation des aéronefs.
Présentation de l’invention
A cet effet, le présent document propose un ensemble constituant une phase d’une machine électrique comportant un stator et un rotor d’axe X, le stator comportant une unique bobine d’excitation, une unique bobine d’induit, des pièces polaires magnétiques agencées par paires et réparties sur la circonférence du stator et une couronne magnétique reliant les pièces polaires, la bobine d’excitation et la bobine d’induit étant communes à plusieurs paires de pièces polaires, le stator et le rotor étant conçus pour, lors de la rotation du rotor par rapport au stator, faire varier le sens du flux magnétique dans la bobine d’induit, le sens du flux magnétique généré par la bobine d’excitation étant constant au niveau du rotor.
De cette manière, lorsque l’ensemble est intégré dans une machine électrique, l’alternance des premier et second circuits magnétiques permet de faire varier l’orientation du couplage entre la bobine d’excitation et la bobine d’induit suivant les positions respectives du rotor et du stator. Cet ensemble est apte à constituer une phase d’une machine électrique, et donc peut être associé à d’autres ensembles de sorte à former une machine électrique polyphasé. Il peut en outre être utilisé seul dans une machine électrique monophasée.
En fonctionnement, le sens du flux magnétique au sein du rotor ne varie pas. Par ailleurs, en fonctionnement, l’amplitude du champ magnétique au sein du rotor varie peu.
La bobine d’excitation peut être traversée par un courant continu, le courant induit étant un courant alternatif, du fait de l’alternance de sens du flux magnétique.
Les avantages d’une telle machine électrique dépendent des caractéristiques structurelles suivantes :
- La forme annulaire des bobines d’induit et d’excitation : De telles bobines permettent de ne pas avoir de têtes de bobines, dans lesquelles siègent généralement des pertes joules non négligeables. Cela permet en outre de réaliser un bobinage en ruban de feuillard plat où il n’y a aucun rapprochement possible entre des conducteurs autres que ceux de la spire en série suivante. Les tensions entre conducteurs proches sont donc limitées à la tension d’une seule spire et les conducteurs reposent à plat. De ce fait la fiabilité de l’isolation entre les conducteurs est améliorée. L’absence de tête de bobine favorise l’utilisation de conducteurs isolés avec des matériaux dont les rayons de courbures sont limités comme la céramique.
- Une bobine d’induit et une bobine d’excitation qui sont toutes deux globalisées : Le fait d’avoir une bobine d’excitation et une bobine d’induit globalisées, de préférence de forme annulaire, permet d’augmenter le nombre de pôles de la machine sans changer le volume de conducteur. Cela améliore le rendement et la puissance massique de la machine électrique.
- Une seule bobine d’induit annulaire : l’inversion du flux s’obtient au sein de la même bobine d’induit, ce qui permet de réduire environ par deux le volume de conducteur de l’induit par rapport à d’autres structures de machines homopolaires. En effet, dans les autres structures de machines homopolaires à flux transverse et à bobinages annulaires, deux bobines d’induit connectées en opposition sont nécessaires. Les pertes et la masse de conducteur dans l’induit sont donc réduites environ de moitié.
La bobine d’excitation et la bobine d’induit peuvent être situées radialement en regard l’une de l’autre.
- La forme annulaire des bobines d’induit et d’excitation : De telles bobines permettent de ne pas avoir de têtes de bobines, dans lesquelles siègent généralement des pertes joules non négligeables. Cela permet en outre de réaliser un bobinage en ruban de feuillard plat où il n’y a aucun rapprochement possible entre des conducteurs autres que ceux de la spire en série suivante. Les tensions entre conducteurs proches sont donc limitées à la tension d’une seule spire et les conducteurs reposent à plat. De ce fait la fiabilité de l’isolation entre les conducteurs est améliorée. L’absence de tête de bobine favorise l’utilisation de conducteurs isolés avec des matériaux dont les rayons de courbures sont limités comme la céramique.
- Une bobine d’induit et une bobine d’excitation qui sont toutes deux globalisées : Le fait d’avoir une bobine d’excitation et une bobine d’induit globalisées, de préférence de forme annulaire, permet d’augmenter le nombre de pôles de la machine sans changer le volume de conducteur. Cela améliore le rendement et la puissance massique de la machine électrique.
- Une seule bobine d’induit annulaire : l’inversion du flux s’obtient au sein de la même bobine d’induit, ce qui permet de réduire environ par deux le volume de conducteur de l’induit par rapport à d’autres structures de machines homopolaires. En effet, dans les autres structures de machines homopolaires à flux transverse et à bobinages annulaires, deux bobines d’induit connectées en opposition sont nécessaires. Les pertes et la masse de conducteur dans l’induit sont donc réduites environ de moitié.
La bobine d’excitation et la bobine d’induit peuvent être situées radialement en regard l’une de l’autre.
La bobine d’excitation et la bobine d’induit peuvent être situées axialement en regard l’une de l’autre.
La machine électrique peut être agencée en quartiers, chaque quartier s’étendant sur une partie de la circonférence, chaque quartier comportant une bobine d’induit. Une même bobine d’excitation peut coopérer avec plusieurs quartiers. L’utilisation de tels quartiers peut s’avérer intéressante, notamment lors du montage et du démontage des machines électriques. En outre, en utilisant un décalage annulaire approprié pour chacun des quartiers, il possible d’obtenir une machine électrique multiphasée.
Le rotor peut être configuré pour être entrainé en rotation autour de l’axe X.
Chaque paire de pièces polaires peut comporter une première pièce polaire et une seconde pièce polaire, lesdites pièces polaires comprenant chacune au moins un logement, la bobine d’excitation étant disposée dans les logements desdites premières et secondes pièces polaires et la bobine d’induit étant disposée en regard de ladite couronne.
Les logements des pièces polaires peuvent s’étendre radialement et déboucher radialement vers l’intérieur.
Les logements des pièces polaires peuvent également s’étendre axialement, et déboucher circonférentiellement axialement.
Plusieurs paires de pièces polaires peuvent être disposées sur la circonférence du rotor.
La première pièce polaire et la seconde pièce polaire de chaque paire peuvent comporter respectivement une première portion axiale et une seconde portion axiale, s’étendant selon l’axe X et radialement en regard de la couronne magnétique, les première et seconde portions axiales étant situées respectivement radialement à l’intérieur et radialement à l’extérieur de la couronne magnétique.
Similairement, la première pièce polaire et la seconde pièce polaire de chaque paire peuvent comporter respectivement une première portion radiale et une seconde portion radiale, s’étendant transversalement à l’axe X et radialement en regard de la couronne magnétique, les première et seconde portions radiales étant situées respectivement axialement de part et d’autre de la couronne magnétique.
Les portions axiales ou radiales des pièces polaires sont ainsi situées alternativement de part et d’autre de la couronne magnétique, sur toute la circonférence.
Dans un premier cas de figure, chaque pièce polaire peut comporter une première partie s’étendant radialement, une seconde partie s’étendant radialement, la première partie et la seconde partie étant décalées axialement l’une de l’autre et reliées l’une à l’autre par une partie de liaison s’étendant axialement, les première et seconde partie radiale et ladite partie axiale de liaison délimitant le logement de la pièce polaire.
La partie de liaison peut s’étendre entre les extrémités radialement externes des première et seconde parties radiales, le logement débouchant alors radialement vers l’intérieur.
Dans un deuxième cas de figure, chaque pièce polaire peut comporter une première partie s’étendant axialement selon l’axe X, une seconde partie s’étendant axialement selon l’axe X, la première partie et la seconde partie étant décalées radialement l’une de l’autre et reliées l’une à l’autre par une partie de liaison s’étendant radialement, les première et seconde radiale et ladite partie axiale de liaison délimitant le logement de la pièce polaire.
La partie de liaison peut s’étendre entre les extrémités axiales des première et seconde parties axialement, le logement débouchant alors axialement.
Ladite portion axiale ou radiale de chaque pièce polaire, située en regard de la couronne, peut s’étendre depuis une extrémité, de la seconde partie ou de la première partie, radiale ou axiale de la pièce polaire correspondante.
La bobine d’induit, la couronne magnétique et les première et seconde parties radiales des pièces polaires peuvent être situées radialement ou axialement en regard les unes par rapport aux autres, la bobine d’induit étant située axialement entre la seconde partie radiale et la couronne magnétique.
La couronne magnétique et/ou lesdites pièces polaires peuvent comporter au moins une partie réalisée à partir de tôles magnétiques feuilletées isolées électriquement les unes des autres.
Une telle structure permet de réduire les pertes par courants de Foucault.
Le rotor peut comporter une partie annulaire comportant des dents réparties sur la circonférence. Entre les dents adjacentes sont définis des créneaux, pouvant par exemple être régulièrement répartis sur la circonférence de la partie annulaire.
L’ensemble constituant une phase d’une machine électrique peut comporter un carter annulaire qui peut être disposé radialement autour du stator.
Le rotor peut comprendre :
- au moins un cylindre creux ou plein ;
- au moins une première couronne montée autour du cylindre creux et comprenant des créneaux régulièrement répartis sur la circonférence de la première couronne,
- au moins une deuxième couronne montée autour du cylindre creux et comprenant des créneaux régulièrement répartis sur la circonférence de la deuxième couronne.
Les première et deuxième couronnes peuvent être disposées de sorte à être décalées d’un angle de 180 degrés divisé par le nombre de paires de pièces polaires. Ainsi, lorsque les pièces polaires magnétiques sont disposées sur toute la circonférence du stator, un angle entre une dent de la première partie annulaire et une dent adjacente de la deuxième partie annulaire peut être égal à 180 degrés divisé par le nombre de paires de pièces polaires. Les premières et deuxièmes couronnes peuvent être réalisées en tôles feuilletées.
Le cylindre creux ou plein peut être réalisé en matériau non feuilleté, c’est-à-dire de façon monobloc. Le cylindre creux est ainsi apte à s’insérer sur un arbre de turbomachine.
Le cylindre permet de fermer magnétiquement, le circuit entre les pièces d’une paire de pièces polaires, par le biais des dents desdites première et deuxième couronnes dentées. Les créneaux, délimités par les dents, constituent quant à eux un barrage de flux : à travers l’air, le flux passe difficilement.
L’invention concerne également un procédé d’assemblage d’un stator d’un ensemble constituant une phase d’une machine électrique d’axe X selon du type précité, comprenant les étapes suivantes :
a) disposer les paires de pièces polaires sur la circonférence du stator autour de la bobine d’excitation, les première et seconde pièces polaires des différentes paires étant disposées en alternance, la bobine d’excitation annulaire étant positionnée de façon à s’étendre dans les logements des pièces polaires;
b) disposer la bobine d’induit axialement en regard des portions axiales des pièces polaires et radialement en regard de la bobine d’excitation,
c) disposer la couronne feuilletée axialement en regard des portions axiales des pièces polaires et radialement en regard de la bobine d’induit.
L’invention concerne également une machine électrique monophasée comprenant un ensemble constituant une phase d’une machine électrique tel que décrit ci-dessus, dans laquelle les pièces polaires de l’ensemble sont disposées sur la circonférence du stator.
Une telle machine électrique monophasée est ainsi apte à délivrer un courant monophasé, fourni par l’ensemble. Dans cette structure, l’unique bobine d’induit forme alors un anneau, de dimensions similaires à la bobine d’excitation et à la couronne magnétique. De plus, la bobine d’induit est commune à l’ensemble des pièces polaires disposées sur toute la circonférence du stator.
Le présent document porte également sur une machine électrique polyphasée comprenant plusieurs ensembles constituant une phase de la machine électrique polyphasée. Chacun de ces ensembles comprend des pièces polaires disposées sur la circonférence du stator de l’ensemble considéré.
Ainsi, dans une telle machine électrique polyphasée, les rotors des ensembles sont arrangés coaxialement le long d’un axe commun.
Le présent document porte également sur une machine électrique polyphasée comprenant au moins deux ensembles constituant une phase d’une machine électrique tels que décrits ci-dessus, placés côte à côte et décalés angulairement.
Dans une machine électrique polyphasée, les ensembles constituant une phase de la machine électrique peuvent avoir en commun un rotor de la machine électrique, qui joue le rôle de rotor pour chacun des ensembles, une bobine d’excitation annulaire, qui joue le rôle de bobine d’excitation pour chacun des ensembles. Chaque ensemble comprend alors un secteur annulaire de couronne magnétique qui relie les paires de pièces polaires comprises dans chacun des ensembles.
Les ensembles sont alors disposés autour du rotor commun, de sorte à occuper chacun un secteur angulaire.
Les uniques bobines d’induit des au moins deux ensembles monophasés, forment chacune une boucle respectivement autour des pièces polaires des ensembles.
Brève description des figures
Description détaillée de l’invention.
Les figures 1 à 12 illustrent la structure et le fonctionnement d’un ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon une première forme de réalisation de l’invention. Dans le premier mode de réalisation, cet ensemble est dit « annulaire ».
L’ensemble comporte un stator 1 et un rotor 2 apte à pivoter par rapport au stator 1 autour d’un axe noté X dans la suite de la description.
Les termes radialement et axialement sont définis par rapport à l’axe de rotation X du rotor 2.
Une première forme de réalisation d’une portion de stator est illustrée à la figure 1. Le stator 1 comprend une couronne magnétique 60, autour de laquelle sont disposées circonférentiellement des pièces polaires magnétiques 5. Ces pièces polaires sont agencées par paire 5’, 5’’.
Comme cela est visible à la figure 3, le stator comprend en outre une unique bobine d’excitation 3 et une unique bobine d’induit 4, chaque bobine présentant une forme annulaire d’axe X. Chaque bobine 3, 4 est formée de spires en matériau conducteur isolé, comme cela est connu en soi. La bobine d’induit 4 est unique et a une forme générale de cercle ou de cylindre.
La structure des pièces polaires est mieux visible à la figure 4. Les pièces polaires 5 sont réalisées à partir d’un empilement de tôles en matériau ferromagnétique, par exemple en fer cobalt ou fer silicium. Il est également envisageable que les pièces polaires 5 soient réalisées à partir de poudres magnétiques où à partir de tôles disposées radialement. Chaque pièce polaire 5 comporte une première partie radiale 5a et une seconde partie radiale 5b, décalées axialement l’une de l’autre et reliée à leurs extrémités radialement internes, par une partie de liaison 5c s’étendant axialement. La partie de liaison 5c et les parties radiales 5a, 5b délimitent un logement 7 débouchant radialement vers l’intérieur.
Une portion axiale 5d s’étend depuis la seconde partie radiale 5b. Les pièces polaires 5 sont agencées par paire réparties successivement sur toute la circonférence de la couronne magnétique 60. La couronne magnétique 60 peut avantageusement être réalisée par un empilement de tôles, comme illustré à la figure 4.
Chaque paire 5 comporte une première pièce polaire 5’ et une seconde pièce polaire 5’’. La portion axiale 5d de chaque première pièce polaire 5’ s’étend depuis l’extrémité radialement interne de la seconde partie radiale 5b correspondante, comme illustré à la figure 4 notamment. La portion axiale 5d de chaque seconde pièce polaire 5’’ s’étend depuis l’extrémité radialement externe de la seconde partie radiale 5b correspondante.
Comme on le voit à la figure 3, les portions axiales 5d s’étendent axialement en regard de la couronne magnétique 60. En particulier, les portions axiales 5d des premières et seconde pièces polaires 5’, 5’’ s’étendent, de façon alternée, radialement à l’extérieur et radialement à l’intérieur de la couronne magnétique 60. Il est à noter que la couronne magnétique 60 est en contact serré avec les pièces polaires afin de permettre le passage du flux magnétique, et assurer ainsi la continuité du circuit magnétique.
Pour toutes les formes de réalisations présentées dans le présent document, il est envisageable que l’ensemble des pièces polaires ainsi que la couronne forme une seule pièce. Dans ce cas particulier, la fabrication de l’ensemble est réalisée à partir de poudre magnétique.
La bobine annulaire d’excitation 3, d’axe X, est montée dans les logements 7 des pièces polaires.
La bobine annulaire d’induit 4, d’axe X, est montée radialement entre les portions axiales 5d des première et seconde pièces polaires 5’ 5’’. La bobine d’induit 4 est située axialement entre les secondes parties 5b des pièces polaires 5 et la couronne 60 du stator 1.
La figure 2 illustre le rotor de l’ensemble constituant une phase d’une machine électrique, présentant une structure identique pour toute les formes de réalisation présentées dans le présent document.
Le rotor 2 comprend une partie annulaire massive 2a. Cette partie annulaire massive 2a est ici creuse, mais peut également être pleine.
Le rotor 2 comprend également deux parties annulaires 6 comportant des rangées de dents 6b, décalés axialement l’une par rapport à l’autre d’un angle de 180 degrés divisé par le nombre de paires de pièces polaires 5 du stator1. Le nombre de dents 6b est égal au nombre de paires de pièce polaires 5. Ces parties annulaires peuvent être également appelées couronne crénelée. La partie annulaire 6 et les dents 6b sont réalisées par empilage de tôles en matériau ferromagnétique, par exemple en alliage comprenant du fer et du silicium.
Les parties annulaires 6 sont ainsi montées autour de la partie annulaire massive 2a, pouvant être configurée pour être solidaire d’un arbre d’aéronef, de sorte que l’ensemble forme le rotor 2.
Chaque dent 6b s’étend sur une plage angulaire supérieure à la plage angulaire d’extension circonférentielle d’une pièce polaire 5. L’entrefer radial entre les pièces polaires 5 et les dents 6b est noté e aux figures 4 à 6. Cet entrefer peut être compris entre 0,3 et 2 mm, par exemple.
Les figures 5 et 6 illustrent le circuit magnétique, dans deux positions angulaires du rotor 2, établi dans deux plans successifs dans lesquels se trouvent les pièces polaires 5 d’une même paire. Ces figures illustrent ainsi la manière dont la rotation du rotor 2 induit des changements dans la « forme » du circuit magnétique.
Dans la première position angulaire du rotor 2 illustré à la figure 5, le circuit magnétique C1 est illustré à l’aide des pointillés. Dans le premier plan A dans lequel est positionné la première pièce polaire 5’, le flux magnétique traverse donc l’entrefer depuis la dent 6b d’une première partie annulaire 6 du rotor, puis passe à travers la pièce polaire 5’ d’abord par la partie radiale 5a, puis la partie de liaison 5c, et la portion axiale 5d. Le flux magnétique traverse alors la couronne magnétique 60, qui assure la liaison magnétique entre la première pièce polaire 5’ et la deuxième pièce polaire 5’’. Dans le deuxième plan B dans lequel est positionnée la deuxième pièce polaire 5’’, le flux magnétique provenant de la couronne magnétique 60, traverse une partie de la deuxième pièce polaire 5’’, d’abord la portion axiale 5d, puis la portion radiale 5b, le flux magnétique retraverse alors l’entrefer dans le plan B, traverse ensuite la dent 6b de la deuxième couronne crénelée du rotor puis la partie annulaire massive 2a pour rejoindre le point départ initial du plan A comme illustré sur la partie A de la figure 5. Le circuit magnétique ainsi formé a une forme générale de 8, lorsque le plan A est aligné verticalement avec le plan B.
Dans la deuxième position angulaire du rotor illustrée à la figure 6, le circuit magnétique C2 est illustré à l’aide des pointillés. Dans le premier plan A dans lequel est positionnée la première pièce polaire 5’, le flux magnétique traverse donc la portion axiale 5d de la première pièce polaire 5’, puis traverse l’entrefer « e » pour rejoindre la dent 6b d’une première partie annulaire 6 du rotor. Le flux magnétique traverse alors la partie annulaire massive 2a vers la dent 6b, se situant sur une deuxième partie annulaire 6, et se trouvant dans le deuxième plan B successif, où est positionnée la deuxième pièce polaire 5’’. Le flux traverse alors la dent 6b, traverse l’entrefer « e », puis passe à travers la pièce polaire 5’’ d’abord par la partie radiale 5a, puis par la portion axiale 5d. Le flux magnétique traverse alors la couronne magnétique 60, qui assure la liaison magnétique entre la première pièce polaire 5’ et la deuxième pièce polaire 5’’ pour rejoindre le point initial du plan A. Le circuit magnétique ainsi formé a une forme générale de 0.
Comme cela est mieux visible sur les figures 7 à 12, le sens du flux dans le rotor 2 reste constant. A chaque déplacement angulaire du rotor 2, le sens du flux change dans le stator 1, ceci grâce aux structures complémentaires des pièces polaires 5’ et 5’’.
La figure 7 représente schématiquement une première pièce polaire 5’, les bobines 3, 4 et une dent 6b du rotor 2.
La figure 8 représente schématiquement une seconde pièce polaire 5’’, les bobines 3, 4 et une dent 6b du rotor 2.
La figure 9 représente, de façon plane, une portion angulaire de l’ensemble, en particulier une paire de pièces polaires 5, les bobines 3, 4, et la portion correspondante du rotor 2.
Les figures 10 à 12 représentent le fonctionnement d’un ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon une première forme de réalisation, en particulier trois positions angulaires successives du rotor 2 par rapport au stator 1. Il est important de noter que fonctionnellement la troisième position est équivalente à la première position, les premier C1 et deuxième C2 circuits magnétiques formés s’alternant alors à l’infini avec la rotation du rotor 2. Cette observation est valable pour l’ensemble des modes de réalisation présentés dans le présent document. Sur ces figures, les sens des flux magnétiques dans le rotor 2 et dans le stator 1 sont représentés à l’aide de flèches.
On constate que, quelle que soit la position angulaire du rotor 2 par rapport au stator 1, le sens du flux magnétique dans le rotor 2 n’est pas modifié. On constate par ailleurs que, en fonctionnement, le sens du flux magnétique dans le stator 1, et en particulier au niveau de la bobine d’induit 4, change alternativement, d’une position angulaire à l’autre. En d’autres termes, les bobines d’excitation 3 et d’induit 4 sont couplées magnétiquement dans le même sens, dans une position angulaire du rotor 2 par rapport au stator 1, puis les bobines d’excitation 3 et d’induit 4 sont couplées dans des sens opposés, dans une position angulaire successive du rotor 2 par rapport au stator 1.
Par ailleurs, l’utilisation d’une bobine d’excitation 3 permet de régler le flux magnétique de la machine et de désexciter la machine électrique en cas de panne, ce qui est un avantage pour la sécurité, contrairement aux machines à aimants permanents qui posent des problèmes en particulier en cas de court-circuit. En effet, l’impossibilité de couper l’excitation entraîne un risque d’élévation de la température et de propagation du défaut à l’environnement de la machine, ce qui est généralement inacceptable dans le domaine de l’aéronautique.
De plus, le fait que le rotor 2 ne comporte ni aimant ni conducteur permet de réaliser un rotor 2 robuste et d’éviter d’avoir à transférer du courant entre les parties fixes et mobiles, ce qui facilite l’intégration de la machine électrique. Le fait que l’excitation soit séparée et de type courant continu permet une alimentation indépendante facilitant la régulation sans mettre en jeu de puissance réactive (dégradation du facteur de puissance).
Enfin, le fait que la magnétisation du rotor 2 ne change pas de sens et varie peu permet une réalisation plus simple et plus robuste du rotor 2, car des matériaux massifs peuvent être envisagés en lieu et place des matériaux entièrement feuilletés.
Il est par exemple possible d’insérer, dans l’alésage de la partie annulaire massive 2a, un arbre de turbomachine. Si l’on choisit malgré tout de feuilleter l’ensemble du circuit magnétique du rotor 2, les pertes au rotor 2 seront presque nulles. Il est possible et avantageux de ne feuilleter que la partie crénelée du rotor 2 qui est la plus sujette aux variations de flux, la partie centrale assurant la cohésion pouvant alors rester massive.
Les figures 13 à 23 illustrent une deuxième forme de réalisation de l’ensemble constituant la phase d’une machine électrique selon l’invention, qui diffère de celle décrite précédemment en ce que la bobine d’excitation 3 est située radialement à l’intérieur de la bobine d’induit 4, les deux bobines 3, 4 étant situées axialement en regard l’une de l’autre. La structure du stator 1 est d’ailleurs mieux visible aux figures 13 et 14.
Les pièces polaires 5’ et 5’’ composant un tel stator 1 présentent une structure différente, mieux visible à la figure 15.
Contrairement à la première forme de réalisation, les pièces polaires 5 comprennent une portion 5d radiale par rapport à l’axe X, s’étendant depuis la seconde partie radiale 5b pour la première pièce polaire 5’ et s’étendant depuis la première partie radiale 5a pour la deuxième pièce polaire 5’’.
Ainsi, comme cela est visible sur les figures 13 et 14, les portions radiales 5d des première et seconde pièces polaires 5’, 5’’ s’étendent transversalement à l’axe X et radialement en regard de la couronne 60 magnétique. Ainsi, les première et seconde portions radiales 5d sont situées respectivement axialement de part et d’autre de la couronne 60 magnétique, et s’alterne le long de la circonférence de la couronne magnétique 60.
Les figures 16 et 17 illustrent le circuit magnétique, dans deux positions angulaires du rotor 2, établis dans deux plans successifs A et B dans lesquels se trouvent les pièces polaires 5’, 5’’ d’une même paire. Ces figures illustrent ainsi la manière dont la rotation du rotor 2 induit des changements dans la « forme » du circuit magnétique.
Dans la première position angulaire du rotor illustrée à la figure 16, le circuit magnétique C1 est illustré à l’aide des pointillés. Dans le premier plan A dans lequel est positionnée la première pièce polaire 5’, le flux magnétique traverse donc la dent 6b d’une première couronne crénelée du rotor, traverse l’entrefer puis passe à travers la première pièce polaire 5’ d’abord par la partie radiale 5a, puis la partie de liaison 5c, et la portion radiale 5d. Le flux magnétique traverse alors la couronne magnétique 60, qui assure la liaison magnétique entre la première pièce polaire 5’ et la deuxième pièce polaire 5’’. Dans le deuxième plan B dans lequel est positionnée la deuxième pièce polaire 5’’, le flux magnétique provenant de la couronne magnétique 60, traverse une partie de la deuxième pièce polaire 5’’, d’abord la portion radiale 5d, puis la partie radiale 5b, le flux magnétique retraverse alors l’entrefer dans le plan B, traverse ensuite la dent 6b puis la partie annulaire massive 2a pour rejoindre le point de départ initial du plan A comme illustré sur la partie A de la figure 16. Le circuit magnétique ainsi obtenu a une forme générale de 8, lorsque le plan A est aligné verticalement, dans un même plan, avec le plan B.
Dans la deuxième position angulaire du rotor illustrée à la figure 17, le circuit magnétique C2 est illustré à l’aide des pointillés. Dans le premier plan A dans lequel est positionnée la première pièce polaire 5’, le flux magnétique traverse donc la portion radiale 5d et la partie radiale 5b de la première pièce polaire 5’, puis l’entrefer vers la dent 6b d’une première couronne crénelée du rotor 2. Le flux magnétique traverse alors la partie annulaire massive 2a vers la dent 6b, se situant sur la deuxième couronne crénelée du rotor 2, et se trouvant dans le deuxième plan B successif, où est positionnée la deuxième pièce polaire 5’’. Le flux traverse alors la dent 6b, traverse ensuite l’entrefer puis passe à travers la pièce polaire 5’’ d’abord par la partie radiale 5a, puis par la partie radiale 5d. Le flux magnétique traverse alors la couronne magnétique 60, qui assure la liaison magnétique entre la première pièce polaire 5’ et la deuxième pièce polaire 5’’ pour rejoindre le point de départ initial du plan A. Le circuit magnétique ainsi formé a une forme générale de 0.
Comme cela sera mieux visible sur les figures 18 à 23, le sens du flux dans le rotor 2 reste constant. A chaque déplacement angulaire du rotor 2, le sens du flux change dans le stator 1, ceci grâce aux structures complémentaires des pièces polaires 5’ et 5’’.
Comme évoqué pour le premier mode de réalisation, on peut voir que pour le deuxième mode de réalisation également, quelle que soit la position angulaire du rotor 2 par rapport au stator 1, le sens du flux magnétique dans le rotor 2 n’est pas modifié. Similairement, en fonctionnement, le sens du flux magnétique dans le stator 1, et en particulier au niveau de la bobine d’induit 4, change alternativement, d’une position angulaire à l’autre.
Les figures 24 à 32 illustrent une troisième forme de réalisation. Cette troisième forme de réalisation est similaire à la deuxième forme de réalisation à l’exception que le flux de cette machine est qualifié d’axial. En effet, le stator 1 est composé des mêmes pièces, à l’exception que l’ensemble, constitué des pièces polaires 5, des bobines 3, 4 et la couronne 60, est disposé de sorte que les portions radiales 5d sont parallèles à l’axe X, et que les logements 7 axialement à l’axe X.
Comme cela est visible sur les figures 25 à 32, les circuits magnétiques C1 et C2 et le sens du flux dans chacune des portions/parties des pièces polaires 5 est identique au fonctionnement du deuxième mode de réalisation.
Les trois modes de réalisation présentés se caractérisent par le fait que :
- les pièces polaires 5 sont disposées sur toute la circonférence de la couronne magnétique 60;
- la bobine d’induit 4 est annulaire et présente une forme similaire à la couronne magnétique 60, de sorte à être commune à l’ensemble des pièces polaires 5.
- la bobine d’induit 4 est annulaire et présente une forme similaire à la couronne magnétique 60, de sorte à être commune à l’ensemble des pièces polaires 5.
Ces modes de réalisation de l’ensemble peuvent être utilisés dans des machines monophasées, c’est-à-dire des machines électriques aptes à produire un courant monophasé. Dans ce cas, un seul ensemble, constituant une phase d’une machine électrique, est utilisé.
Il est prévu de pouvoir utiliser plusieurs ensembles au sein d’une même machine électrique afin de réaliser une machine électrique polyphasée.
Il existe deux structures de machines électriques polyphasées : les machines électriques polyphasées avec une structure en « empilement » et les machines électriques polyphasées avec une structure en secteurs angulaires.
La première structure n’est pas illustrée, mais consiste à disposer coaxialement et le long d’un même axe de rotation, les ensembles selon les trois modes de réalisation illustrés précédemment.
S’agissant de la structure en secteurs angulaires, des exemples d’ensembles constituant une phase d’une machine électrique compatibles avec une telle structure sont illustrées aux figures 33 à 43.Ces modes de réalisation supplémentaire de l’ensemble selon le présent document, dérivent des trois formes de réalisation principales des ensembles décrites en relation avec les figures 1 à 32.
Les figures 33 et 34 représentent une quatrième forme de réalisation, les figures 35 et 36 représentent une cinquième forme de réalisation. Ces quatrième, cinquième et sixième formes de réalisations diffèrent de celles exposées aux figures 1 à 32 en ce que l’ensemble constituant une phase d’une machine électrique n’est plus annulaire, mais est un secteur d’anneau. Le positionnement des ensembles bout à bout circonférentiellement autour d’un rotor permet de former un anneau, intégré à la machine électrique polyphasée. Cette structure permet notamment de réaliser une machine polyphasée, avec une division angulaire adéquate.
Pour cela, la machine électrique comprend au moins deux ensembles, et se caractérise par le fait que :
- La machine électrique comprend un rotor 2 qui est commun à tous les ensembles, pour lesquels il joue le rôle de rotor 2.
- La machine électrique comprend une unique bobine d’excitation 3 qui est commune aux ensembles de la machine électrique polyphasée. Ainsi, la machine électrique polyphasée comprend un unique rotor 2 en regard avec les ensembles tels que décrits précédemment, agencées circonférentiellement bout à bout autour de la bobine d’excitation 3 et en regard du rotor 2 de la machine électrique.
Comme on peut le voir sur les figures 37 et 38, l’ensemble comporte au moins une bobine d’induit 4’, qui forme une boucle, c’est-à-dire qui fait un aller-retour à travers plusieurs paires de pièces polaires 5 agencée dans une portion angulaire. Cette bobine d’induit 4’ est ainsi excitée par l’unique bobine d’excitation 3. En d’autres termes, la bobine d’excitation 3 excite toutes les bobines d’induit 4’ des différents ensembles intégrés à la machine électrique.
Sur les figures 37 et 38, seul un ensemble est représenté. Dans la machine électrique polyphasée, plusieurs ensembles sont alors agencés circonférentiellement autour de la bobine d’excitation 3, qui est commune à tous ces ensembles. Il y aura donc au minimum autant de bobines d’induit 4’ que d’ensembles intégré dans la machine polyphasée.
Dans ce mode de réalisation, chaque ensemble comprend un secteur 60a de la couronne magnétique 60. En effet, contrairement aux modes de réalisation avec des ensembles annulaires, ici les couronnes magnétiques sont des secteurs 60a annulaires de la couronne magnétique 60. Il y a ainsi, dans une machine électrique polyphasée, autant de secteurs 60a de couronne magnétique 60 que d’ensembles intégrés à la machine électrique.
Les figures 39 et 40 illustrent une sixième forme de réalisation d’un ensemble pour machine électrique polyphasée qui diffère de celle exposée aux figures 35 et 36 en ce dans chaque ensemble l’aller et le retour de la bobine d’induit 4’ s’effectue de part et d’autre de la bobine d’excitation 3 et en ce que les pièces polaires 5’ et 5’’ présentent une forme symétrique par rapport au logement de la bobine d’induit 4’. Deux secteurs annulaires de couronnes magnétique 60a sont disposées de part et d’autre de la bobine d’induit 4’.
Cette sixième forme de réalisation présente l’avantage de faire se succéder, pour chaque position angulaire du rotor 2, et simultanément, un circuit en 0 et un circuit en 8 d’un côté et de l’autre de la bobine d’excitation 3. Cela est d’ailleurs illustré aux figures 41 et 42, où l’on voit que le circuit magnétique résultant est ainsi identique à une symétrie près, à chaque position angulaire du rotor 2. Ainsi le flux sera plus régulier quel que soit le niveau de saturation du circuit magnétique.
Claims (11)
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique comportant un stator (1) et un rotor (2) d’axe X, le stator (1) comportant une unique bobine d’excitation (3), une unique bobine d’induit (4), des pièces polaires (5) magnétiques agencées par paires et réparties sur au moins une partie de la circonférence du stator (1) et une couronne (60) magnétique reliant les pièces polaires (5), la bobine d’excitation (3) et la bobine d’induit (4) étant communes à plusieurs paires de pièces polaires (5), le stator et le rotor (2) étant conçus pour, lors de la rotation du rotor (2) par rapport au stator (1), faire varier le sens du flux magnétique dans la bobine d’induit (4), le sens du flux magnétique généré par la bobine d’excitation (3) étant constant au niveau du rotor (2).
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor (2) est configuré pour être entrainé en rotation autour de l’axe X, et en ce que chaque paire de pièces polaires (5) comporte une première pièce polaire (5’) et une seconde pièce polaire (5’’), lesdites pièces polaires (5) comprenant chacune au moins un logement (7), la bobine d’excitation (3) étant disposée dans les logements desdites premières et secondes pièces polaires, la bobine d’induit (4) étant disposée en regard de ladite couronne (60) magnétique.
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première pièce polaire (5’) et la seconde pièce polaire (5’’) de chaque paire comportent respectivement une première portion axiale (5d) et une seconde portion axiale (5d), s’étendant selon l’axe X et radialement en regard de la couronne (60) magnétique, les première et seconde portions axiales (5d) étant situées respectivement radialement à l’intérieur et radialement à l’extérieur de la couronne (60) magnétique.
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première pièce polaire (5’) et la seconde pièce polaire (5’’) de chaque paire comportent respectivement une première portion radiale (5d) et une seconde portion radiale (5d), s’étendant transversalement à l’axe X et radialement en regard de la couronne (60) magnétique, les première et seconde portions radiales (5d) étant situées respectivement axialement de part et d’autre de la couronne (60) magnétique.
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque pièce polaire (5) comporte une première partie (5a) s’étendant radialement, une seconde partie (5b) s’étendant radialement, la première partie (5a) et la seconde partie (5b) étant décalées axialement l’une de l’autre et reliées l’une à l’autre par une partie de liaison (5c) s’étendant axialement, les première et seconde partie radiale (5a, 5b) et ladite partie axiale de liaison (5c) délimitant le logement (7) de la pièce polaire (5).
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque pièce polaire (5) comporte une première partie (5a) s’étendant axialement selon l’axe X, une seconde partie (5b) s’étendant axialement selon l’axe X, la première partie (5a) et la seconde partie (5b) étant décalées radialement l’une de l’autre et reliées l’une à l’autre par une partie de liaison (5c) s’étendant radialement, les première et seconde parties radiales (5a, 5b) et ladite partie axiale de liaison (5c) délimitant le logement (7) de la pièce polaire (5).
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite portion (5d) de chaque pièce polaire (5), située en regard de la couronne (60) magnétique, s’étend depuis une extrémité de la seconde partie (5b) ou de la première partie (5a) de la pièce polaire (5) correspondante.
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la bobine d’induit (4), la couronne (60) magnétique et les première et seconde parties radiales (5a, 5b) des pièces polaires (5) sont situées radialement ou axialement en regard les unes par rapport aux autres, la bobine d’induit (4) étant située axialement entre la seconde partie radiale (5b) et la couronne (60) magnétique.
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que la couronne (60) magnétique et/ou lesdites pièces polaires (5) comportent au moins une partie réalisée à partir de tôles magnétiques feuilletées isolées électriquement les unes des autres.
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor (2) comporte au moins une première et une deuxième parties annulaires 6 comportant chacune des dents (6b) réparties sur la circonférence.
- Ensemble constituant une phase d’une machine électrique selon la revendication 10, caractérisé en ce que les pièces polaires magnétiques (5) sont disposées sur la circonférence du stator (1) et qu’un angle entre une dent (6b) de la première partie annulaire (6) et une dent adjacente (6b) de la deuxième partie annulaire (6) est égal à 180 degrés divisé par le nombre de paires de pièces polaires (5).
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| DE9114582U1 (de) * | 1990-12-06 | 1992-01-30 | J.M. Voith Gmbh, 7920 Heidenheim | Elektrische Maschine |
| WO2012085438A2 (fr) | 2010-12-21 | 2012-06-28 | Federal Mogul Sintertech | Machine electrique tournante a structure homopolaire dite double. |
-
2019
- 2019-08-06 FR FR1909006A patent/FR3099859B1/fr active Active
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| WO2012085438A2 (fr) | 2010-12-21 | 2012-06-28 | Federal Mogul Sintertech | Machine electrique tournante a structure homopolaire dite double. |
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