WO2001013499A1 - Machine electrique tournante a courant alternatif - Google Patents

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Alain Delaite
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Herbreteau, Roland
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    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators

Definitions

  • the present invention relates to a rotary electric machine of the motor-generator type, capable of transforming the alternating electric power supplied to it into mechanical power and into electric power.
  • AC electric motors deliver a mechanical power lower than the absorbed electric power, with a significant loss They have a steel and aluminum rotor, which is driven by a rotating magnetic field, resulting in a loss of energy in the rotor due to its inert components
  • a rotary electric machine with alternating current of the motor-generator type being constituted in accordance with the invention, is characterized in that it comprises
  • an inner rotor having at least its periphery which is made of mild steel and which supports permanent magnets with radial magnetization distributed so as to have alternating North and South poles, said magnets being made of a material with very strong induction ,
  • stator coaxially surrounding the rotor, this stator being made of mild steel and internally having cores of radial extent which each support an emitting coil arranged opposite and near the rotor, and a receiving coil arranged radially behind the receiving coil and in magnetic coupling with the emitting coil located on the same core,
  • permanent magnets have an energy of at least 280 kJ / m3, and typically an induction of at least 12,300 Gauss, and for this purpose it is advantageous to use neodymium-iron magnets boron which can have a BHm ax value of the order of 35 MGOe
  • the emitting and receiving coils are identical and have the same characteristics
  • a rotary electrical machine which, on the one hand, is capable of delivering on its output shaft, coaxially secured to the rotor, increased mechanical power thanks to its very high power permanent magnets mounted on the rotor. and which, on the other hand, is capable of restoring additional electrical power thanks to its pairs of receiver-emitting coils operating as transformers
  • FIG. 1 is a front view of the machine of the invention, shown open - Figure 2 is a side view of the machine of Figure 1, and
  • FIGS. 1 and 2 are a front views of a currently preferred embodiment of the machine of the invention.
  • the rotary electrical machine according to the invention which is represented therein comprises an external annular stator 1, surrounding a central rotor 7 which is coaxial with it.
  • the annular stator 1 is made of mild steel, for example in the form of thin varnished plates stacked forming a crown having internally a multiplicity of cores 2 (HERE six in number) of radial extent and on each of which are fitted a transmitting coil 4 disposed towards the free end (rotor side) of the core and a take-up coil 5 arranged behind (crown side) of the emitting coil
  • the pairs of receiving and emitting coils of each core are magnetically coupled in the manner of a transformer
  • the emitting coils 4 are arranged with their winding directions alternately reversed from one coil to the next All emitting coils 4 are connected to each other in series by conductors 18, between two terminals of a terminal block input 9 for the alternative electrical supply 12 of the machine.
  • all the emitting coils 4 are identical and have the same characteristics (same number of turns made of the same wire, same ohmic value,.)
  • the receiving coils 5 are arranged with their respective winding directions all in the same direction
  • the receiving coils 5 are all connected to each other, in series, by conductors 19, between two terminals of an output terminal block 10 between which an alternating voltage 13 is available when the machine is in operation.
  • all the receiving coils 5 are identical and with the same characteristics (same number of turns made of the same wire, same ohmic value,)
  • the windings of the transmitter coils 4 and the windings of the receiver coils 5 can advantageously have the same number of turns
  • the windings of the transmitter coils 4 and receiver 5 consist of a copper conductor of the same diameter and have the same ohmic value in correspondence with the alternating current 12 applied to the input terminals 9 to avoid excessive heating
  • the emitting coils 4 and receiving 5 are identical
  • the rotor 7, located internally and coaxially with the stator 1, is constituted in the form of a cylindrical mass of revolution made of aluminum fixed in rotation on an output shaft 8 supported, on both sides, in respectively two bearing cages 11 mounted on crosspieces 14 fixed themselves on the stator 1 by bolts 17 passing through the spacers 15 and the holes 16 of the stator 1 as illustrated in FIG. 2.
  • the rotor 7 is closely surrounded by a ring 6 of mild steel (for example fitted on the rotor).
  • a multiplicity of permanent magnets 3 with radial magnetization is fixed on the ring 6. These magnets are arranged so as to present an alternation of North and South poles.
  • the magnets 3 are chosen with optimal characteristics capable of generating maximum torque: they thus have an energy of at least 280 kJ / m3.
  • they are made of a material with very high induction, of at least 12,300 Gauss, and for this purpose we can use magnets, commercially available, in neodymium-fer-boron which can have a BH value ma ⁇ of the order of 35 MGOe.
  • the magnets are arranged on the periphery of the mild steel ring 6, of which there are eighteen in the example illustrated in FIG. 1.
  • the air gap between the front ends facing the permanent magnets 3 of the rotor and the radial cores 2 of the stator is as small as possible, in order to improve the efficiency of the machine at best.
  • the receiving coils 5 mounted in tandem behind the emitting coils on the cores 2 of the stator allow, thanks to the electromagnetic force produced by the displacement of the permanent magnets 3 and the magnetic fields of the emitting coils 4, elec- secondary secondary stick at the terminals 10 between which the receiving coils 5 are connected in series
  • the rotary electrical machine according to the invention makes it possible, from an alternative electrical energy applied to its input terminals 9, to simultaneously have increased mechanical energy on its output shaft 8 and an energy secondary alternative electric on its output terminals 10
  • FIG 3 a currently preferred embodiment of the electric machine of the invention
  • This preferred embodiment is generally identical to that shown in Figure 1 and described above, except that the number of magnets permanent is optimized to the number of six arranged end to end in a crown
  • these are magnets with radial magnetization, of alternating direction from one magnet to the next

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

L'invention concerne une machine électrique tournante à courant alternatif, du type moteur-générateur qui comporte: un rotor intérieur (7) périphériquement (6) en acier doux et muni d'aimants permanents (3) à aimantation radiale répartis avec une alternance de pôles N et S, lesdits aimants (3) étant constitués en un matériau à très forte induction; et un stator annulaire (1) entourant coaxialement le rotor (7) constitué en acier doux, et présentant intérieurement des noyaux (2) radiaux supportant chacun: une bobine émettrice (4) disposée en regard et à proximité du rotor et une bobine réceptrice (5) disposée radialement en arrière de la bobine réceptrice et en couplage magnétique avec celle-ci; les bobines émettrices (4) ayant leurs sens d'enroulements alternativement inversés et étant toutes connectées (18) les unes aux autres en série, entre deux bornes (9) d'alimentation électrique de la machine; et les bobines réceptrices (5) ayant leurs enroulements respectifs tous dans le même sens et étant connectées (19) les unes aux autres en série, entre deux bornes (10) entre lesquelles apparaît une tension lorsque la machine est en fonctionnement.

Description

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A COURANT ALTERNATIF
La présente invention concerne une machine électrique tournante du type moteur-générateur, propre à transformer la puissance électrique alterna- tive qui lui est fournie en puissance mécanique et en puissance électrique
Les moteurs électriques à courant alternatif délivrent une puissance mécanique inférieure à la puissance électrique absorbée, avec une perte non négligeable Ils ont un rotor en acier et en aluminium, qui est entraîné par un champ magnétique tournant, d'où une perte d'énergie dans le rotor du fait de ses composants inertes
De plus ils ne présentent aucune possibilité de fourniture de puissance électrique
La machine électrique selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients Une machine électrique tournante à courant alternatif du type moteur- générateur, étant constituée conformément à l'invention, se caractérise en ce qu'elle comporte
- un rotor intérieur ayant au moins sa périphérie qui est constituée en acier doux et qui supporte des aimants permanents à aimantation radiale ré- partis de manière à présenter une alternance de pôles Nord et Sud, lesdits aimants étant constitués en un matériau à très forte induction,
- et un stator annulaire entourant coaxialement le rotor, ce stator étant constitué en acier doux et présentant intérieurement des noyaux d'étendue radiale qui supportent chacun une bobine émettπce disposée en regard et à proximité du rotor, et une bobine réceptrice disposée radialement en arrière de la bobine réceptrice et en couplage magnétique avec la bobine émettπce située sur le même noyau,
- les bobines émettπces étant disposées avec leurs sens d'enroulement alternativement inversés d'une bobine à la suivante, toutes les bobines émettπ- ces étant connectées les unes aux autres en série, entre deux bornes d'alimentation électrique de la machine, - les bobines réceptrices étant disposées avec leurs enroulements respectifs tous dans le même sens, toutes les bobines réceptrices étant connectées les unes aux autres en série, entre deux bornes entre lesquelles apparaît une tension lorsque la machine est en fonctionnement De préférence, pour parvenir à une machine de caractéristiques optimales les aimants permanents présentent une énergie d'au moins 280 kJ/m3, et typiquement une induction d'au moins 12 300 Gauss, et à cette fin il est intéressant d'avoir recours à des aimants en néodyme-fer-bore pouvant présenter une valeur BHmax de l'ordre de 35 MGOe Pour obtenir une machine parfaitement équilibrée, il est souhaitable que les bobines emettπces soient toutes identiques et de mêmes caractéristiques, et de même que les bobines réceptrices soient toutes identiques et de mêmes caractéristiques De préférence, les bobines émettπces et réceptrices sont identiques et de mêmes caractéristiques Enfin, dans un mode de réalisation actuellement préféré, le stator comporte six noyaux supportant six bobines réceptrices respectives et six bobines émettπces respectives et le rotor comporte six aimants permanents
Grâce à l'invention, on obtient une machine électrique tournante qui, d'une part, est propre à délivrer sur son arbre de sortie, solidaire coaxialement du rotor une puissance mécanique accrue grâce a ses aimants permanents de très grande puissance montés sur le rotor et qui, d'autre part, est apte à restituer une puissance électrique annexe grâce à ses couples de bobines réceptπ- ces-émettπces fonctionnant en transformateurs
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré donné uniquement à titre d'exemple non limitatif Dans cette description on se réfère aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue de face de la machine de l'invention, montrée ouverte - la figure 2 est une vue de côté de la machine de la figure 1 , et
- la figure 3 est une vue de face d'un mode de réalisation actuellement préféré de la machine de l'invention En se reportant maintenant tout d'abord aux figures 1 et 2 la machine électrique tournante conforme à l'invention qui y est représentée comporte un stator annulaire 1 extérieur, entourant un rotor central 7 qui lui est coaxial
Le stator annulaire 1 est constitué en acier doux, par exemple sous forme de plaques minces vernies empilées formant une couronne présentant intérieurement une multiplicité de noyaux 2 (ICI au nombre de six) d'étendue radiale et sur chacun desquels sont emboîtées une bobine émettπce 4 disposée vers l'extrémité libre (côté rotor) du noyau et une bobine réceptrice 5 disposée en arrière (côté couronne) de la bobine émettπce Les paires de bobines réceptrice et emettnce de chaque noyau sont couplées magnétiquement à la manière d'un transformateur
Les bobines émettπces 4 sont disposées avec leurs sens d'enroulement alternativement inversés d'une bobine à la suivante Toutes les bobines émet- tπces 4 sont connectées les unes aux autres en série par des conducteurs 18, entre deux bornes d'un bornier d'entrée 9 pour l'alimentation électrique alternative 12 de la machine. De préférence, toutes les bobines émettrices 4 sont identiques et de mêmes caractéristiques (même nombre de spires constituées du même fil, même valeur ohmique, . )
Les bobines réceptrices 5 sont disposées avec leurs sens d'enroulement respectifs tous dans le même sens Les bobines réceptrices 5 sont toutes connectées les unes aux autres, en série, par des conducteurs 19, entre deux bornes d'un bornier de sortie 10 entre lesquelles est disponible une tension alternative 13 lorsque la machine est en fonctionnement. De préférence, toutes les bobines réceptrices 5 sont identiques et de mêmes caractéristiques (même nombre de spires constituées du même fil, même valeur ohmique, )
Les enroulements des bobines émettrices 4 et les enroulements des bobines réceptrices 5 peuvent avantageusement posséder le même nombre de spires Les enroulements des bobines émettrices 4 et réceptrices 5 sont constitués d'un conducteur de cuivre de même diamètre et possèdent la même va- leur ohmique en correspondance avec le courant alternatif 12 appliqué aux bornes d'entrée 9 pour éviter tout échauffement excessif Autrement dit, les bobines émettrices 4 et réceptrices 5 sont identiques Le rotor 7, situé intérieurement et coaxialement au stator 1 , est constitué sous forme d'une masse cylindrique de révolution en aluminium calé en rotation sur un arbre de sortie 8 supporté, de part et d'autre, dans respectivement deux cages à roulements 11 montées sur des traverses 14 fixées elles-mêmes sur le stator 1 par des boulons 17 passant par les entretoises 15 et les trous 16 du stator 1 comme illustré à la figure 2.
Le rotor 7 est entouré étroitement par une bague 6 en acier doux (par exemple emboîtée sur le rotor).
Pour canaliser le flux magnétique et éviter des courants inductifs nuisi- blés, on fixe sur la bague 6, une multiplicité d'aimants permanents 3 à aimantation radiale. Ces aimants sont disposés de manière à présenter une alternance de pôles Nord et Sud. Les aimants 3 sont choisis avec des caractéristiques optimales propres à engendrer un couple maximal : ils présentent ainsi une énergie d'au moins 280 kJ/m3. Typiquement, ils sont constitués en un matériau à très forte induction, d'au moins 12.300 Gauss, et à cette fin on peut avoir recours à des aimants, disponibles dans le commerce, en néodyme-fer- bore qui peuvent présenter une valeur BHmaχ de l'ordre de 35 MGOe.
Les aimants sont disposés sur la périphérie de la bague en acier doux 6, au nombre de dix-huit dans l'exemple illustré sur la figure 1. L'entrefer entre les extrémités frontales en regard des aimants permanents 3 du rotor et des noyaux radiaux 2 du stator est aussi réduit que possible, afin d'améliorer le rendement de la machine au mieux.
Lorsqu'une tension alternative est appliquée aux bornes d'entrée 9 de la machine, le rotor 7 tourne avec une vitesse constante déterminée par la fré- quence de la tension alternative d'entrée. La mise en œuvre d'aimants permanents à très hautes performances permet de disposer, sur l'arbre de sortie 8, d'une puissance considérablement accrue.
De plus, les bobines réceptrices 5 montées en tandem derrière les bobines émettrices sur les noyaux 2 du stator permettent, grâce à la force électro- magnétique produite par le déplacement des aimants permanents 3 et des champs magnétiques des bobines émettrices 4, de générer une énergie élec- trique alternative secondaire aux bornes 10 entre lesquelles sont connectées en série les bobines réceptrices 5
En définitive, la machine électrique tournante conforme à l'invention permet à partir d'une énergie électrique alternative appliquée à ses bornes d'entrée 9, de disposer simultanément d'une énergie mécanique accrue sur son arbre de sortie 8 et d'une énergie électrique alternative secondaire sur ses bornes de sortie 10
A la figure 3 est représenté un mode de réalisation actuellement préféré de la machine électrique de l'invention Ce mode de réalisation préféré est dans son ensemble identique à celui représenté à la figure 1 et décrit plus haut, à ceci près que le nombre des aimants permanents est optimisé au nombre de six disposés bout à bout en couronne Conformément aux dispositions générales de l'invention, il s'agit d'aimants à aimantation radiale, de sens alterné d'un aimant au suivant

Claims

REVENDICATIONS
1 Machine électrique tournante a courant alternatif, du type moteur- générateur caractérisée en ce qu'elle comporte - un rotor intérieur (7) ayant au moins sa périphérie (6) constituée en acier doux et supportant sur celle-ci des aimants permanents (3) à aimantation radiale répartis sur ladite périphérie de manière à représenter une alternance de pôles N et S lesdits aimants (3) étant constitués en un matériau à très forte induction, - et un stator annulaire (1 ) entourant coaxialement le rotor (7), ce stator
(1 ) étant constitué en acier doux et présentant intérieurement des noyaux (2) d'étendue radiale qui supportent chacun une bobine emettnce (4) disposée en regard et à proximité du rotor, et une bobine réceptrice (5) disposée radialement en arrière de la bo- bine réceptrice, et en couplage magnétique avec la bobine emettnce située sur le même noyau,
- les bobines émettrices (4) étant disposées avec leurs sens d'enroulements alternativement inversés d'une bobine à la suivante, toutes les bobines émettrices (4) étant connectées (18) les unes aux autres en série, en- tre deux bornes (9) d'alimentation électrique de la machine,
- les bobines réceptrices (5) étant disposées avec leurs enroulements respectifs tous dans le même sens, toutes les bobines réceptrices (5) étant connectées (19) les unes aux autres en série, entre deux bornes (10) entre lesquelles apparaît une tension lorsque la machine est en fonctionnement
2. Machine électrique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les aimants permanents (3) présentent une énergie d'au moins 280 kJ/m3 3 Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les aimants permanents (3) sont en néodyme-fer-bore 4 Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bobines émettπces (4) sont toutes identiques et de mêmes caractéristiques 5 Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les bobines réceptrices (5) sont toutes identiques et de mêmes caractéristiques
6 Machine électrique selon les revendications 4 et 5, caractérisée en ce que les bobines émettrices (4) et réceptrices (5) sont identiques et de mêmes caractéristiques
7 Machine électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le stator comporte six noyaux supportant six bobines émettrices (4) respectives et six bobines réceptrices (5) respectives et en ce que le rotor comporte six ai- mants permanents (3)
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