WO2015159011A2 - Machine électrique a bobines superposées et décalées fixes ou mobiles. - Google Patents

Machine électrique a bobines superposées et décalées fixes ou mobiles. Download PDF

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Julien Gillonnier
Nicolas Gillonnier
Benjamin COUPECHOUX
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Julien Gillonnier
Nicolas Gillonnier
Coupechoux Benjamin
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Definitions

  • the present invention relates to an electric machine with superposed and staggered fixed or moving coils.
  • the inductor or stator always supplied with alternating current, produces a rotating field which induces in the short-circuit rotor (or squirrel cage) currents which, by interaction on the stator field, generate a engine couple.
  • the speed of the motor is linked, among other things, to the frequency of the alternating current and to the number of poles of the stator; which stator can be supplied with current three-phase, or single-phase current with the addition of a phase shifter element to allow the induction motor to start.
  • the inductor comprises polar parts supporting either excitation windings or permanent magnets which have a remanent induction.
  • the magnetomotive force that results from the passage of the current in the excitation windings produces the main flow which runs through the entire magnetic circuit.
  • the magnetic circuit of the armature consists of a stack of laminations cut so as to obtain grooves in which the induced winding will be housed, and is subjected to the magnetic induction flux of the inductor.
  • the inductive magnetic circuit and the induced magnetic circuit are separated by an air gap which is also part of the magnetic circuit of the machine.
  • the rotor has a rectifier of induced alternating currents, called collector, in the case of a generator, or can supply DC power to the armature, in the case of a motor.
  • Electromagnetic induction motors are now known in which the rotating mobile part corresponds to the external inductive part which then constitutes the rotor, while the internal coiled axial part is fixed and constitutes the stator.
  • Such a structure requires air gaps of large thickness to accommodate the wound conductors of the stator; the implementation remains delicate and may affect the electromagnetic efficiency of the proposed structure.
  • Electromagnetic induction motors are also known, close to the preceding general structure, in which the fixed internal axial portion constituting the stator comprises a series of thin flat plates between which the excitation or armature conductors are deposited. conductors having active portions extending substantially radially or parallel to the axis of the motor; the outer rotational yoke constituting the inductive portion comprises a plurality of magnetic magnet riders disposed in a plurality of angular sectors; thus, according to one embodiment, the magnetic circuit circulates in a radial half plane and comprises two air gaps traversed by a radial magnetic flux.
  • Such a structure is also difficult to implement because of the volume limitation available for the winding of the armature; in addition, it requires the addition of a piece ensuring the precise and regular positioning of the sheets; this piece, of complex realization, significantly affects the manufacturing costs of such a structure.
  • electric motors or generators operate in magnetic field absorption; indeed a pole, created magnetically, for example a stator, will attract vis-à-vis himself a pole opposite name of the rotor so as to absorb the largest amount of flux generated by this pole; this explains the complexity of the windings, the increase of the iron, and consequently of the weight.
  • the electromotive force is limited to a small value, the induction is indeed limited because of the saturation of the mass cylinder, reduced to a thin disc, placed in the gap of an electromagnet in the case of the BARLOW wheel, or in a magnetic carcass, carrying inductive windings in the case of the POIRSON dynamo.
  • the current delivered can reach high values, provided that sufficiently sized sliding contacts are available; the periphery of the armature being equipotential, it will therefore be covered with a maximum of brushes.
  • the invention more particularly aims to overcome these disadvantages by providing a structure of electrical conductors arranged in interleaved bundles and juxtaposed to each other; this structure of electrical machines only responds to the laws of Forces LAPLACE, LORENTZ, and are in the continuity of the BARLOW wheel or the dynamo POIRSON.
  • the current in the conductors must be inverted by switching to ensure a given direction of rotation.
  • each elementary conductor moves in a normal induction periodically varying with time; the electromotive forces generated are also periodic, and by the artifice of the collector, a substantially constant electromotive force is collected between the brushes.
  • the present invention relates to an electric machine with superposed and staggered fixed or moving coils.
  • an electric machine with superposed and shifted fixed or moving coils comprising two parts of which a first part, including a magnetized structure comprising parallel elements of opposite polarity, is subject to relative displacements with respect to the second part comprising at least three windings mounted on a non-magnetic support, so as to produce with the magnetized structure an air gap through which turns of the windings pass, the conductors of the windings being arranged in a meander composed of U chained, which meanders are offset according to their axis of symmetry and contained in a surface substantially parallel to the elements of the magnetized structure, the width of each of the parallel elements of the magnetized structure being equal to twice the width of the conductors of a branch of the U chained winding, terminals of the windings being connected to a switched power source in the case of actuator-type operation, the first part being mechanically coupled to an actuator in the case of generator-type operation, which produces a switched current at the terminals of the winding.
  • the conductors of the windings may be made of metal material such as copper, silver, aluminum, iron, or any other metal alloy comprising among others, the metals mentioned above. They may also be made of a material comprising a conductive element associated with an insulating support such as a plastic.
  • the electric machine with superposed and staggered fixed or moving coils comprises:
  • pairs of magnets and magnetic parts generating a magnetic flux that is as uniform as possible and of great value, which pairs of magnets of opposite polarity, in particular during their linear or rotational displacement, are placed vis-à-vis screws and remain opposite superposed and offset coils, these being fixed in this case and,
  • the electric machine described above may be of rotary type or linear displacement type.
  • the magnetized structure can be rotatably mounted coaxially on a fixed hollow axis, the external magnetized structure constituting an outer rotor of a motor or a generator; the coils are fixed, integral with the fixed hollow axis, constituting an internal stator; the current leads are located on either side of the fixed hollow axis; moreover, the rotary type structure may be substantially cylindrical, the magnetic flux passing through the coils being radial, or substantially annular, the magnetic flux passing through the coils being axial.
  • the magnetized structure can be mounted coaxially, the external magnetized structure constituting a fixed external stator of a motor or generator, the internal magnetized structure movable around a solid axis; the coils are movable around the solid axis and constitute the internal rotor; the leads of current are made through a rotating manifold secured to the inner rotor.
  • the magnetized structure is movable, integral with a carriage mounted on slides; the coils are fixed and extended over the entire length of movement of the carriage.
  • the magnets are mounted in pairs; a pair of magnets is mounted on an iron structure in the form of a cylinder or ring in the case of the rotary type, or in the form of a plate in the case of the linear type.
  • this iron structure can be segmented so as to reduce the metal mass and magnetic leakage.
  • the magnets are preferably identical so as to avoid saturation and reduce manufacturing costs.
  • the configuration of the coils makes it possible to occupy the maximum of the flux surface; the windings can be made from copper or any other electrically insulated flat conductor, thereby reducing eddy currents.
  • the windings may also be made from a ferromagnetic material in the form of an electrically isolated flat; this solution makes it possible to better channel the field lines and to increase its value by reducing the gap; nevertheless, the electrical conductivity of this type of winding is lower.
  • the width of a magnet occupies twice the width of the conductors of a branch of the chained U of the winding, the length of the conductors of a branch of the chained U of the winding being equal to the length of the magnet.
  • the magnetic flux is brought back by iron above the conductors of the coil.
  • the pair of poles of opposite polarity covers the width of a meander of a winding; the configuration of the winding makes it possible to occupy the maximum possible area subjected to the flux of the poles.
  • the synchronization of the current control in the coils must be carried out according to the relative magnet / coil position, so that the Lorentz-Laplace forces are always in the same direction.
  • the current control can be obtained from bridge switches (bipolar or MOS) or any other electrical switch; synchronization can be performed by means of an optical sensor, a Hall effect sensor, or any other conventional sliding contact solution; the accuracy of the detection in position must be of the order of the width of a conductor of the coil.
  • part consisting of the coils must be sufficiently rigid so as to resist the engine or generator torque.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the relative disposition of the three windings shown separately according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of the arrangement of the three windings in the case of a toric structure according to the invention
  • FIGS. 3a, 3b are a schematic representation of the windings in the case of a toric structure
  • FIG. 4 represents an axial section of a first embodiment of a rotating electrical machine
  • FIG. 5 represents an axial section of a second embodiment of a rotating electrical machine
  • - Figure 6 shows an axial section of a third embodiment of a rotary electrical machine.
  • a magnetized structure PI comprising a series of parallel magnetic elements; the magnets Al, A3, .. are of the same polarity; the magnets A2, A4, ..., are of the same polarity, which is opposite that of the previous magnets.
  • a structure P2 comprising three windings E1, E2, E3, the conductors of the windings being arranged in a meander, which meanders are offset along their axis of symmetry X and contained in a surface substantially parallel to the parallel elements Al -An, of the magnetized structure Pl.
  • windings El, E2, E3 are shown separately in FIG. 1 for a better understanding of their relative position; in reality, these three windings are superimposed in the same plane, in order to constitute the structure P2.
  • the meanders of the windings El, E2, E3, respectively consist of U chained, the U arms are parallel to the lengths of the Al-An magnets.
  • each of the parallel elements of the magnetized structure PI is equal to twice the width of the conductors of a winding of the structure P2; if L is the width of an arm of the U of the winding, the total width of a U of the winding is 4L, the pitch of a meander winding is 6L; the width of a magnet is 2L and the pitch between two consecutive magnets is 3L. If L is the width of an arm of the U of the winding, the thickness of the U arm of the winding is a significant fraction of the width L; the arm of the U of the winding thus constitutes a flat-shaped electrical conductor of width L and of thickness less than L.
  • the magnets Al -An will be highly remanent magnetization, samarium / cobalt type or neodymium / iron / cobalt, or other.
  • the conductors of the windings El, E2, E3, will be in the form of flat copper or any other non-magnetic or magnetic insulated electrical conductor.
  • the parts PI and P2 are arranged in a circular structure; the three windings El, E2, E3 are superimposed and offset in the shape of a torus constituting part P2; likewise the Al -An magnets constitute the torus-shaped PI part.
  • the windings El, E2, E3, in the case of a circular structure of the rotary electric machine shown in FIG. 2 are arranged on either side of the core constituting the P2 part.
  • the fold zone Z is located inside the torus; according to Figure 3b, the fold zone Z is located outside the torus.
  • a first embodiment of a rotary electrical machine is indicated in axial section.
  • the rotating machine comprises a first so-called external magnetized structure constituted by a non-magnetic external bell-shaped cylindrical RI carcass supporting, in the vicinity of its cylindrical inner surface, a cylindrical magnetic plate Fel, which is secured to magnets: Al -An , represented by the symbol A; which are arranged equidistantly on the inner face of the cylindrical magnetic plate Fel.
  • the carcass RI consists of an external cylindrical bell 7, closed by a flange 8; which flange 8 is integral, in the vicinity of its central part, a second closed internal bell-shaped structure, which consists of a cylinder 9, integral with the flange 8, a flange 10 and a flange 11 ; these two flanges 10 and 11 support in the vicinity of their outer periphery, a second cylindrical magnetic plate Fe2.
  • These two bell-shaped structures are made integral with each other in the vicinity of the inner surface of the flange 8 and the outer surface of the cylinder 9; they are also rotatably mounted around a hollow cylindrical shaft 1, of central axis XI, by means of three ball bearings, respectively 6 in the vicinity of the inner surface of the flange 7, 12 in the vicinity of the inner surface of the cylinder 9 and 13 in the vicinity of the flange 11.
  • the shaft 1 comprises a flange 2, located between the flanges 7 and 11; the flange 2 supports a non-magnetic cylindrical plate 3, which is supported, near its opposite end, by a flange 4.
  • This structure consisting of elements 2, 3, 4, in the form of an intermediate bell, is integral with the shaft 1 and is rotatably mounted by means of a ball bearing 5, which is situated in the vicinity of the inner surface of the flange 4 and of the outer surface of the cylinder 9.
  • the non-magnetic cylindrical plate 3 supports, in the vicinity of its outer surface, the nested coils E.
  • the elements 7, 8, 9, 10, 11, Fel, Fe2, and A constitute a mobile portion PI with respect to the elements 1, 2, 3, 4, and E, constituting a fixed portion P2.
  • the power supply of the coils E is simplified, not requiring rotating contacts;
  • the cylindrical outer bell-shaped carcass RI constitutes an external rotor of an actuator or a rotary generator.
  • the rotating machine comprises a first so-called external magnetized structure consisting of a non-magnetic cylindrical bell-shaped frame R2 supporting, in the vicinity of its two internal surfaces, two annular magnetic plates Fel, Fe2, which are secured to magnets: An, respectively represented by the symbols A1 and A2; which are arranged equidistantly on the inner faces of the annular magnetic plates Fel, Fe2.
  • the carcass R2 consists of two pans 3 and 5, supporting in the vicinity of their outer periphery, a cylindrical plate 4.
  • This external bell-shaped structure is rotatably mounted around a hollow cylindrical shaft 1, of central axis X2, thanks to two ball bearings, respectively 6 in the vicinity of the inner surface of the flange 3, and 7 in the vicinity of the inner surface of the flange 5.
  • the shaft 1 comprises a flange 2, located between the flanges 3 and 5; the flange 2 supports in the vicinity of its outer periphery, vis-à-vis the magnets, symbol A1 and A2, nested coils E located on either side of the pool 2.
  • said outer bell-shaped cylindrical housing R2 constitutes an outer rotor of an actuator or rotary generator.
  • the rotating machine comprises a first so-called external magnetized structure consisting of a non-magnetic outer bell-shaped cylindrical carcass R3 supporting, in the vicinity of its internal surface, a cylindrical magnetic plate Fel, which is secured to magnets: Al -An, represented by the symbol A; which are arranged equidistantly on the inner face of the cylindrical magnetic plate Fel.
  • the carcass R3 consists of an outer bell 2, closed near its opposite end, by a cylindrical flange 3.
  • This external bell-shaped structure is mounted around a rotor R consisting of a shaft 1, of central axis X3, by means of two ball bearings, respectively 4 in the vicinity of the inner surface of the bell 2, and in the vicinity of the inner surface of the flange 3.
  • the shaft 1 supports, in the vicinity of its outer periphery, with respect to the magnets, of symbol A, a cylindrical magnetic plate Fe2, which supports, in the vicinity of its outer periphery, a non-magnetic cylindrical plate 6, which constitutes the support nested coils E.
  • an air gap EF is formed between the coils E and the magnets A arranged equidistantly on the internal face of the cylindrical magnetic plate Fel.
  • the elements 2, 3, 4, 5, Fel, A constitute a fixed portion PI with respect to the elements 1, Fe2, 6 and E, constituting a mobile part P2.
  • the power supply of the coils E, not shown, is achieved by sliding contacts not shown; the outer bell-shaped cylindrical carcass R3 constitutes an external stator of an actuator or a rotary generator.
  • the relative positioning of the portion PI with respect to the windings El, E2, E3 of the portion P2 comprises a position sensor of the optical type or magnetic type or type Hall effect or potentiometric type.
  • the power supply of the windings El, E2, E3 comprises a current control consisting of bridge switches.
  • the power supply of the windings El, E2, E3 comprises a current control consisting of sliding contacts.
  • This third embodiment of a rotating electrical machine is undoubtedly the most advantageous representation of an electric machine with superposed and staggered fixed or moving coils.
  • this assembly constitutes a fixed bench of a linear electric machine.
  • a non-magnetic U-shaped plate which supports, in the vicinity of its inner surface
  • a magnetic plate which supports, in the vicinity of its inner surface, magnets A arranged in an equidistant manner, this assembly constitutes a moving carriage of the linear electric machine.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
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Abstract

Machine électrique à bobines superposées et décalées fixes ou mobiles, comprenant deux parties dont une première partie PI, incluant une structure magnétisée comportant des éléments parallèles Ai-An de polarité opposée, est sujette à des déplacements selon une direction X relatifs par rapport à la deuxième partie P2 comportant trois enroulements E1, E2, E3 montés sur un support non magnétique, de manière à réaliser avec la structure magnétisée un entrefer dans lequel passent des spires des enroulements E1, E2, E3, les conducteurs des enroulements E1, E2, E3 étant disposés en méandre, lesquels méandres sont décalés régulièrement selon leur axe de symétrie et contenus dans une surface sensiblement parallèle aux éléments de la structure magnétisée, la largeur de chacun des éléments parallèles de la structure magnétisée étant égale à deux fois la largeur des conducteurs d'un enroulement.

Description

MACHINE ELECTRIQUE A BOBINES SUPERPOSEES ET DECALEES FIXES OU MOBILES.
La présente invention concerne une machine électrique à bobines superposées et décalées fixes ou mobiles.
Elle s'applique notamment mais non exclusivement au domaine des actionneurs à induction électromagnétique et, par complément, au domaine des générateurs à induction électromagnétique.
D'une manière générale, on sait que les machines électriques tournantes classiques comprennent un rotor ou induit en mouvement relatif dans des champs magnétiques créés par le stator ou inducteur.
On distingue deux catégories de machines tournantes :
• les machines à induction,
' · les machines à collecteur. Concernant la première catégorie, l'inducteur ou stator, toujours alimenté en courant alternatif, produit un champ tournant qui induit dans le rotor en court- circuit (ou cage d'écureuil) des courants qui, par interaction sur le champ statorique, engendrent un couple moteur.
La vitesse du moteur est liée, entre autre, à la fréquence du courant alternatif et au nombre de pôles du stator ; lequel stator peut être alimenté en courant triphasé, ou en courant monophasé moyennant l'adjonction d'un élément déphaseur afin de permettre le démarrage du moteur à induction.
Concernant la deuxième catégorie, l'inducteur comporte des pièces polaires supportant soit des enroulements d'excitation soit des aimants permanents qui ont une induction rémanente.
Ainsi, au niveau de l'inducteur, la force magnétomotrice qui résulte du passage du courant dans les enroulements d'excitation produit le flux principal qui parcourt l'ensemble du circuit magnétique.
Le circuit magnétique de l'induit est constitué d'un empilage de tôles découpées de manière à obtenir des rainures dans lesquelles sera logé l'enroulement induit, et est soumis au flux d'induction magnétique de l'inducteur.
Le circuit magnétique inducteur et le circuit magnétique induit sont séparés par un entrefer qui fait également partie du circuit magnétique de la machine. Enfin le rotor possède un organe de redressement des courants alternatifs induits, appelé collecteur, dans le cas d'un générateur, ou permet d'alimenter en courant continu l'induit, dans le cas d'un moteur.
Afin d'améliorer les performances mécaniques du moteur, notamment en terme de variations rapides de la vitesse de rotation, on peut diminuer l'inertie de l'induit en donnant à celui-ci un grand allongement (rapport important entre la longueur et le diamètre) ; on peut également donner à l'induit la forme d'un disque mince et éliminer ainsi le fer rotorique, les conducteurs actifs étant alors radiaux.
Hormis ces solutions, essentiellement applicables aux petits moteurs électriques destinés notamment aux servomécanismes, les moteurs classiques ont l'inconvénient de manquer de couple par rapport à leur volume, les conducteurs actifs devant être concentrés dans un faible espace, voisin de l'axe rotatif. On connaît maintenant des moteurs à induction électromagnétique dans lesquels la partie mobile, rotative, correspond à la partie externe inductrice qui constitue alors le rotor, tandis que la partie axiale interne bobinée est fixe et constitue le stator. Une telle structure nécessite des entrefers d'épaisseur importante pour loger les conducteurs bobinés du stator ; la mise en œuvre reste délicate et risque de nuire à l'efficacité électromagnétique de la structure proposée.
On connaît également des moteurs à induction électromagnétique, proche de la structure générale précédente, dans lesquels la partie axiale interne fixe, constituant le stator, comprend une série de tôles minces planes entre lesquelles sont déposées les conducteurs d'excitation ou d'induit, les conducteurs ayant des parties actives s' étendant sensiblement radialement ou parallèlement à l'axe du moteur ; quant à la culasse externe de rotation, constituant la partie inductrice, elle comprend une pluralités de cavaliers aimantés en matériau magnétique disposés dans une pluralité de secteurs angulaires ; ainsi, selon un mode de réalisation, le circuit magnétique circule dans un demi-plan radial et comporte deux entrefers traversés par un flux magnétique radial.
Une telle structure est également de mise en œuvre délicate du fait de la limitation en volume disponible pour le bobinage de l'induit ; en outre, elle nécessite l'adjonction d'une pièce assurant le positionnement précis et régulier des tôles ; cette pièce, de réalisation complexe, obère de manière importante les coûts de fabrication d'une telle structure. D'une manière générale, on sait que les moteurs ou générateurs électriques fonctionnent en absorption de champ magnétique ; en effet un pôle, créé magnétiquement, par exemple un stator, attirera en vis-à-vis de lui-même un pôle de nom contraire du rotor de manière à absorber la plus grande quantité de flux généré par ce pôle ; ce qui explique notamment la complexité des bobinages, l'augmentation du fer, et par conséquent celle du poids.
A cet effet, il convient de remarquer que le handicap essentiel interdisant le développement industriel de la dynamo de POIRSON est dû en grande partie à la structure unipolaire de cette machine interdisant la mise en série des conducteurs qui pourraient l'équiper en remplacement du cylindre massique qui la constituait.
La force électromotrice est limitée à une faible valeur, l'induction est en effet limitée à cause de la saturation du cylindre massique, réduit à un disque de faible épaisseur, placé dans l'entrefer d'un électro-aimant dans le cas de la roue de BARLOW, ou dans une carcasse magnétique, portant des enroulements inducteurs dans le cas de la dynamo de POIRSON.
Par contre, le courant débité peut atteindre des valeurs élevées, à condition de disposer de contacts glissants suffisamment dimensionnés ; la périphérie de l'induit étant équipotentielle, elle sera, par conséquent, recouverte d'un maximum de balais.
L'invention a plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients en proposant une structure de conducteurs électriques disposés en faisceaux imbriqués et juxtaposés les uns aux autres ; cette structure de machines électriques répond uniquement aux lois de Forces de LAPLACE, LORENTZ, et sont dans la continuité de la roue de BARLOW ou de la dynamo de POIRSON. Compte tenu des éléments cités, une autre démarche, proposée par la demanderesse, a permis d'aboutir à une structure du dispositif actionneur électrique ou générateur électrique réagissant à la force de répulsion magnétique ; cette démarche a consisté à disposer une pluralité de paires de pôles de nom contraire, chacune des paires de pôles étant portée par un même barreau magnétique, à proximité de conducteurs cuivre parcourus par des courants de sens opposé sous leur pôle respectif ; ceci nécessite pour bobiner un tel circuit avec un conducteur électrique unique de décaler d'un pas d'aimant le sens de passage des conducteurs entre les tôles successives.
Du fait que les pôles sont discrets et successivement alternés, le courant dans les conducteurs doit être inversé par commutation pour assurer un sens de rotation donné.
Ainsi dans une machine cyclique à courant continu, chaque conducteur élémentaire se déplace dans une induction normale variant avec le temps de manière périodique ; les forces électromotrices engendrées sont également périodiques, et par l'artifice du collecteur, on recueille entre les balais une force électromotrice à peu près constante.
On peut également imaginer de faire déplacer les conducteurs à vitesse constante et dans une induction constante ; le champ électromoteur sera alors constant ; il en sera de même de la force électromotrice ; c'est le principe de la roue de BARLOW et de la dynamo de POIRSON.
La présente invention concerne une machine électrique à bobines superposées et décalées fixes ou mobiles.
Elle propose, à cet effet, une machine électrique à bobines superposées et décalées fixes ou mobiles comprenant deux parties dont une première partie, incluant une structure magnétisée comportant des éléments parallèles de polarité opposée, est sujette à des déplacements relatifs par rapport à la deuxième partie comportant au moins trois enroulements montés sur un support non magnétique, de manière à réaliser avec la structure magnétisée un entrefer dans lequel passent des spires des enroulements, les conducteurs des enroulements étant disposés en méandre composé de U enchaînés, lesquels méandres sont décalés selon leur axe de symétrie et contenus dans une surface sensiblement parallèle aux éléments de la structure magnétisée, la largeur de chacun des éléments parallèles de la structure magnétisée étant égale à deux fois la largeur des conducteurs d'une branche du U enchaîné de l'enroulement, des bornes des enroulements étant connectées à une source de courant électrique commuté dans le cas d'un fonctionnement de type actionneur, la première partie étant couplée mécaniquement à un actionneur dans le cas d'un fonctionnement de type générateur, lequel produisant un courant commuté aux bornes de l'enroulement. Les conducteurs des enroulements peuvent être réalisés en matériau métallique tel que le cuivre, l'argent, l'aluminium, le fer, ou tout autre alliage métallique comportant entre autres, les métaux cités précédemment. Ils peuvent être également réalisés en matériau comportant un élément conducteur associé à un support isolant tel qu'un plastique.
A cet effet, la machine électrique à bobines superposées et décalées fixes ou mobiles selon l'invention comprend :
- une configuration de paires d'aimants et pièces magnétiques générant un flux magnétique le plus uniforme possible et de valeur importante, lesquelles paires d'aimants de polarité opposée, notamment lors de leur déplacement linéaire ou en rotation, sont placées en vis-à-vis et restent en vis-à-vis des bobines superposées et décalées, celles-ci étant fixes dans ce cas et,
- réciproquement, une configuration de paires d'aimants et pièces magnétiques générant un flux magnétique le plus uniforme possible et de valeur importante, lesquelles paires d'aimants de polarité opposée sont placées en vis-à-vis et restent en vis-à-vis des bobines superposées et décalées, celles-ci étant mobiles dans ce cas,
- une configuration de bobines superposées et décalées permettant de placer dans le flux des aimants le maximum de brins conducteurs en utilisant le plus de surface possible traversée par le flux sur une grande épaisseur, de manière à pouvoir disposer d'un grand volume de cuivre ou tout autre conducteur électrique et donc de diminuer les pertes par effet Joule,
- une synchronisation du courant tenant compte de la position des conducteurs des enroulements par rapport aux aimants dans le cas d'un fonctionnement de type actionneur.
Bien entendu, la machine électrique précédemment décrite peut être de type rotative ou de type à déplacement linéaire.
Dans un premier mode de réalisation où elle est de type rotative, la structure magnétisée peut être montée rotative de manière coaxiale sur un axe creux fixe, la structure magnétisée externe constituant un rotor externe d'un moteur ou d'un générateur ; les bobines sont fixes, solidaires de l'axe creux fixe, constituant un stator interne ; les amenées de courant sont situées de part et d'autre de l'axe creux fixe ; par ailleurs, la structure de type rotatif peut être essentiellement cylindrique, le flux magnétique traversant les bobines étant radial, ou être essentiellement annulaire, le flux magnétique traversant les bobines étant axial.
Dans un deuxième mode de réalisation où elle est de type rotative, la structure magnétisée peut être montée de manière coaxiale, la structure magnétisée externe constituant un stator externe fixe d'un moteur ou d'un générateur, la structure magnétisée interne mobile autour d'un axe plein; les bobines sont mobiles autour de l'axe plein et constitue le rotor interne ; les amenées de courant sont réalisées par l'intermédiaire d'un collecteur tournant solidaire du rotor interne.
Dans un troisième mode de réalisation où la machine électrique est de type linéaire, la structure magnétisée est mobile, solidaires d'un chariot monté sur glissières ; les bobines sont fixes et étendues sur toute la longueur de déplacement du chariot.
Dans ce troisième mode de réalisation, les aimants sont montés par paire ; une paire d'aimants est montée sur une structure en fer en forme de cylindre ou d'anneau dans le cas du type rotatif, ou en forme de plaque dans le cas du type linéaire.
Avantageusement, cette structure en fer pourra être segmentée de manière à réduire la masse métallique et les fuites magnétiques.
Quant aux aimants, ils sont de préférence identiques de manière à éviter la saturation et de réduire les coûts de fabrication.
La configuration des bobines permet d'occuper le maximum de la surface de flux ; les bobinages peuvent être réalisés à partir de cuivre ou tout autre conducteur électrique en forme de méplat isolé électriquement, ce qui permet de réduire les courants de Foucault.
Les bobinages peuvent être également réalisés à partir d'un matériau ferromagnétique en forme de méplat isolé électriquement ; cette solution permet de mieux canaliser les lignes de champ et d'en augmenter sa valeur en réduisant l'entrefer; néanmoins la conductibilité électrique de ce type de bobinage est plus faible. Avantageusement, la largeur d'un aimant occupe deux fois la largeur des conducteurs d'une branche du U enchaîné de l'enroulement, la longueur des conducteurs d'une branche du U enchaîné de l'enroulement étant égale à la longueur de l'aimant. Ainsi sur la face opposée de l'aimant, le flux magnétique est ramené par du fer au dessus des conducteurs de la bobine.
Ainsi la paire de pôles de polarité opposée couvre la largeur d'un méandre d'un bobinage ; la configuration du bobinage permet d'occuper le maximum de surface possible soumise au flux des pôles.
Les forces de type Lorentz-Laplace sont donc quasi constantes durant le survol de la largeur de la bobine ; il s'agit ensuite de commuter le courant dans la bobine suivante pour que la force reste de même sens sur la deuxième bobine et de commuter le courant de manière identique sur la troisième bobine pendant le survol de la paire de pôles.
Par ailleurs la synchronisation de la commande du courant dans les bobines doit être effectuée en fonction de la position relative aimant/bobine, de manière à ce que les forces de Lorentz-Laplace soient toujours dans le même sens.
Avantageusement la commande en courant peut être obtenue à partir d'interrupteurs en pont (bipolaire ou MOS) ou tout autre commutateur électrique ; la synchronisation peut être effectuée grâce à un capteur optique, un capteur à effet Hall, ou tout autre solution conventionnelle à contacts glissants ; la précision de la détection en position doit être de l'ordre de la largeur d'un conducteur de la bobine.
Dans le cas d'une synchronisation mécanique à balais, cette solution peut permettre également la commutation de puissance. Les avantages de la structure précédemment décrite selon l'invention sont les suivants :
- une simplicité de réalisation grâce à l'absence de feuilletage des tôles, puisqu'il n'y a pas de fer balayé par un flux, donc pas de flux variable ; le fer qui porte les aimants travaille à flux quasiment constant ;
- un dimensionnement très simple car basé sur les forces de Lorentz- Laplace sous flux tout ou rien ;
- un couple quasi constant à basse vitesse de rotation;
- une très grande densité de puissance du fait de l'absence de fer dans le stator ;
- une très faible inductance du fait de la structure des bobines et de l'absence de fer, ce qui autorise des variations de courant et donc de couple très rapides ;
- un fonctionnement réversible en configuration générateur.
A noter cependant que la partie constituée des bobines doit être suffisamment rigide de manière à résister au couple moteur ou générateur.
Un mode d'exécution sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique de la disposition relative des trois enroulements représentés séparément selon l'invention,
- la figure 2 est une représentation schématique de la disposition des trois enroulements dans le cas d'une structure torique selon l'invention,
- les figures 3a, 3b, sont une représentation schématique des enroulements dans le cas d'une structure torique,
- la figure 4 représente une coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'une machine électrique tournante,
- la figure 5 représente une coupe axiale d'un second mode de réalisation d'une machine électrique tournante, et - la figure 6 représente une coupe axiale d'un troisième mode de réalisation d'une machine électrique tournante.
Dans l'exemple indiqué sur la figure 1, les trois enroulements sont représentés séparément et disposés, pour chacun d'entre eux, en vis-à-vis d'une structure magnétisée ; celle-ci comprend :
- une structure magnétisée PI comportant une série d'éléments magnétiques parallèles ; les aimants Al, A3,.., sont de même polarité ; les aimants A2, A4,..., sont de même polarité, laquelle est opposée à celle des aimants précédents.
- une structure P2 comportant trois enroulements El, E2, E3, les conducteurs des enroulements étant disposés en méandre, lesquels méandres sont décalés selon leur axe de symétrie X et contenus dans une surface sensiblement parallèle aux éléments parallèles Al -An, de la structure magnétisée Pl.
Les enroulements El, E2, E3, sont représentés séparément sur la figure 1 pour une meilleure compréhension de leur position relative ; en réalité, ces trois enroulements sont superposés dans un même plan, afin de constituer la structure P2.
Les méandres des enroulements El, E2, E3, sont respectivement constitués de U enchaînés, les bras des U sont parallèles aux longueurs des aimants Al- An.
La largeur de chacun des éléments parallèles de la structure magnétisée PI est égale à deux fois la largeur des conducteurs d'un enroulement de la structure P2 ; si L est la largeur d'un bras du U de l'enroulement, la largeur totale d'un U de l'enroulement est de 4L, le pas d'un méandre de l'enroulement est de 6L ; la largeur d'un aimant est de 2L et le pas entre deux aimants consécutifs est de 3L. Si L est la largeur d'un bras du U de l'enroulement, l'épaisseur du bras du U de l'enroulement est une fraction significative de la largeur L ; le bras du U de l'enroulement constitue ainsi un conducteur électrique en forme de méplat de largeur L et d'épaisseur inférieure à L.
Ainsi, dans cette configuration, les forces de type Lorentz-Laplace sont quasi constantes durant le survol des enroulements El et E3, les courants circulant dans ces enroulements El, E3, étant de sens contraire ; les forces de type Lorentz-Laplace sont maximales à l'intérieur des enroulements et s'annulent à 1 ' extérieur des enroulements E 1 , E3.
Quant au courant circulant dans l'enroulement E2, il s'agit d'inverser le courant pour que les forces de type Lorentz-Laplace restent de même sens pendant le survol de l'enroulement E2. Le survol des enroulements El, E2, E3, constituant la structure P2, s'effectue par un déplacement relatif par rapport à la structure magnétisée PI, la structure P2 étant fixe par rapport à la structure PI mobile, ou réciproquement la structure P2 étant mobile par rapport à la structure PI fixe. Avantageusement les aimants Al -An, seront à forte aimantation rémanente, de type samarium/cobalt ou néodyme/fer/cobalt, ou autre.
Avantageusement les conducteurs des enroulements El, E2, E3, seront en forme de méplat en cuivre ou tout autre conducteur électrique isolé non magnétique ou magnétique.
Dans l'exemple représenté sur la figure 2, les parties PI et P2 sont disposées selon une structure circulaire ; les trois enroulements El, E2, E3 sont superposés et décalés en forme de tore constituant la partie P2 ; de même les aimants Al -An constituent la partie PI en forme de tore. Dans l'exemple représenté sur les figures 3a, 3b, les enroulements El, E2, E3, dans le cas d'une structure circulaire de la machine électrique tournante représentée sur la figure 2, sont disposés de part et d'autre du tore constituant la partie P2.
Selon la figure 3a, la zone de replis Z est située à l'intérieur du tore ; selon la figure 3b, la zone de replis Z est située à l'extérieur du tore.
Dans l'exemple représenté sur la figure 4, un premier mode de réalisation d'une machine électrique tournante, est indiqué selon une coupe axiale.
La machine tournante comprend une première structure magnétisée dite externe constituée d'une carcasse RI cylindrique en forme de cloche externe, non magnétique, supportant au voisinage de sa surface interne cylindrique une plaque magnétique cylindrique Fel, laquelle est solidaire d'aimants: Al -An, représentés par le symbole A ; lesquels sont disposés d'une manière équidistante sur la face interne de la plaque magnétique cylindrique Fel .
La carcasse RI est constituée d'une cloche cylindrique externe 7, obturée par un flasque 8 ; lequel flasque 8 est solidaire, au voisinage de sa partie centrale, d'une seconde structure en forme de cloche interne fermée, laquelle est constituée d'un cylindre 9, solidaire du flasque 8, d'un flasque 10 et d'un flasque 11 ; ces deux flasques 10 et 11 supportent au voisinage de leur pourtour externe, une seconde plaque magnétique cylindrique Fe2.
Ces deux structures en forme de cloche sont rendues solidaires l'une part rapport à l'autre au voisinage de la surface interne du flasque 8 et de la surface externe du cylindre 9 ; elles sont par ailleurs montées rotatives autour d'un arbre cylindrique creux 1, d'axe central XI, grâce à trois roulements à billes, respectivement 6 au voisinage de la surface interne du flasque 7, 12 au voisinage de la surface interne du cylindre 9, et 13 au voisinage du flasque 11. L'arbre 1 comprend un flasque 2, situé entre les flasques 7 et 11 ; le flasque 2 supporte une plaque cylindrique non magnétique 3, laquelle est supportée, au voisinage de son extrémité opposée, par un flasque 4. Cette structure, constituée des éléments 2, 3, 4, en forme de cloche intermédiaire, est solidaire de l'arbre 1 et est montée rotative grâce à un roulement à billes 5, lequel est situé au voisinage de la surface interne du flasque 4 et de la surface externe du cylindre 9.
La plaque cylindrique non magnétique 3 supporte, au voisinage de sa surface externe, les bobines imbriquées E.
Ainsi, de part et d'autre des éléments 3 et E, sont constitués deux entrefers, respectivement EF1, entre les bobines E et les aimants A disposés d'une manière équidistante sur la face interne de la plaque magnétique cylindrique Fel, et EF2, entre la face interne de la plaque cylindrique non magnétique 3 et la face externe de la plaque cylindrique magnétique Fe2.
Les éléments 7, 8, 9, 10, 11, Fel, Fe2, et A, constituent une partie PI mobile par rapport aux éléments 1, 2, 3, 4, et E, constituant une partie P2 fixe.
Ainsi, l'alimentation électrique des bobines E, non représentée, est simplifiée, ne nécessitant pas de contacts tournants ; la carcasse RI cylindrique en forme de cloche externe constitue un rotor externe d'un actionneur ou d'un générateur rotatif.
Dans l'exemple de la figure 5, un second mode de réalisation d'une machine électrique tournante, est représenté selon une coupe axiale.
La machine tournante comprend une première structure magnétisée dite externe constituée d'une carcasse R2 cylindrique en forme de cloche, non magnétique, supportant au voisinage de ses deux surfaces internes deux plaques magnétiques annulaires Fel, Fe2, lesquelles sont solidaires d'aimants: Al -An, représentés respectivement par les symboles Al et A2 ; lesquels sont disposés d'une manière équidistante sur les faces internes des plaques magnétiques annulaires Fel, Fe2.
La carcasse R2 est constituée de deux flaques 3 et 5, supportant au voisinage de leur pourtour externe, une plaque cylindrique 4. Cette structure en forme de cloche externe est montée rotative autour d'un arbre cylindrique creux 1, d'axe central X2, grâce à deux roulements à billes, respectivement 6 au voisinage de la surface interne du flasque 3, et 7 au voisinage de la surface interne du flasque 5.
L'arbre 1 comprend un flasque 2, situé entre les flasques 3 et 5 ; le flasque 2 supporte au voisinage de son pourtour externe, vis-à-vis des aimants, de symbole Al et A2, des bobines imbriquées E située de part et d'autre du flaque 2.
Ainsi, de part et d'autre du flasque 2, sont constitués deux entrefers, respectivement EF1, entre les bobines E et les aimants Al disposés d'une manière équidistante sur la face interne de la plaque magnétique annulaire Fel, et EF2, entre les bobines E et les aimants A2 disposés d'une manière équidistante sur la face interne de la plaque magnétique annulaire Fe2. Les éléments 3, 4, 5, 6, 7, Fel, Fe2, Al, et A2 constituent une partie PI mobile par rapport aux éléments 1, 2 et E, constituant une partie P2 fixe.
Ainsi, l'alimentation électrique des bobines E, non représentée, est simplifiée, ne nécessitant pas de contacts tournants ; ladite carcasse R2 cylindrique en forme de cloche externe constitue un rotor externe d'un actionneur ou d'un générateur rotatif.
Dans l'exemple de la figure 6, un troisième mode de réalisation d'une machine électrique tournante, est représenté selon une coupe axiale.
La machine tournante comprend une première structure magnétisée dite externe constituée d'une carcasse R3 cylindrique en forme de cloche externe, non magnétique, supportant au voisinage de sa surface interne une plaque magnétique cylindrique Fel, laquelle est solidaires d'aimants: Al -An, représentés par le symbole A; lesquels sont disposés d'une manière équidistante sur la face interne de la plaque magnétique cylindrique Fel . La carcasse R3 est constituée d'une cloche externe 2, fermée au voisinage de son extrémité opposée, par un flasque cylindrique 3.
Cette structure en forme de cloche externe est montée autour d'un rotor R constitué d'un arbre 1, d'axe central X3, grâce à deux roulements à billes, respectivement 4 au voisinage de la surface interne de la cloche 2, et 5 au voisinage de la surface interne du flasque 3.
L'arbre 1 supporte au voisinage de son pourtour externe, vis-à-vis des aimants, de symbole A, une plaque cylindrique magnétique Fe2, laquelle supporte au voisinage de son pourtour externe, une plaque cylindrique non magnétique 6, laquelle constitue le support de bobines imbriquées E.
Ainsi, est constitué un entrefer EF entre les bobines E et les aimants A disposés d'une manière équidistante sur la face interne de la plaque magnétique cylindrique Fel. Les éléments 2, 3, 4, 5, Fel, A, constituent une partie PI fixe par rapport aux éléments 1, Fe2, 6 et E, constituant une partie P2 mobile.
L'alimentation électrique des bobines E, non représentée, est réalisée grâce à des contacts glissants non représentés ; la carcasse R3 cylindrique en forme de cloche externe constitue un stator externe d'un actionneur ou d'un générateur rotatif.
Avantageusement, le positionnement relatif de la partie PI par rapport aux enroulements El, E2, E3 de la partie P2 comprend un capteur de position de type optique ou de type magnétique ou de type à effet Hall ou de type potentiométrique.
Avantageusement, l'alimentation électrique des enroulements El, E2, E3 comprend une commande en courant constituée d'interrupteurs en pont. Avantageusement, l'alimentation électrique des enroulements El, E2, E3 comprend une commande en courant constituée de contacts glissants.
Ce troisième mode de réalisation d'une machine électrique tournante, décrit ci-dessus, constitue sans doute la représentation la plus avantageuse d'une machine électrique à bobines superposées et décalées fixes ou mobiles.
Avantageusement, si on considère en lieu et place du rotor R, une plaque non magnétique supportant au voisinage de sa surface externe, une plaque magnétique, laquelle, au voisinage de sa surface externe une plaque non magnétique laquelle supporte les bobines imbriquées, cet ensemble constitue un banc fixe d'une machine électrique linéaire.
De même, une plaque non magnétique, en forme de U renversé, supportant, au voisinage de sa surface interne une plaque magnétique, laquelle supporte, au voisinage de sa surface interne, des aimants A disposés d'une manière équidistante, cet ensemble constitue un chariot mobile de la machine électrique linéaire.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits.

Claims

Revendications
1. Machine électrique à bobines superposées et décalées fixes ou mobiles,
caractérisée en ce qu'elle comprend deux parties dont une première partie (PI), incluant une structure magnétisée comportant des éléments parallèles (Al -An) de polarité opposée, est sujette à des déplacements relatifs, selon une direction (X), par rapport à la deuxième partie (P2) comportant trois enroulements (El, E2, E3), de manière à réaliser avec la structure magnétisée un entrefer (EF) dans lequel passent des spires des enroulements (El, E2, E3), les conducteurs des enroulements (El, E2, E3) étant disposés en méandre, lesquels méandres sont décalés régulièrement selon leur axe de symétrie et contenus dans une surface sensiblement parallèle aux éléments de la structure magnétisée, la largeur de chacun des éléments parallèles de la structure magnétisée étant égale à deux fois la largeur des conducteurs d'un enroulement.
2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que des bornes des enroulements étant connectées à une source de courant électrique commutée dans le cas d'un fonctionnement de type actionneur, ladite première partie étant couplée mécaniquement à un actionneur dans le cas d'un fonctionnement de type générateur, lequel produisant un courant commuté aux bornes de Γ enroulement.
3. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie (PI) est mobile et la deuxième partie (P2) est fixe.
4. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie (PI) est fixe et la deuxième partie (P2) est mobile.
5. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première partie (PI) comprend des aimants (Al -An) à forte aimantation rémanente, de préférence de type samarium/cobalt ou néodyme/fer/cobalt.
6. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la deuxième partie (P2) comprend des conducteurs en forme de méplat en cuivre ou tout autre conducteur électrique isolé non magnétique ou magnétique.
7. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de positionnement de la partie (PI) par rapport aux enroulements (El, E2, E3) de la partie (P2) qui comprennent un capteur de position de type optique ou de type magnétique ou de type à effet Hall ou de type potentiométrique.
8. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que
P alimentation électrique des enroulements (El, E2, E3) comprend une commande en courant constituée d'interrupteurs en pont.
9. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alimentation électrique des enroulements (El, E2, E3) comprend une commande en courant constituée de contacts glissants.
10. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux parties (PI, P2) sont coaxiales et constituent un actionneur ou un générateur rotatif.
11. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les susdites deux parties (PI, P2) sont contenues dans des plans parallèles et constituent un actionneur ou un générateur linéaire.
12. Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'actionneur ou le générateur rotatif comprend trois enroulements (El, E2, E3) triphasés.
13. Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'actionneur ou le générateur rotatif comprend un rotor externe (RI, R2).
14. Machine selon la revendication 13, caractérisée en ce que le rotor externe (RI, R2) comprend une carcasse de forme cylindrique (7, 8) ou de forme annulaire (3, 4, 5).
15. Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'actionneur ou le générateur rotatif comprend un rotor interne (R).
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