WO2016193609A1 - Moteur asynchrone du type homopolaire compose - Google Patents

Moteur asynchrone du type homopolaire compose Download PDF

Info

Publication number
WO2016193609A1
WO2016193609A1 PCT/FR2016/051292 FR2016051292W WO2016193609A1 WO 2016193609 A1 WO2016193609 A1 WO 2016193609A1 FR 2016051292 W FR2016051292 W FR 2016051292W WO 2016193609 A1 WO2016193609 A1 WO 2016193609A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
armatures
magnetic
axis
magnetic flux
rotating electrical
Prior art date
Application number
PCT/FR2016/051292
Other languages
English (en)
Inventor
François BERNOT
Victor BERNAOLA
Jonh Edwin MORALES MORALES
Original Assignee
Francecol Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Francecol Technology filed Critical Francecol Technology
Priority to JP2018513920A priority Critical patent/JP6917363B2/ja
Priority to EP16733157.8A priority patent/EP3304695A1/fr
Priority to CN201680031585.0A priority patent/CN107873116B/zh
Publication of WO2016193609A1 publication Critical patent/WO2016193609A1/fr
Priority to US15/826,475 priority patent/US10250087B2/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/145—Stator cores with salient poles having an annular coil, e.g. of the claw-pole type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/04—Synchronous motors for single-phase current
    • H02K19/06—Motors having windings on the stator and a variable-reluctance soft-iron rotor without windings, e.g. inductor motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/14—Synchronous motors having additional short-circuited windings for starting as asynchronous motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/12—Transversal flux machines

Definitions

  • the invention relates to an asynchronous rotating electrical machine cage, where none of the electrical windings is rotating, whose structure is composed of homopolar type.
  • an asynchronous induction motor comprises a polyphase stator and a rotating squirrel cage rotor.
  • the rotor is made with a polyphase winding.
  • the torque provided by the machine is directly proportional to the armature current, which causes a significant heating of the rotor, which is not cooled.
  • the invention proposes a solution to this heating of the rotor, by making the various windings of the motor, including the rotor cage, integral with the stator, which is easy to cool by conduction, due to its absence of movement.
  • electromagnetic armature designates a stator generating a magnetic flux consisting of either a DC component, an AC component, or both AC and DC components together.
  • the magnetic flux generated emanates from the electromagnetic armature at a substantially annular surface of direction axis z, said gap surface, in a substantially radial direction in an x-y plane perpendicular to the z axis.
  • Said electromagnetic armature is supplied with alternating current, optionally with a DC component. It can be single or duplicated in several electromagnetic armatures associated in parallel along the axis of rotation, to form a polyphase machine. Said electromagnetic armature forms the stator of the rotating electrical machine. It is annular, hollow or solid at its center, can receive an electric winding, and has a number of pairs of magnetic poles noted "Npp". This number corresponds to the number of pairs of alternating magnetic flux returning (South) and outgoing (North) in the radial direction of z axis through its air gap surface.
  • gap surface designates a cylinder of axis z which corresponds to the average surface of magnetic interaction between the rotor and the stator.
  • the axis marked z corresponds to the axis of rotation of the electrical machine
  • the axis denoted x corresponds to the direction tangential to a cylinder centered on the z axis
  • the y axis corresponds to to the direction of a radius of a disk centered on the z axis.
  • the word "polar plane" designates a plane orthogonal to the z axis.
  • magnetic pole corresponds to zones of the periphery of electromagnetic plates 11 and 12 (see FIGS. 1a to 1c), where the magnetic flux exits in a substantially radial direction with respect to the electromagnetic armature 11, 12 for the North N magnetic poles and enters the electromagnetic armature 11, 12 for the South magnetic poles S.
  • the magnetic flux crosses the gap surface at least partially.
  • SMC powder describe an iron powder characterized by the partial electrical insulation of the elementary particles which form it, such as for example the SMC powder marketed by the company known as Hoganas name.
  • This powder is compressed, according to one of the processes of the following list which is non-exhaustive: iron powder pressed cold or hot, iron powder pressed cold or hot and then hot-cooked, ferrite, iron powder sintered.
  • the process applied to the SMC powder makes it possible to obtain a magnetic circuit whose eddy current losses are reduced, with an isotropic magnetic characteristic.
  • the invention describes a single-phase or two-phase machine. Obviously, a polyphase machine, comprising at least two phases, is made by stacking axially along the same axis of rotation several single-phase machines resulting from the invention, and possibly connecting them by magnetic pieces and coils, to form compound machines.
  • the rotating electrical machine comprises at least one stator and at least one rotor having magnetic flux return parts arranged in a gap separating the rotor from the stator, and it is characterized in that the flux return parts magnetic means are held together by a non-conductive support neither magnetic flux nor electricity, the stator being formed from the following elements:
  • At least one pair of fixed electromagnetic armatures arranged axially in the z-axis direction and substantially centered on an axis z, said electromagnetic armatures receiving one or the other at least one induced coil generating a substantially alternating magnetic flux in the air gap;
  • a magnetic wedge which connects the armatures and ensures the circulation of the magnetic flux in the z-axis direction between said armatures substantially between all the magnetic poles of each of the armatures facing each other in the z-axis direction, said armature wedge being placed in contact with the armatures, on their annular face opposite to the gap; and a straight or twisted inductive annular coil disposed between the gap and the magnetic shim.
  • At least one of the armatures may be composed of a yoke on which projections are arranged whose free end borders the gap and at which an induced winding is wound.
  • This winding can for example pass alternately from one saliency to another, changing side, or be wound around each of the projections, then connected to the next saliency.
  • At least one of the armatures may comprise a magnetic yoke formed of plates arranged in a polar plane x-y and stacked substantially parallel in the z direction.
  • the projections may be configured as mushrooms laid in a substantially regular manner on the cylindrical surface of z axis of said yoke closest to the gap, said mushrooms being formed of sheets arranged in a plane yz and stacked substantially parallel to each other , either in a polar direction of rotation denoted ⁇ , or in a tangential direction x, or in a variable direction, which is substantially perpendicular to the axis of rotation z, said mushrooms being interposed between the yoke and the air gap, and placed on the cylinder head on a substantially annular mechanical interaction surface of axis z, said mushrooms having a recess which receives the induced coil.
  • the inductive ring coils are supplied with direct current.
  • the magnetic wedge can also be made of a magnetic material that accepts alternating fluxes, such as SMC powder or sheets arranged in a substantially polar plane and stacked along a polar direction ⁇ , in order to forming a ring capable of conveying the alternating magnetic flux of direction of axis z, with the induced windings of the armatures each independently connected in short circuit, or in series and connected in short-circuit, the inductive ring coil being then supplied by a alternating current.
  • alternating fluxes such as SMC powder or sheets arranged in a substantially polar plane and stacked along a polar direction ⁇
  • the invention also relates to rotating electrical machines comprising an assembly in the z-axis direction of several rotating electrical machines as defined above.
  • Figs. 1 to 3 show a composite homopolar machine
  • Figure 2 shows a particular embodiment of the compound homopolar machine using mushroom teeth
  • Figure 3 shows a particular embodiment of the compound homopolar machine using claw teeth.
  • Compound homopolar motor 10 as represented in FIGS. 1a to 1c, which constitutes a nonlimiting example presented in a so-called inverted version, that is to say an external rotor, comprises at least one stator and at least one rotor .
  • the rotor comprises magnetic flux return parts 13 arranged in the gap separating the rotor from the stator. According to the invention, these parts are held together by a non-conducting support or magnetic flux or electricity.
  • the stator is formed of the following elements, visible in the figures la to the:
  • At least one pair of fixed electromagnetic armatures 11 and 12 arranged axially in the z-axis direction and substantially centered on the z axis, which electromagnetic armatures receive one or the other at least one induced coil (see following figures). ) generating a substantially alternating magnetic flux in the gap,
  • the magnetic hold 15 is preferably placed in contact with the armatures 11 and 12, on their annular face opposite to the air gap surface,
  • the magnetic wedge 15 is made of either solid mild steel or another solid ferromagnetic material.
  • the support 13 for magnetic flux return parts is made of non-magnetic or magnetic stainless steel.
  • Said magnetic flux return parts 13 are traversed by a magnetic flux consisting of an AC component and / or a DC component, which imposes a particular embodiment.
  • said magnetic flux return parts 13 are arranged in a polar plane x-y and stacked annularly by displacement substantially in the direction of rotation ⁇ .
  • said return pieces 13 are manufactured using SMC powder. They are characterized by a section in the polar plane adapted to the passage of the flux emitted by the electromagnetic plates 11 and 12, preferably without causing excessive magnetic saturation therein.
  • Said magnetic flux return parts 13 are in number equal to half of the magnetic poles of the electromagnetic plates 11 and 12, and they are angularly offset in a substantially constant manner between them.
  • the electromagnetic armatures 11 and 12 are preferably identical, and have the same number of magnetic poles.
  • the generation of North and South polar alternations in the electromagnetic armatures is obtained by a winding and a particular geometry of the electromagnetic reinforcements, not shown in FIG. geometry is characterized, in a first embodiment, by salient poles (armature generating a single-phase magnetic flux) and, in a second embodiment, by smooth poles (armature generating a three-phase magnetic flux, corresponding to a rotating electromagnetic field) equivalent).
  • the electromagnetic plates 11 and 12 are respectively angularly offset relative to each other by an angle a (counted in a polar plane), according to the illustration 10a of FIG.
  • This angle a is defined by the angular offset between a reference of the x-y plane set on a magnetic pole South S of the electromagnetic armature 11 and a reference of the x-y plane set on the magnetic pole South S closest to the armature 12
  • the armatures 11 and 12 are no longer in opposition, but they are shifted by an angle other than 180 °.
  • the excitation coils (not shown in FIG. 1c) of the electromagnetic plates 11 and 12 are supplied with a substantially alternating current whose frequency is substantially equal to the rotation frequency of the rotor multiplied by the number of pairs Npp of magnetic poles. and whose temporal phase relative to the mechanical position of the rotor is calculated so as to optimize the torque generated on the rotor.
  • the compound homopolar motor is particularly interesting because it has no rotating coil or magnet. It allows operation in synchronous mode autopilot, with a high overspeed capacity, thanks to the mode of defluxing by the inductor, by decreasing the excitation current of the inductor coil 14.
  • the magnetic shim 15 is replaced, or supplemented, by an annular magnet which generates a magnetic flux of direction of axis z.
  • All the magnetic parts forming the homopolar machine 10 may be made either of cut and stacked ferromagnetic sheets or of SMC powder.
  • the magnetic wedge 15 can also be made of solid magnetic material such as steel or soft iron.
  • one and / or the other of the electromagnetic plates 11 or 12 is composed of a yoke 28 on which projections 26 are arranged whose free end borders the The air gap and around which is wound an induced coil 27. The latter is passed alternately from one salience 26 to another, changing side or is wrapped around each of the projections 26, and then connected to the next saliency 26.
  • the magnetic flux return parts 13 preferably have a polar length, in the polar angular direction ⁇ , substantially equal to the angular length - at the air gap - protrusions
  • the magnetic flux return parts 13 preferably have a section in the polar section plane substantially equal to the section of the polar projections 26 in a cylindrical plane at the gap of one air gap.
  • the reinforcements 11 and 12 can also be made with SMC sheet metal or powder claws.
  • one and / or the other of the electromagnetic plates 11 or 12 is composed of:
  • an electromagnetic yoke 38 formed of sheets 36, which are arranged in a polar plane x-y and stacked substantially parallel in the z direction,
  • mushrooms 35 laid substantially evenly on the cylindrical surface of z axis of said yoke 38 closest to the gap.
  • the mushrooms 35 are formed of plates 33 arranged in a plane yz and stacked substantially parallel to each other, either in the polar direction of rotation denoted ⁇ , or in the tangential direction x, or in a variable direction, which is substantially perpendicular to the axis of rotation z.
  • Said mushrooms 35 are interposed between the yoke 38 and the gap, and are placed on the yoke 38 on a substantially annular mechanical interaction surface of axis z. They preferably comprise a recess 39 which receives the induced coil 27.
  • the angle a is counted from the radial center of symmetry of a mushroom 35 of which the flat face in the polar plane is oriented towards the decreasing ordinates z. Any other definition of ⁇ consistent with this last definition remains valid. It appears that in this particular embodiment 30, the flows in the rotating electrical machine are of the transverse type simultaneously with the rotor and the stator.
  • the yokes 28 and / or 38 are in the first case annular, and in a second case discoidal.
  • the invention proposes in fact to transform the homopolar motor compound 10 or 20 or 30, which operates in synchronous mode autopilot, said BLDC, and whose inductor 14 is supplied with direct current, in a homopolar asynchronous machine.
  • the invention uses the same structure as the machine 10 with its particular embodiments 20 or 30.
  • the invention is characterized by the following apparent differences in the particular embodiments 10, 20 and 30:
  • the magnetic wedge 15 is made of a magnetic material that accepts alternating fluxes, such as SMC powder or sheets arranged in a substantially polar plane and stacked along an angular direction ⁇ , in order to form a ring capable of to convey the alternating magnetic flux of direction of axis z,
  • the induced coils of the armatures 11 and 12 in the embodiment 10, or the induced coils referenced 27 in the embodiments 20 or 30, are each independently connected in short-circuit. According to another embodiment, they are connected in series and connected in short circuit. In yet another embodiment, the induced windings 27 are each replaced by a short-circuit cage, similar to that of a state-of-the-art induction machine.
  • the excitation coil or inductor coil 14 is powered by an alternating current, which brings the electrical energy to the motor.
  • the machine obtained is an asynchronous induction machine, which has the same operation as a machine induction of the state of the art.
  • a polyphase machine is constructed, as already mentioned, axially associating several machines of the invention.
  • the operating mode of the asynchronous twin-feed machine is obtained by supplying the armature with alternating current, simultaneously with the inductor.
  • the invention covers not only the outer rotor configurations as illustrated, but also the inner rotor structures.
  • the passage from one to another is by mirror effect vis-à-vis the air gap surface, as described in the state of the art, using a radial symmetry centered around the gap surface.
  • the description of the rotating electrical machine of the invention extends to a linear electric machine, performing a conformal transformation, which unrolls the dimensions in the polar axis x in linear dimensions.
  • All or part of the ferromagnetic parts constituting the invention can in any case be made of SMC powder.
  • the electric machine of the invention may comprise armature claws sheet metal or removable teeth.
  • the electrical machine of the invention can be controlled by an open loop voltage control algorithm, and can optionally incorporate a noise reduction method of its encoder.
  • the electric machine of the invention can be insulated with a silicone-based high temperature insulation process.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Une machine électrique tournante asynchrone est présentée où aucun des bobinages électriques n'est tournant et dont la structure est de type homopolaire composée. Elle comprend : un rotor présentant des pièce de retour de flux magnétique (13) et un stator composé : une paire d'armatures (11,12), une cale magnétique (15) reliant les armatures (11,12) et assurant le flux magnétique dans direction de l'axe de rotation, une bobine annulaire inducteur (14) étant alimentée en courant alternatif et logée entre l'entrefer et la cale et un ou deux bobines d'induit (27) étant reçu par un ou tous les deux armatures (11,12) générant un flux magnétique alternatif.

Description

MOTEUR ASYNCHRONE DU TYPE HOMOPOLAIRE COMPOSE
L'invention concerne une machine électrique tournante asynchrone à cage, où aucun des bobinages électriques n'est tournant, dont la structure est de type homopolaire composée.
De manière connue, un moteur asynchrone d'induction comporte un stator polyphasé et un rotor à cage d' écureuil tournante. Dans certains cas le rotor est réalisé avec un enroulement polyphasé . Le couple fourni par la machine est directement proportionnel au courant d'induit, ce qui provoque un échauffement important du rotor, qui n'est pas refroidi.
L'invention propose une solution à cet échauffement du rotor, en rendant les différents bobinages du moteur, dont la cage rotorique, solidaires du stator, qui est facile à refroidir par conduction, en raison de son absence de mouvement .
Dans la description de l'invention, le mot « armature électromagnétique » désigne un stator générant un flux magnétique constitué soit d'une composante continue, soit d'une composante alternative, soit encore des deux composantes alternative et continue réunies. Le flux magnétique généré sort de l'armature électromagnétique au niveau d'une surface sensiblement annulaire d'axe de direction z dite surface d'entrefer, dans une direction sensiblement radiale dans un plan x-y perpendiculaire à l'axe z.
Ladite armature électromagnétique est alimentée en courant alternatif, avec de façon optionnelle une composante continue. Elle peut être unique ou dupliquée en plusieurs armatures électromagnétiques associées parallèlement selon l'axe de rotation, pour former une machine polyphasée. Ladite armature électromagnétique forme le stator de la machine électrique tournante. Elle est annulaire, évidée ou pleine en son centre, peut recevoir un bobinage électrique, et comporte un nombre de paires de pôles magnétiques noté « Npp ». Ce nombre correspond au nombre de paires d'alternance de flux magnétique rentrant (Sud) et sortant (Nord) dans la direction radiale d'axe z au travers de sa surface d' entrefer .
Dans la description de l'invention, le mot « surface d'entrefer » désigne un cylindre d'axe z qui correspond à la surface moyenne d' interaction magnétique entre le rotor et le stator .
Dans la description de l'invention, l'axe noté z correspond à l'axe de rotation de la machine électrique, l'axe noté x correspond à la direction tangentielle à un cylindre centré sur l'axe z et l'axe y correspond à la direction d'un rayon d'un disque centré sur l'axe z. Le mot « plan polaire » désigne un plan orthogonal à l'axe z.
Dans la description de 1 ' invention , le mot « pôle magnétique » correspond à des zones de la périphérie d' armatures électromagnétiques 11 et 12 (voir en figures la à le) , où le flux magnétique sort dans une direction sensiblement radiale par rapport à l'armature électromagnétique 11, 12 pour les pôles magnétiques Nord N et rentre dans l'armature électromagnétique 11, 12 pour les pôles magnétiques Sud S. Le flux magnétique traverse la surface d'entrefer de façon au moins partielle .
Dans la description de l'invention, le mot et 1 ' abréviation « poudre SMC » décrivent une poudre de fer caractérisée par l'isolation électrique partielle des particules élémentaires qui la forment, comme par exemple la poudre SMC commercialisée par la société connue sous le nom de Hoganas. Cette poudre est compressée, selon l'un des procédés de la liste suivante qui est non-exhaustive : poudre de fer pressée à froid ou à chaud, poudre de fer pressée à froid ou à chaud puis cuite à chaud, ferrite, poudre de fer frittée. Le procédé appliqué à la poudre SMC permet d' obtenir un circuit magnétique dont les pertes par courant de Foucault sont réduites, avec une caractéristique magnétique isotrope. L'invention décrit une machine monophasée ou diphasée. De façon évidente, une machine polyphasée, comportant au moins deux phases, est réalisée en empilant axialement le long d'un même axe de rotation plusieurs machines monophasées issues de l'invention, et en les reliant éventuellement par des pièces magnétiques et des bobines, afin de former des machines composées .
Selon l'invention, la machine électrique tournante comporte au moins un stator et au moins un rotor présentant des pièces de retour de flux magnétique agencées dans un entrefer séparant le rotor du stator, et elle se caractérise en ce que les pièces de retour de flux magnétique sont maintenues entre elles par un support non-conducteur ni du flux magnétique ni de l'électricité, le stator étant formé des éléments suivants :
- au moins une paire d'armatures électromagnétiques fixes agencées axialement dans la direction d'axe z et sensiblement centrées sur un axe z , lesdites armatures électromagnétiques recevant l'une ou l'autre au moins un bobinage induit générant un flux magnétique sensiblement alternatif dans l'entrefer ;
- une cale magnétique qui relie les armatures et assure la circulation du flux magnétique dans la direction d'axe z entre lesdites armatures sensiblement entre tous les pôles magnétiques de chacune des armatures en vis-à-vis dans la direction d'axe z, ladite cale étant placée en contact avec les armatures, sur leur face annulaire opposée à l'entrefer ; et une bobine annulaire inductrice droite ou vrillée, disposée entre l'entrefer et la cale magnétique.
Selon une configuration possible, au moins l'une des armatures peut être composée d' une culasse sur laquelle sont agencées des saillances dont l'extrémité libre borde l'entrefer et au niveau desquelles est enroulé un bobinage induit.
Ce bobinage peut par exemple passer alternativement d' une saillance à une autre, en changeant de côté, ou être enroulé autour de chacune des saillances, puis relié à la saillance suivante .
Selon une possibilité, au moins l'une des armatures peut comporter une culasse magnétique formée de tôles agencées dans un plan polaire x-y et empilées de façon sensiblement parallèle dans la direction z .
Les saillances peuvent être configurées en champignons posés de façon sensiblement régulière sur la surface cylindrique d'axe z de ladite culasse la plus proche de l'entrefer, lesdits champignons étant formés de tôles agencées dans un plan y-z et empilées de façon sensiblement parallèles entre elles, soit dans une direction polaire de rotation notée Θ, soit dans une direction tangentielle x, soit dans une direction variable, qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z, lesdits champignons étant interposés entre la culasse et l'entrefer, et posés sur la culasse sur une surface d'interaction mécanique sensiblement annulaire d'axe z, lesdits champignons comportant un évidement qui reçoit le bobinage induit.
Selon une configuration possible, les bobines annulaires inductrices sont alimentées en courant continu.
Selon une possibilité, la cale magnétique peut par ailleurs être réalisée en un matériau magnétique qui accepte les flux alternatifs, tels qu'une poudre SMC ou des tôles agencées dans un plan sensiblement polaire et empilées le long d'une direction polaire Θ, afin de former un anneau capable de véhiculer le flux magnétique alternatif de direction d'axe z, avec les bobinages induits des armatures connectés chacun indépendamment en court-circuit, ou en série et reliées en court-circuit, la bobine annulaire inductrice étant alors alimentée par un courant alternatif.
En variante, lesdits bobinages induits peuvent être remplacés chacun par une cage en court-circuit. Enfin, l'invention concerne également des machines électriques tournantes comprenant un assemblage dans la direction d'axe z de plusieurs machines électriques tournantes telles que définies ci-dessus.
L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures ci-après, pour lesquelles :
Les figures la à le présentent une machine homopolaire composée ;
La figure 2 présente une réalisation particulière de la machine homopolaire composée utilisant des dents champignons ;
La figure 3 présente une réalisation particulière de la machine homopolaire composée utilisant des dents à griffe.
Le moteur homopolaire composé 10, tel que représenté dans les figures la à le, qui constitue un exemple non limitatif présenté dans une version dite inversée, c'est-à-dire à rotor extérieur, comporte au moins un stator et au moins un rotor. Le rotor comporte des pièces de retour de flux magnétique 13 agencées dans l'entrefer séparant le rotor du stator. Selon l'invention, ces pièces sont maintenues entre elles par un support non-conducteur ni du flux magnétique ni de 1 ' électricité .
Le stator est formé des éléments suivants, visibles dans les figures la à le :
au moins une paire d'armatures électromagnétiques fixes 11 et 12 agencées axialement dans la direction d'axe z et sensiblement centrées sur l'axe z, lesquelles armatures électromagnétiques reçoivent l'une ou l'autre au moins un bobinage induit (voir figures suivantes) générant un flux magnétique sensiblement alternatif dans l'entrefer,
- une cale magnétique 15 qui relie les armatures 11 et
12, assurant la circulation du flux magnétique dans la direction d' axe z entre les armatures 11 et 12 sensiblement entre tous les pôles magnétiques de chacune des armatures 11 et 12 en vis-à-vis dans la direction d'axe z. La cale magnétique 15 est préférentiellement placée en contact avec les armatures 11 et 12, sur leur face annulaire opposée à la surface d'entrefer,
une bobine annulaire inductrice 14 droite ou vrillée, disposée entre l'entrefer et la cale magnétique 15.
Dans une réalisation particulièrement économique, la cale magnétique 15 est réalisée soit en acier doux massif, soit dans un autre matériau ferromagnétique massif .
Selon une réalisation particulière, le support des pièces 13 de retour du flux magnétique est réalisé en acier inoxydable amagnétique ou magnétique .
Lesdites pièces de retour de flux magnétique 13 sont parcourues par un flux magnétique constitué d'une composante alternative et/ou d'une composante continue, ce qui impose une réalisation particulière . Par exemple , dans un premier mode de réalisation en tôles feuilletées, lesdites pièces de retour de flux magnétique 13 sont disposées dans un plan polaire x-y et empilées annulairement par déplacement sensiblement dans la direction de la rotation Θ. Selon un deuxième mode de réalisation, lesdites pièces de retour 13 sont fabriquées à l'aide de poudre SMC. Elles sont caractérisées par une section dans le plan polaire adaptée au passage du flux émis par les armatures électromagnétiques 11 et 12 , préférentiellement sans y provoquer de saturation magnétique excessive. Lesdites pièces de retour de flux magnétique 13 sont en nombre égal à la moitié des pôles magnétiques des armatures électromagnétiques 11 et 12 , et elles sont décalées angulairement de façon sensiblement constante entre elles.
Les armatures électromagnétiques 11 et 12 sont de façon préférentielle identiques, et comportent le même nombre de pôles magnétiques. La génération des alternances polaires Nord et Sud dans les armatures électromagnétiques est obtenue par un bobinage et une géométrie particulière des armatures électromagnétiques, non-représentée à la figure 1. Cette géométrie est caractérisée, dans un premier mode de réalisation, par des pôles saillants (armature générant un flux magnétique monophasé) et, dans un deuxième mode de réalisation, par des pôles lisses (armature générant un flux magnétique triphasé, correspondant à un champ électromagnétique tournant équivalent) .
Les armatures électromagnétiques 11 et 12 sont respectivement décalées angulairement l'une par rapport à l'autre d'un angle ©a (compté dans un plan polaire), selon l'illustration 10a de la figure le. Cet angle ©a se définit par le décalage angulaire entre un repère du plan x-y calé sur un pôle magnétique Sud S de l'armature électromagnétique 11 et un repère du plan x-y calé sur le pôle magnétique Sud S le plus proche de l'armature 12
Selon un premier mode de réalisation, les armatures 11 et
12 sont en opposition, ce qui correspond à un angle ©a = 180°. Dans un deuxième mode de réalisation, les armatures 11 et 12 ne sont plus en opposition, mais elles sont décalées d'un angle différent de 180°. Le cas ©a = 180° correspond par exemple à un moteur électrique synchrone monophasé si les armatures 11 et 12 sont du type à pôles saillants. Le cas ©a = 90° ou ©a = 270° correspond par exemple à un moteur électrique synchrone diphasé si les armatures 11 et 12 sont du type à pôles saillants.
Les bobines d'excitation (non représentées en figure le) des armatures électromagnétiques 11 et 12 sont alimentées par un courant sensiblement alternatif, dont la fréquence est sensiblement égale à la fréquence de rotation du rotor multiplié par le nombre de paires Npp de pôles magnétiques, et dont la phase temporelle relativement à la position mécanique du rotor est calculée de façon à optimiser le couple généré sur le rotor.
Le moteur homopolaire composé est notamment intéressant car il ne comporte aucune bobine tournante, ni aimant. Il autorise un fonctionnement en mode synchrone autopiloté, avec une capacité à la survitesse importante, grâce au mode de défluxage par l'inducteur, en diminuant le courant d'excitation de la bobine inductrice 14.
Dans un mode de réalisation particulier, la cale magnétique 15 est remplacée, ou complétée, par un aimant annulaire qui génère un flux magnétique de direction d' axe z . Optionnellement, il est alors possible de supprimer la bobine d'excitation 14.
Toutes les pièces magnétiques formant la machine homopolaire 10 peuvent être réalisées soit en tôles ferromagnétiques découpées et empilées, soit en poudre SMC. Dans un mode de réalisation économique, la cale magnétique 15 peut également être réalisée en matériau magnétique massif tel que de l'acier ou du fer doux.
Dans un mode de réalisation particulier 20 des armatures
11 et/ou 12, tel que représenté à la figure 2, l'une et/ou l'autre des armatures électromagnétiques 11 ou 12 est composée d'une culasse 28 sur laquelle sont agencées des saillances 26 dont l'extrémité libre borde l'entrefer et autour desquelles est enroulé un bobinage induit 27. Ce dernier soit passe alternativement d'une saillance 26 à une autre, en changeant de côté, soit est enroulé autour de chacune des saillances 26, puis relié à la saillance 26 suivante.
Dans ce mode de réalisation 20 de la figure 2, les pièces de retour de flux magnétique 13 ont de façon préférentielle une longueur polaire, dans la direction angulaire polaire Θ, sensiblement égale à la longueur angulaire - au droit de l'entrefer - des saillances polaires 26. Dans ledit mode de réalisation particulier 20, les pièces de retour de flux magnétique 13 ont de façon préférentielle une section dans le plan de coupe polaire sensiblement égale à la section des saillances polaires 26 dans un plan cylindrique au droit de 1' entrefer . Dans le mode de réalisation particulier 20, les armatures 11 et 12 peuvent aussi être réalisées avec des griffes en tôle ou en poudre SMC.
Dans un autre mode de réalisation 30 des armatures 11 et/ou 12, tel que représentée à la figure 3, l'une et/ou l'autre des armatures électromagnétiques 11 ou 12 est composée :
d'une culasse électromagnétique 38 formée de tôles 36, lesquelles sont agencées dans un plan polaire x-y et empilées de façon sensiblement parallèle dans la direction z ,
de champignons 35 posés de façon sensiblement régulière sur la surface cylindrique d' axe z de ladite culasse 38 la plus proche de l'entrefer. Les champignons 35 sont formés de tôles 33 agencées dans un plan y-z et empilées de façon sensiblement parallèles entre elles, soit dans la direction polaire de rotation notée Θ, soit dans la direction tangentielle x, soit dans une direction variable , qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z. Lesdits champignons 35 sont interposés entre la culasse 38 et l'entrefer, et sont posés sur la culasse 38 sur une surface d' interaction mécanique sensiblement annulaire d'axe z. Ils comportent de façon préférentielle un évidement 39 qui reçoit le bobinage induit 27.
Dans ce mode de réalisation particulier 30, afin de simplifier la description de l'invention et d'assurer la cohérence avec la description des autres réalisations, l'angle ©a est compté à partir du centre de symétrie radial d' un champignon 35 dont la face plane dans le plan polaire est orientée vers les ordonnées z décroissantes. Toute autre définition de ©a cohérente avec cette dernière définition reste valable . Il apparaît que dans ce mode de réalisation particulier 30, les flux dans la machine électrique tournante sont du type transverse simultanément au rotor et au stator.
Dans les modes de réalisation particuliers 20 et 30, les culasses 28 et/ou 38 sont dans un premier cas annulaires, et dans un deuxième cas discoidales .
L'invention se propose en fait de transformer le moteur homopolaire composé 10 ou 20 ou 30, qui fonctionne en mode synchrone autopiloté, dit BLDC, et dont l'inducteur 14 est alimenté en courant continu , en une machine homopolaire asynchrone. L'invention utilise la même structure que la machine 10 avec ses modes de réalisation particuliers 20 ou 30. L'invention se caractérise par les différences suivantes apparentes dans les réalisations particulières 10, 20 et 30 :
- la cale magnétique 15 est réalisée en un matériau magnétique qui accepte les flux alternatifs, tels qu'une poudre SMC ou des tôles agencées dans un plan sensiblement polaire et empilées le long d'une direction angulaire Θ, afin de former un anneau capable de véhiculer le flux magnétique alternatif de direction d' axe z ,
les bobinages induits des armatures 11 et 12 dans le mode de réalisation 10, ou les bobinages induits référencés 27 dans les modes de réalisation 20 ou 30, sont connectés chacun indépendamment en court-circuit. Selon un autre mode de réalisation, ils sont connectés en série et reliés en court- circuit. Dans un autre mode de réalisation encore, les bobinages induits 27 sont remplacés chacun par une cage en court-circuit, similaire à celle d'une machine d'induction de l'état de l'art,
- la bobine d' excitation ou bobine inductrice 14 est alimentée par un courant alternatif, qui amène l'énergie électrique au moteur.
La machine obtenue est une machine asynchrone d'induction, qui a un fonctionnement identique à celui d'une machine d'induction de l'état de l'art. Une machine polyphasée est construite, comme déjà mentionné, en associant axialement plusieurs machines de l'invention. Le mode de fonctionnement de la machine asynchrone à double alimentation est obtenu en alimentant en courant alternatif l'induit, simultanément à 1 ' inducteur .
Toute la description de l'invention a été effectuée pour une machine tournante électrique dont la surface d'entrefer est un cylindre centré autour de son axe de rotation z . La transposition de l'invention à une machine de type discoidale, où la surface d'entrefer est un disque, annulaire ou plein, centré sur l'axe de rotation, se fait de façon évidente par l'homme de l'art, en utilisant les symétries de conception adéquates, qui transposent par exemple les flux radiaux en flux tangentiels et réciproquement.
La description de l'invention ci-dessus s'étend par ailleurs à tous les modes de fonctionnement de la machine électrique tournante décrite, dans les quatre quadrants de fonctionnement du plan couple-vitesse de l'arbre, et par conséquent en modes moteur, générateur et frein, en sens de rotation positif et négatif.
L'invention couvre non seulement les configurations à rotor extérieur, telles qu'illustrées, mais également les structures à rotor intérieur. Le passage des unes aux autres se fait par effet miroir vis-à-vis de la surface d'entrefer, comme le décrit l'état de l'art, en utilisant une symétrie radiale centrée autour de la surface d'entrefer.
Il est à noter que la description de la machine électrique tournante de l'invention s'étend à une machine électrique linéaire, en effectuant une transformation conforme, qui déroule les dimensions dans l'axe polaire x en des dimensions linéaires . Tout ou partie des pièces ferromagnétiques constituant l'invention peut en tout état de cause être réalisé en poudre SMC.
La machine électrique de l'invention peut comporter des armatures à griffe en tôle ou à dents amovibles. La machine électrique de l'invention peut être commandée par un algorithme de commande en boucle ouverte de tension, et peut intégrer éventuellement un procédé de réduction du bruit de son codeur. La machine électrique de 1 ' invention peut être isolée avec un procédé d'isolation haute température à base de silicone.
Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être étendus à d' autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles magnétiques électromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées .

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine électrique tournante comportant au moins un stator et au moins un rotor présentant des pièces de retour de flux magnétique (13) agencées dans un entrefer séparant le rotor du stator, caractérisé en ce que les pièces de retour de flux magnétique (13) sont maintenues entre elles par un support non-conducteur ni du flux magnétique ni de l'électricité, le stator étant formé des éléments suivants :
au moins une paire d' armatures électromagnétiques fixes (11, 12) agencées axialement dans une direction d'axe z et sensiblement centrées sur l'axe z, lesdites armatures électromagnétiques (11, 12) recevant l'une ou l'autre au moins un bobinage induit (27) générant un flux magnétique sensiblement alternatif dans l'entrefer ;
une cale magnétique (15) qui relie les armatures (11, 12), assurant la circulation du flux magnétique dans la direction d'axe z entre les armatures (11, 12) sensiblement entre tous les pôles magnétiques de chacune des armatures (11, 12) en vis-à-vis dans la direction d'axe z, ladite cale (15) étant placée en contact avec les armatures (11, 12) , sur leur face annulaire opposée à l'entrefer ; et
une bobine annulaire inductrice (14) droite ou vrillée, disposée entre l'entrefer et la cale magnétique (15).
2. Machine électrique tournante, selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'au moins l'une des armatures (11, 12) est composée d'une culasse (28, 38) sur laquelle sont agencées des saillances (26, 35) dont l'extrémité libre borde l'entrefer et au niveau desquelles est enroulé un bobinage (27) .
3. Machine électrique tournante, selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le bobinage induit (27) passe alternativement d'une saillance (26) à une autre, en changeant de côté, ou est enroulé autour de chacune des saillances (26), puis relié à la saillance (26) suivante.
4. Machine électrique tournante selon la revendication 2 , caractérisée en ce que les saillances sont configurées en champignons (35) posés de façon sensiblement régulière sur la surface cylindrique d'axe z de ladite culasse (38) la plus proche de l'entrefer, lesdits champignons étant formés de tôles (33) agencées dans un plan y-z et empilées de façon sensiblement parallèles entre elles, soit dans une direction polaire de rotation notée Θ, soit dans une direction tangentielle x, soit dans une direction variable , qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z, lesdits champignons (35) étant interposés entre la culasse (38) et l'entrefer, et posés sur la culasse (38) sur une surface d'interaction mécanique sensiblement annulaire d'axe z, lesdits champignons (35) comportant un évidement (39) , qui reçoit le bobinage (27) .
5. Machine électrique tournante selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que au moins l'une des armatures (11, 12) comporte une culasse magnétique (28, 38) formée de tôles (36) agencées dans un plan x-y et empilées de façon sensiblement parallèle dans la direction z .
6. Machine électrique tournante, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les bobines annulaires d'induction (14) sont alimentées en courant continu .
7. Machine électrique tournante, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 , caractérisée en ce que : la cale magnétique (15) est réalisée en un matériau magnétique qui accepte les flux alternatifs, tels qu'une poudre SMC ou des tôles agencées dans un plan sensiblement polaire et empilées le long d'une direction polaire Θ, afin de former un anneau capable de véhiculer le flux magnétique alternatif de direction d' axe (z) en son sein, - les bobinages induits (27) des armatures (11, 12) sont connectés chacun indépendamment en court-circuit, ou en série et reliés en court-circuit, ou
- la bobine annulaire inductrice (14) est alimentée par un courant alternatif.
8. Machine électrique tournante selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les bobinages induits (27) sont remplacés chacun par une cage en court-circuit,
9. Machine électrique tournante comprenant un assemblage dans la direction d'axe z de plusieurs machines électriques tournantes selon l'une quelconque des revendications précédentes .
PCT/FR2016/051292 2015-05-29 2016-05-30 Moteur asynchrone du type homopolaire compose WO2016193609A1 (fr)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018513920A JP6917363B2 (ja) 2015-05-29 2016-05-30 単極複合型非同期モータ
EP16733157.8A EP3304695A1 (fr) 2015-05-29 2016-05-30 Moteur asynchrone du type homopolaire compose
CN201680031585.0A CN107873116B (zh) 2015-05-29 2016-05-30 单极复励型异步电机
US15/826,475 US10250087B2 (en) 2015-05-29 2017-11-29 Homopolar compound-type asynchronous motor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1501109 2015-05-29
FR1501109A FR3036868A1 (fr) 2015-05-29 2015-05-29 Moteur homopolaire compose asynchrone

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US15/826,475 Continuation US10250087B2 (en) 2015-05-29 2017-11-29 Homopolar compound-type asynchronous motor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016193609A1 true WO2016193609A1 (fr) 2016-12-08

Family

ID=55072689

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2016/051292 WO2016193609A1 (fr) 2015-05-29 2016-05-30 Moteur asynchrone du type homopolaire compose

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10250087B2 (fr)
EP (1) EP3304695A1 (fr)
JP (1) JP6917363B2 (fr)
CN (1) CN107873116B (fr)
FR (1) FR3036868A1 (fr)
WO (1) WO2016193609A1 (fr)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3093798B1 (fr) * 2019-03-12 2021-06-25 Ntn Snr Roulements Système de détermination d’au moins un paramètre de rotation d’un organe tournant
CN112039231A (zh) * 2020-08-21 2020-12-04 江苏城邦汽车配件制造有限公司 一种采用复合定子的电励磁双凸极电机

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993014551A1 (fr) * 1992-01-21 1993-07-22 Boral Johns Perry Industries Pty. Ltd. Machine a courant alternatif
WO2008098403A2 (fr) * 2007-02-15 2008-08-21 Gloor Engineering Machine électrique
DE102013200890A1 (de) * 2013-01-21 2014-07-24 Robert Bosch Gmbh Transversalflussmaschine
DE102013210084A1 (de) * 2013-05-29 2014-12-04 Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg Transversalflussmaschine und Verfahren zu deren Herstellung

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100649404B1 (ko) * 2001-11-29 2006-11-27 야마하하쓰도키 가부시키가이샤 축방향 간극형 회전전기기계
US7514833B2 (en) * 2004-09-03 2009-04-07 Ut-Battelle Llc Axial gap permanent-magnet machine with reluctance poles and PM element covers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993014551A1 (fr) * 1992-01-21 1993-07-22 Boral Johns Perry Industries Pty. Ltd. Machine a courant alternatif
WO2008098403A2 (fr) * 2007-02-15 2008-08-21 Gloor Engineering Machine électrique
DE102013200890A1 (de) * 2013-01-21 2014-07-24 Robert Bosch Gmbh Transversalflussmaschine
DE102013210084A1 (de) * 2013-05-29 2014-12-04 Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg Transversalflussmaschine und Verfahren zu deren Herstellung

Also Published As

Publication number Publication date
FR3036868A1 (fr) 2016-12-02
JP2018516532A (ja) 2018-06-21
US10250087B2 (en) 2019-04-02
CN107873116A (zh) 2018-04-03
CN107873116B (zh) 2020-11-06
JP6917363B2 (ja) 2021-08-11
US20180083497A1 (en) 2018-03-22
EP3304695A1 (fr) 2018-04-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhu et al. Novel electrical machines having separate PM excitation stator
US7791245B1 (en) Optimized electric machine for smart actuators
Afinowi et al. Hybrid-excited doubly salient synchronous machine with permanent magnets between adjacent salient stator poles
TWI517526B (zh) 永久磁體機
JP6446932B2 (ja) 回転電機
WO2017094271A1 (fr) Machine dynamo-électrique à entrefer axial et son procédé de fabrication
CN105103420A (zh) 同步磁阻电动机以及同步磁阻电动机的转子
JP3466591B2 (ja) 回転電機
JPS61500248A (ja) バ−ニヤ型電動機械
US20100244610A1 (en) Optimized Electric Machine for Smart Actuators
US10491055B2 (en) Self-exciting synchronous reluctance generators
CA2961689A1 (fr) Machine electrique a faibles fuites magnetiques au niveau de rainures
CA2980787C (fr) Machine a reluctance commutee avec enroulement toroidal
Zhang Robust stator-excited brushless synchronous machine: An attractive permanent magnet-free option
JP2014100054A (ja) 横磁束形電動機
EP3304695A1 (fr) Moteur asynchrone du type homopolaire compose
WO2017031178A1 (fr) Moteur synchrone à aimants permanents à flux axial à profil bas
JP2015511811A (ja) 磁気移転によって励磁される電力モータ発電機
US2897384A (en) Self-starting synchronous motor
JP2012125021A (ja) アキシャルギャップ型回転機
WO2014122374A1 (fr) Moteur ou génératrice électromagnétique polyentrefers à aimants permanents et élément à bobinage sans fer
US20180091009A1 (en) Synchronous rotating electric machine
JP6661960B2 (ja) 自己始動型永久磁石式電動機
JP6724362B2 (ja) 回転電機
CN113708527B (zh) 隐极式电励磁绕线转子及其同步电机

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16733157

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018513920

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE