Brevet FR2010144A1 — publié le 19700213

-1- 2010144 10 La présente invention se rapporte .aux synchro-machines et concerne plus particulièrement des moyens perfectionnés grâce auxquels l'intensité du couple d'une synchro-machine est considérablement augmentée. Un système universellement connu de transmission de couples à distance peut comprendre un transmetteur de couple et un récepteur de couple, dans lequel l'enroulement monté en étoile du stator du transmetteur est connecté à un enroulement en étoile correspondant du stator du récepteur et où le récepteur et le transmetteur ont chacun des rotors bobinés qui sont excités par une source électrique alternative de référence. Lorsque les deux rotors occupent la même position magnétique ou électrique, les mêmes tensions sont induites dans chaque stator et aucun courant ne circule dans ces derniers. Par contre, lorsque la position de l'un des rotors, par exemple, de celui du transmetteur est légèrement différente de celle du récepteur, la tension induite dans le stator du récepteur par son rotor n'est plus la même que celle induite dans le stator du transmetteur par son rotor, d'où „ résulte un désiquilibre, par suite du-2o quel un courant circule dans les stators. Ce courant circule suivant un axe magnétique essentiellement perpendiculaire à l'axe d'excitation du rotor et est généralement appelé "courant de quadrature", tandis que le courant du rotor est qualifié de "courant (d'excitation) direct". Comme on le sait, dans un sys-25 tèmeo de ce genre, l'intensité du couple du récepteur est approximativement proportionnelle au produit de la densité du flux du champ du rotor multiplié par le courant de quadrature du stator et par le cosinus de l'angle de phase entre les courants direct et de quadrature. Il est bien évident que pour une densité de flux fixe du champ du rotor et pour un angle de phase essentiellement nul (cos ©• = 1), le couple par degré de désalignement entre le transmetteur et le récepteur est proportionnel au courant de quadrature. Pour augmenter le couple par degré de désalignement, les ■yj fabricants produisant des récepteurs de couple de qualité ont l'habitude de diminuer 1'impédance de l'axe de quadrature en plaçant une bobine court-circuitée dans cet axe, bobine qui peut être constituée par des barres de cuivre court-circuitées placées sur le rotor à 90° par rapport à l'enroulement d'exci-4.0 tation. Ce procédé augmente le courant de l'axe de quadrature 30 69 07186 -2- 2010144 10 15 du stator et se traduit généralement par une augmentation du couple de 50 à 60 %. Néanmoins, cette augmentation est généralement insuffisante pour permettre au récepteur d'actionner une charge utile et on a souvent recours à un servo-mécanisme pour entraîner cette charge, au lieu d'utiliser un simple récepteur de couple peu coûteux. En conséquence, il serait extrêmement souhaitable que 1'intensité du couple des récepteurs puisse être suffisamment augmentée pour rendre inutile l'utilisation d'un servo-mécanisme, A cette fin, la présente invention apporte un synchro-mé-canisme perfectionné comportant un stator et un rotor dans lequel ledit stator se compose d'un certain nombre d'enroulements et est connecté à une source de signaux de référence et où un enroulement primaire dudit rotor est connecté à une source électrique alternative, l'intensité du couple de ladite synchro-machine étant proportionnelle au courant de l'axe de quadrature introduit dans ledit enroulement de stator par ledit enroulement de rotor, l'invention étant caractérisée par des moyens de détection couplés magnétiquement audit stator et qui sont adaptés à détecter ledit courant de quadrature, par des moyens d'amplification connectés auxdits moyens de détection afin d'augmenter l'intensité dudit courant de quadrature et par des moyens de transformation connectés auxdits moyens d'amplification et qui sont adaptés à appliquer ledit courant de. quadrature amplifié audit enroulement de stator, ce qui fait que l'intensité du couple de ladite synchro-machine est sensiblement augmentée. ' D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-sortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel : - la figure 1 est un schéma de principe d'un système de transmission de couple conforme à l'invention. ; - la fig. 2 est une représentation schématique d'un syn-chro-récepteur conforme à l'invention, et, - la fig. 3 montre un autre mode de réalisation d'un système de* transmission dè couple selon l'invention. En se,référant au dessin et notamment à la fig. 1, on voit un système de transmission asservi qui comprend un transmetteur lîO du couple 5! et' un récepteur de couple R. Le transmetteur compor 20 25 30 35 69 07186 -3- 2010144 te un stator, représenté comme ayant trois bobines de phases 10, 11 et 12, et un rotor 13 ayant une bobine 13a. Le récepteur comporte un stator identique avec des bobines 20, 21, 22 et un rotor 23 avec une bobine 23a. Les stators du transmetteur et du 5 récepteur sont connectés comme indiqué schématiquement par les bornes 30» 31 et 32. Les bobines 13ja et 23a des rotors sont reliées par des lignes 33 et 34- et sont alimentées par une source électrique alternative 35. Un bref examen du mode de fonctionnement de ce système de 10 transmission de couple fera mieux comprendre la présente invention. On suppose que les rotors 13 et 23 du transmetteur et du récepteur occupent la même position angulaire par rapport aux bobines de stator 10, 11, 12 et 20, 21, 22. Ainsi, les tensions 15 induites dans les bobines des stators du transmetteur et du récepteur sont identiques et, de ce fait, aucune force magnétomo-trice n'agit ni dans le transmetteur, ni dans le récepteur, de sorte que tout le système est au repos. Par contre, lorsque les rotors 13 et 23 sont légèrement désalignés, une tension diffé-20 rente de celle induite dans les bobines du stator du récepteur est induite dans les bobines du stator du transmetteur. Il en résulte dans les stators, la circulation d'un courant qui développe une force magnétomotriçe dans l'axe de quadrature du stator du récepteur. Ce champ de quadrature en agissant sur le 25 champ direct de la bobine de rotor 23 produit dans le récepteur un couple qui tend à déplacer le rotor 23 et sa bobine 23.a vers la position angulaire correspondant à celle du rotor 13. Le couple développé par le rotor 23 est proportionnel au produit de la densité de flux du champ direct (produit par le 30 courant traversant la bobine 23a) , et du courant du champ de quadrature. Cette égalité suppose que les courants sont en phase dans les enroulements directs et dans les enroulements de quadrature. Tout déphasage diminue le couple disponible en fonction du cosinus de l'angle des phases des forces magnétomo-55 trices directes et en quadrature. Mathématiquement, cette relation peut s'écrire T = K x 1^ x cos ■© x Igg ...... -..... (1) dans laquelle : T est le couple-, £ est une constante de propor 69 07186 - 2010144 tionnalité; I^r est la fonce magnétomotrice de l'axe direct du rotor; I est la force'magnétomotrice de l'axe de quadrature du stator; et -Q est l'angle de phase entre 1^ et Iqg* On voit immédiatement que pour augmenter le couple il faut 5 orienter les courants respectifs et rendre -ôq aussi petit que possible, de préférence égal à 0°, c'est-à-dire, avoir cosinus ■©■ = 1. La force magnétomotrice développée par le courant du rotor suivant l'axe direct est limitée par l'impédance du système tout 10 entier, ainsi que par la saturation du fer. Comme il a été indiqué ci-dessus, des tentatives ont été faites pour augmenter le couple des synchro-machines, tout en évitant le coût et la complexité des servo-mécanismes. En abaissant passivement l'impédance des bobines et en améliorant le flux magnétique, par exem-15 pie» en utilisant des rotors à pôles saillants et/ou des entrefers variables, une modeste amélioration des performances a été obtenue. Toutefois, le courant peut être augmenté suivant l'axe de quadrature du stator en augmentant le courant de l'axe de qua-20 drature du rotor. Cette augmentation d'intensité n'est limitée que par 11 échauffement des conducteurs électriques et -.par la saturation du fer. Selon l'invention, un élément actif introduisant une impédance négative, par exemple, -un amplificateur dont le gain et la phase peuvent, en outre, être commandés, est 25 utilisé pour produire une simplification positive du courant suivant l'axe de quadrature » du stator. Ainsi, la présente invention envisage de détecter la force magnétomotrice de l'axe de quadrature du récepteur, d'amplifier le signal résultant au moyen d'un amplificateur et de trans-30 former le signal amplifié au moyen d'une bobine de quadrature du rotor du récepteur, avant de l'appliquer au stator de celui-ci. En se référant à la fig. 1, on voit une bobine de détection auxiliaire 40 placée sur le rotor du récepteur et qui est orientée pour détecter le champ de quadrature du stator. Les si-35 gnaux provenant de la bobine de détection sont appliqués par des lignes 41 et 4-2' à un amplificateur . 45. Le signal de sortie de l'amplificateur, apparaissant aux bornes 47, 48 est appliqué à une bobine d'axe de quadrature 50» bobinée par exemple, sur le rotor 23, afin d'induire par induction mutuelle Un courant sup 69 07186 -5- 2010144 plémentaire dans l'axe de quadrature du stator. Ainsi, le couple développé par une déviation donnée de l'arbre est amplifié. Quand le synchronisme est dans la position de g.éro, la force magnétomotrice de l'axe de quadrature du stator I est 5 égal à zéro. Lorsque la bobine 13a s'écarte de la position de zéro, la force magnétomotrice de l'axe de quadrature du stator devient : ■^qs ^qso x ^ * * ^ ou ~^sqso est un courant induit constant et 0 est l'angle de 10 déviation de l'arbre. Le couple développé, en l'absence de l'amplificateur 45 est alors : T = E x 1^ x I - x 0 x cos 0 .. (3) En amplifiant le courant de l'axe de quadrature du stator détecté par la bobine 40 et en appliquant ce courant à la bo-15 bine de l'axe de quadrature 50 du rotor, le couple développé est amplifié. Etant donné que l'applificateur peut être accordé de façon que le signal d'entrée soit en phase avec le courant de l'axe direct du rotor, le terme cos sera égal à 1. Ainsi, le gradient de tensions de la bobine de détection de 20 l'axe de quadrature est le même que celui de la bobine de l'axe direct du rotor, et la relation (3) ci-dessus devient alors : T = K x 1^ x I En comparant les équations (3) et (4) on remarque qu'un terme supérieur à 1, c'est-à-dire, le gain A de l'amplifica-25 teur 45, a été additionné et qu'un terme qui peut être inférieur à 1 (le cosinus de l'angle de phase entre la force magnétomotrice de l'axe direct du rotor) a été supprimé. Ceci permet d'obtenir un couple sensiblement plus grand que celui fourni par un récepteur ordinaire. Selon le gain de l'amplificateur 30 (en restant au-dessous des limites d'instabilité), on peut obtenir un couple de sortie de 10 à 100 fois plus grand. La limite d'augmentation du couple est fixée par la limite d'oscillation du récepteur de couple et l'élévation de la température ou le niveau de saturation des, noyaux de fer. 35 Le synchro-mécanisme de la présente invention peut être réalisé de différentes manières» C'est ainsi qu'en se référant à la fig. 2, le récepteur R comporte un stator 25, dont l'enroulement est bobiné de la manière habituelle, un seul enrou 69 07186 -6- 2010144 lement ayant été représenté schématiquement pour simplifier. Le! rotor est divisé en deux parties 26, 27 qui sont isolées magnétiquement l'une de l'autre. L'enroulement de l'axe direct 23 du rotor ett bobiné sur tout, le feuilletage du rotor, et peut être oblique, de façon classique, La bobine de détection 40 est 5 bobinée dans les encoches de quadrature de l'élément de rotor plus petit 26, tandis que l'enroulement principal de l'axe de quadrature 50 est bobiné dans les encoches de quadrature du grand élément de rotor 27 » comme indiqué schématiquement sur la fig. 2. Ces enroulements peuvent, évidemment, être placés 10 au-dessus de l'enroulement 23 et les connexions électri.ques peuvent être amenées à l'extérieur au moyen de bagues collectrices convenables (non représentées pour simplifier). Des essais réels ont montré qu'une précision'légèrement plus grande peut être obtenue avec le montage de la fig. 3 qu'a-15 vec celui de la fig. 2. Un synchro-récepteur standard ayant un rotor 23 excité séparément et des bobines de stator 20, 21 et 22 est couplé à une synchro-machine du type transformateur de commande comportant des bobines de stator 60, 61 et 62 branchées en parallèle respectivement entre les bornes 30, 31 et 32. La 20 bobine 64a d'un rotor 64 de transformateur de commande est alignée avec l'axe de quadrature du récepteur de couple pour détecter le champ de quadrature de celui-ci. Le rotor 64 est relié mécaniquement au rotor 23 par un arbre 66. Les bornes de la bobine de rotor 64a. sont amenées à l'extérieur au moyen de bagues . 25 collectrices (non représentées) et sont reliées à un amplificateur 45» La sortie de l'amplificateur 45 est connectée, comme dans le mode de réalisation de la fig. 1, à un enroulement de quadrature bobiné sur le rotor 23 du récepteur de couple et qui est figuré par l'enroulement 65 sur la fig. 3. Le cas échéant, 30 les synchro-machines formées par les bobines de stator 60, 61, 62, le rotor 64 et l'enroulement de rotor 64a et par les bobines de stator 20, 21, 22, le rotor 23 et les bobines de rotor 23a et 65 pourraient être montées dans la même enveloppe avec l'amplificateur 45. Les bornes d'alimentation, indiquées schéma-35 tiquement par les bornes 46, et qui ont été supprimées sur la fig. 1, peuvent être montées directement à l'extérieur de l'enveloppe commune. 69 07186 -7- 2010144 Le placement des bobines 40, 50 (fig. 1) et 65 (fig. 3) dans les encoches voulues pour qu'elles soient placées sur l'axe de quadrature est à la portée de tous les techniciens avertis. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être 5 apportées aux exemples représentés et décrits, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 69 07186 -8- 2010144 i _: ' r 1.- Une synchro-machine comportant un stator et un rotor dans lequel ledit stator se compose d'un certain nombre d'enroulements et est connecté à une source de signaux de référence et où un enroulement primaire du-5 dit rotor est connecté à une source électrique alternative, l'intensité du couple de ladite synchro-,machine étant proportionnelle au courant de l'axe de quadrature introduit dans ledit enroulement de stator par ledit enroulement de rotor, l'invention étant 10 caractérisée par des moyens de détection couplés magnétiquement audit stator et qui sont adaptés à détecter ledit courant de quadrature , par des moyens d'amplification connectés auxdits moyens de détection afin d'augmenter l'intensité dudit courant de quadrature et par des moyens de transformation connectés auxdits moyens 15 d'amplification et qui sont adaptés à appliquer ledit courant de quadrature amplifié audit enroulement de stator, ce qui fait que l'intensité du couple de ladite synchro-machine est sensiblement augmentée » 2.- Une synchro-machine s$lon 1 dans laquelle lesdits mo- 20 yens de détection sont constitués par un enroulement de détection. 3.- Une synchro-machine selon 1, dans laquelle lesdits moyens de transformation comprennent une bobine dudit rotor bobinée en quadrature par rapport audit enroulement primaire. 4.- Une synchro-machine selon 1 dans laquelle ledit rotor 25 comprend un feuilletage principal et un feuilletage auxiliaire, qui sont isolés magnétiquement l'un de l'autre, ledit enroulement de rotor étant bobiné autour du feuilletage principal et du feuilletage auxiliaire, tandis que lesdits moyens de détection comprennent un enroulement de détection bobiné sur le feuilletage 30 auxiliaire en quadrature par rapport audit enroulement de rotor, tandis que lesdits moyens de transformation comprennent un enroulement bobiné sur le feuilletage principal en quadrature par rapport audit enroulement de rotor. 5.- Une synchro-machine selon 1, dans laquelle les moyens 35 de détection comprennent un transformateur synchrone ayant un stator avec un certain nombre d'enroulements couplés à ladite source de signaux de reférence et un rotor relié mécaniquement audit rotor de synchro-machine et ayant un enroulement couplé à l'entrée desdits moyens d'amplification et qui est disposé en quadrature par rapport audit rotor.