Brevet FR2045607A1 — publié le 19710305

La pollution atmosphérique urbaine tendant progressivement vers la cSte d'alerte implique d'ores et déjà l'avenement accéléré de véhicules munis d'électromachines reversibles exemptes de nocivi -té. S'inspirant de cette impérieuse nécéssité cortains convertis -seurs propres seraient sur le point d'être industrialisés. Ce sont les piles à combustible, reversible ou tout autre électrogénéra- -teur ayant le seul incinvéniant de débiter des courants électri que s de très grande intensité sous faible tension. Par ailleurs,il n'est pas exclu que l'E.d.F, prenant en considé -ration la pollution atmosphérique, établisse sur tout le térritoi -re un réseau de station-service de batteries "cadmium-nickel" interchangeables et beaucoup plus pratiques que le transport et les transvasements successifs de combustible liquide. Ceci dit,il n'en reste pas moins que les fortes intensités ainsi obtenues ne pouvant tre transférées sans aléas du stator au rotor et réoiproquement des divers types de moteurs électri- -ques à balais et collecteur impliquent la création et la mise en service d'une nouvelle génération d'électromachines à courant continu sans balais ni collecteur. La présente invention répond précisément à ces critères consis- -tant en une électromachine reversible dont l'énergie électrique est directement débitée ou reçue par un ou plusieurs bobinages statiques et dont le rotor est constitué dsua système d'aimants permanents à très haut pouvoir de coercition tirés d'un alliage (Al.Ni.Co.Fe). ta principale caractéristique de cette électromachine reversi -ble est d'avoir un système bobine statique et un système aimanté rotatif. C'est une électromachine pouvant aisément se construire pour n' importe quelle intensité de courant continu Elle constutue donc l'élément complémentaire de toute pile à combustible ou batteries interchangeables. Ce type diélectromachine peut être conçu selon trois disposi -tions découlant du principe énoncé ci-dessus. Elle peut être soit un moteur à rotor annulaire externe,soit une électromachine à rotor en tambour ou à disque. Dans le premier cas, c'est à dire le plus simple, un noyau de fer doux constitue le stator autour duquel tourne le rotor. Ce noyau de fer doux est muni de deux masses polaires circulaires prolongées axialement par un tourillon respectif immobilisé../. ../.. de part et d'autre sur un socle. Ces doux massas polaires constituent deux pales radiaux entre lesquels est localisé un robuste bobinage cylindrique.Ce bobinage a l'avantage d'avoir une section proportionnelle à l'intensité de courant appliquée aux bornes. Le rotor est un anneau dont les deux flasques latérales tournent autour des tourillons prolongeant ces deux pôles radiaux. Ce rotor est constitué par une carcasse en résine acétal du type "delrin" dans laquelle est incorporée une armature en fer deux par moulage sous pression. Or, cette armature en fer doux joue un rôle fondamental. Elle constitue en fait, la clé de voute du système en assurant le cir -cuit magnétique des deux champs radiaux tout en isolant simults -nément deux flux magnétiques annulaires. Cette armature est constituée de multiples ferrures ayant la forme d'un Z majuscule d'imprimerie, fig.I.Or, une telle ferrare se prête à de multiples assemblages d'aimants permanents en come -tituant un groupage élémentaire. Ainsi,en assignant aux deux angles fermés du Z une polarité cor- -mune soit en l'occurence(N)les aimants peuvent avoir la disposi -tion de la fig.2 ou la disposition, fig.3. Dans les deux cas, les deux extrémités des branches libres du C aont sous la dépendance des polarités (S). Or,à l'analyse d'un tel groupage, il apparait que les aimante dont les pôles (N) sont en opposition dahns l'axe de la branche oblique du Z et les pôles (S)isolés des pôles(N) par des inter -tices en "delrin"(I), fig.4, n'ont qu'un circuit magnétique possi -ble, c'est à dire le sens des flêches (2 & 3) dans les deux bren -ches parallèles en constituant ainsi deux champs annulaires élémentaires du fait qu'un flux magnétique emprunte toujoure le circuit de moindre réluctance. L'armature comporte autant de groupages élémentaires qu'elle a de ferrures prises dans la masse de "delrin". Dès lors, en intégrant tous les groupages élémentaires, il se constitue à chaque extrémité de l'anneau un champ annulaire global issu de la somme des champs annulaires élémentaires. Or, ces champs annulaires inversés sont précisément localisés au droit des deux pôles radiaux dont le flux se ferme par l'inter -médiaire des branches obliques de cette armature. Dès lors, lorsqu'un courant circule dans la bobine statique../.. ../.. les flux magnétiques radiaux qui en découlent,croisant à an -gle droit chacun des flux magnétiques annulaires,produisent un couple moteur dans leur armature et le rotor se met à tourner. Tel est le principe fondamental de cette électromachine à rotor externe destiné à certaines applications exigeant deux flux annu -laires absolument immuables comme un coeur artificiel,par exemple Par contre,lorsque cette propriété n'est pas indispensable, l'in- -version du procéssus ouvre la voie à l'électromachine reversible à rotor interne schématisé par la fig.5. Dans ce cas, le rotor n'est qu'un gros aimant axial(4) traversé par un arbre gainé de laiton ou de "delrin". Ce rotor est donc constitué d'un arbre en acier,une gaine anti- magnétique,un aimant permanent axial,deux masses polaires (N & S) et de deux brides antimagnétiques. C'est un rotor compact. Te stator correspond au rotor externe précédent,à la fifférence près, qu'aux aimants permanents se substituent des barreaux de fer doux bobinés(5).Il y a autant de bobines élémentaires que de champs annulaires élémentaires à pourvoir. Ces bobines sont d'exécution extrèmement facile et peuvent non moins facilement, être connectées en série ou en parallèle selon la tension appliquée aux bornes. Par aillour,les barreaux bobinés peuvent être montés sur la face externe de la carcasse et ont ainsi un refroidissement sans pareil et une accéssibilité favorisant toute interchangeabilité. Lorsqu cette électromachine est reversible un bobinage(6)fig.6, enveloppant toutes les branches obliques des ferrures en Z, est incorporé par un moulage sous pression. Tes masses polaires sont amputées de deux segments de cercle(7) diamétralement opposés,fig.5. Ainsi,le flux magnétique axial ne se diffuse plus d'une manière uniforme sur la périphérie des pôles radiaux, mais sur deux par -ties bien délimitées de chaque pôle,c'est à dire les parties où l'entrefer est le plus faible,la réluctance y étant bien moindre. I1 se constitue ainsi sur la périphérie de l'armarure deux zones diamétralement opposées qui sont soumises périodiquement à une variation de flux impliquant d'après la loi de LENZ l'apparition dans les conducteurs d'un courant électrique qui s'oppose à cette variation. Dans le cas présent,un courant se manifeste dans chaque spire conductrice au sein de laquelle le flux magnétique tend à ../.. ../.. disparaitre du fait de la rotation des masses polaires répartissant inégalement leur flux. Il se produit deux variations de flux par tour et par ferrure soumise à cette variation. Ainsi, lorsque l'anneau-comporte huit ferrures,il se produit seize variations de flux succéssives par tour.Or,comme le flux passe d'une valeur maximum à une valeur non nulle du fait de la rémanence des ferrures,un train polypha -sé de courants ondulés parcourt le conducteur donnant pratique- -ment du courant continu aux deux bornes. Dans ce type d'électromschine rotor et le stator sont d'une compacité sans pareille,d'une robustesse à toute épreuve et d'un usinage relativement facile. Le principe fondamental de l'électromachine reversible étant dégagé, considérons des lors l'électromachine à disque répondant spécifiquement aux impératifs de la locomotion automobile. Or,en technique automobile,des considérations d'économie et de simplicité imposent la roue électroreversible. Par ailleurs,des considérations d'encombrement indiquent que deux disques latéraux,l'un statique,l1autre dynamique,so faisant face constituent la géométrie la plus rationnelle. kais,le disque dynamique est négéssairement plus léger à cause des 'forces d'inertie se manifestant à toute éccélération. Cette nécéssité est donc conforme au rotor aimanté et au stator bobiné forcément plus lburd de la présente invention. Le rotor est constitué d'une carcasse en "delrin" incorporait dans sa masse une couronne d'aimants permanents à flux radiaux uniformément orientés. Cette couronne d'aimants est bordée périphériquement par une armature en acier frettant le rotor.Elle est en outre bordée in -térieure;ent par trois ferrures polaires séparées angulairement par trois secteurs neutres nécéssaires à la variation périodique du flux. Or, la frette externe et les trois ferrures internes constituent les pôles des deux flux homopolaires Complémentaires. Ainsi,le rotor comporte un p8le. latéral circulaire Nord et,concentriquement, un second pôle latéral circulaire Sud fractionné en trois secteurs bien délimités. Chacun de ces pôles fait face aux branches parallèles d'une série circulaire de ferrures en Z du stator. Le stator muni de ferrures en Z avec conducteur générateur../.. ../.. incorporé par moulage sous pression de "delrin" est en outre équipé de bobines élémentaires motrices disposées soit radiale -ment, soit parallèlement aux branches parallèles des ferrures. Ces bobines ménagent un espace circulaire entre elles et les branches obliques des ferrures en Z sur lesquelles est enroulé le bobinage générateur. Dès lors, lorsqu'un courant circule dans les bobines élémentaires il se produit deux champs annulaires dans les branches parallèles des ferrures en Z faisant face aux flux homopolaires axiaux du rotor. Ce dernier est ainsi le siège d ' d'un couple moteur lui don -nant une vitesse angulaire très élevée, agissant sur la roue par l'intermédiaire d'un réducteur planétaire approprié. Mais,si le courant, moteur est intérrompu dans les bobines élé -mentaires avec connexion simultanée du bobinage générateur sur batterie d'accus, l'énergie cinétique du véhicule se restitue à cette dernière. Par ailleurs, si les condition2 de freinage exigent une action rapide, l'inversion du courant dans les bobines élémentaires pro -duit un couple moteur inverse. Les deux types de freinage agis -sent alors de concert sans bloquer la roue comme cela se produit avec les frein "férodo" classiques. En définitive, ce type d'électromachine se prete à de multiples combinaisons satisfaisant toute sorte d'exigence. La pollution atmosphérique urbaine ne pouvant être jugulée que par la mise en oeuvre massive soit de piles à combustible ou re- -versibles, soit d'un système de station-service à batteries "cadmium-nickel" interchangeables se substituant totalement aux moteurs à combustion interne implique aussi le mise en oeuvre non moins massive drélectromachines reversibles à très forte in -tensité sans balais ni collecteur, doué d'une extrème robustesse. Ta présente invention répondant à ces critères consiste préci- -sément en une électromachine reversible à courant continu carac- -térisée par un système bobiné statique et un système aimanté rotatif sans balais ni collecteur. Cette électromachine découle de la réaction d'un champ magnéti -que annulaire localisE sur la périphérie d'un pôle à champ ra -dial. En fait, la présente électromachine a deux champs homopolai -res complémentaires déterminés par deux masses polaires situées de part et d'autre d'un ou plusieurs aimant? permanents ../.. ../..disposés axislement ou radialement selon l'application. Les champs annulaires sont obtenus simultanément par juxtaposi -tion de groupages élémentaires dont l'élément fondamental est une ferrure en fer doux en forme de Z d'imprimerie. Deux bobines sont affectées à chaque ferrure de sorte que leurs pôles Nord par exemple soient localisés à chaque sommet de la branche oblique c'est à dire, sur chaque angle fermé de ses trois branches, les pôles Sud étant localisés à chaque extrémité libre des branches parallèles. En procédant ainsi, chaque branche parallèle de cette ferrure en est le siège d'un flux annulaire d'orientation opposée. Dès lors, en juxtaposant circulairement par moulage sous pres selon de "delrin" toutes les ferrures en Z soit en anneau, soit sur disque, il se produit doux flux magnétiques annulaires dispo ses parallèlement ou concentriquement selon le cas, déterminant en présence de flux homopolaires opposés un couple moteur dans leur armature. Cette électromachine est reversible en amputant les masses polaires sur deux points diamétralement opposés ds manière à créer deux flux par pôles séparés par deux zones neutres. Le bobinage générateur est respectivement enroulé sur l'enseable des branches obliques des ferrures en Z. Dès lors, il est aisé de concevoir qu'à toute variation de flux dans chacune de ces branches, il se produit dans chaque bobine qui les enveloppe un courant qui s'oppose à cette variation. Or, comme il se produit autant de variations de flux par cycle qu'il y 8 de zones- neutres et que l'armature comporte de multiples fer- -rures, il se produit un train de courants polyphasés de nature ondulée,se traduisant pratiquement par un flux continu as bor- nes du bobinage. Ce type d'électromachine éventuellement reversible est doué d'une extrème robustesse. Ses conducteurs peuvent être proportionnels à l'intensité du courant continu. Son rotor est dans tous les cas exempt de conducteu. Sa vitesse angulsire peut être aussi grande qutil est nécéssaire nais ne peut en aucun cas 'em- -baller. Aucun frottement, hormis les roulements à billes ne gène son fonctionnement. Son prix de revient est relativement bas. IB peut indifférenment satisfaire toutes sortes d'exigences. REVENDICATIONS I/ Système électrodynamique homopolaire reversible à ferrures en Z,caractérisé par le fait qu'il comporte un rotor muni d1ai- -mants permanents et un stator bobiné permettant l'utilisation ou la génération d'un courant continu sans balais ni collecteur. 2/ Système magnétique,selon la revendication I,caractérisé par le fait que chacune des deux branches parallèles d'une fer -rure en Z ferme le flux d'un aimant permanent disposé parallèle -ment à chacune de ces deux branches. 3/ Système électromagnétique,selon la revendication I,carac -térisé par le fait que chacune des deux branches parallèles d'une ferrure en Z ferme le flux d'un électro-aimant dont l'arLa- -ture est disposée parallèlement à chacune de ces deux branches. 4/ Système polaire,selon les revendications 2 ou 5,caractérisé par le fait que le pôle d'induction "Nord",par exemple,prend effet sur l'extrémité des branches parallèles au droit de chaque extrémité de branche oblique de chaque ferrure en Z,le pôle"Sud" prenant,dès lors,effet sur chaque extrémité libre des dites branches parallèles. 5/ Système moteur,selon les revendications 2 ou 3,caractérisé par le fait qu'un aimant rectiligne,suspendu,-est. mis en mouvement, latérallement à son flux,lorsque ses deux pôles sont orientés normalement aux branches parallèles d'une ferrure en Z. 6/ Système électrogénérateur,selon les revendications I et 5, caractérisé par le fait qu'un bobinage,emvelo~ppant la branche oblique d'une ferrure en Z,est le siège d'un courant continu par insertion d'une diode et d'un condensateur aux bornes du dit bo -binage lorsque ce dernier est soumis à la variation de flux d'un aimant permanent orienté normalement aux branches parallèles. 7/ Système combiné,selon la revendication 2,caractérisé par la juxtaposition cylindrique de ferrures en Z tournant sur un entrefer circulaire autour d'un électro-aimant axial statique, ./. constituant une électromachine à régime variable pour coeur artificiel orthotopique. 8/Système combiné, selon les revendications 2 et 5, caractéri -sé par la åuxtaposition cylindrique de ferrures en Z tournant sur un entrefer circulaire autour d1un aimant --axial statique ou vice versa,constituant un groupage magnétodynamique à régime constant. 9/ Système aombiné,selon la revendication 3, caractérisé par une stato-juxtaposition cylindrique de ferrures en Z bobinées agissant par un entrefer circulaire sur les deux masses polaires cylindriques d'un aimant axial,également cylindrique,constituant un rotor compact. 10/ Système combiné,selon les revendications 3 et 6,caract6- -risé par une disposition discoïdale de sorte qu'un disque en plastique rigide,muni radiaLement de ferrures en Z bobinées,agit par un entrefer plan sur un autre disque muni de pôles "Nord et Sud concentriques,les dits pales circulaires faisant face aux branches parallèles du disque bobiné. Or, un te-l système combiné constitue une électromachine reversible pour tous véhicules dont le freinage par récupération énergétique se complète éventuel -lement d'un freinage de sécurité obtenu par simple inversion; de courant des bobines. assujetties aux branches parallèles.