Brevet FR2028368A1 — publié le 19701009

L'invention concerne un moteur à hystérésis, particulièrement la construction de son stator qui produit le champ tournant, le rotor étant en une seule matière à hystérésis élevée et d'en3ité de champ eoercitivetelle que le champ tournant du stator 5 puisse encore inverser l'aimantation du rotor. Comme on le sait, la caractéristique couple-vitesse d'un tel moteur à hystérésis doit présenter un couple moteur constant jusqu'au synchronisme complet. L'avantage d'un moteur de ce type à l'égard des moteurs à induction réside dans le fait qu'il démarre jusqu'au 10 synchronisme sous plein couple nominal et qu'il se maintient dans le synchronisme, sous un faible couple de travail, constamment en phase ou couplé élastiquement au champ tournant comme un moteur synchrone, alors qu'un moteur à induction retarde par rapport au champ tournant avec un glissement en fonction de la char-15 ge. Vu que le rotor à hystérésis, est constitué de façon générale d'une matière métallique, des courants de~Foucault pendant l'accélération asynchrone y sont induits, de sorte qu'un couple asynchrone d'induction s'ajoute au couple constant d'hystérésis et disparaît à l'approche du synchronisme. La mise en marche en 20 est accélérée, mais le couple de décrochage synchrone maximal n'est pas influencé. Par contre, des courants de Foucault additionnels sont induits dans le rotor par les harmoniques dans le temps et dans l'espace du champ tournant excitateur, ces courants ne disparais-25 sant pas lors du synchronisme de la vitesse avec l'onde fondamentale et affaiblissant le couple de décrochage synchrone maximal au-dessous de sa valeur théorique qui résulte du travail d'hystérésis divisé par l'angle de rotation complet. Pour un rotor à hystérésis en oxydes magnétiques, dans lequel les harmoniques ne 30 peuvent pas produire des courants de Foucault, le couple de décrochage synchrone maximal peut être également réduit au-dessous de sa valeur théorique, par des boucles internes, au cours de la marche synchrone dans le champ tournant riche en harmoniques. Cependant qu'il est relativement facile, d'une façon con-35 nue, par un enroulement à cordes, de répartir la densité de courant du stator sur la périphérie en forme sinusoïdale et également, lors d'une alimentation en courant triphasé, de tenir la vitesse angulaire et l'amplitude à des valeurs constantes, il n'est pas possible dans les moteurs à hystérésis de supprimer 70 01052 2 2028368 ou de réduire sensiblement les harmoniques d'encoche, par exemple par des encoches statoriques fermées, ^'augmentation de la ré-actance de dispersion primaire par des encoches statoriques fermées serait d'ailleurs déjà en soi plus gênante pour les moteurs 5 à hystérésis que pour les moteurs à induction, parce que le facteur de puissance des premiers est- en tout cas moins bon que celui des derniers. A cela s'ajoute encore que même quand les encoches sont fermées, les dents du stator se trouvent devant le rotor sous forme de surfaces équipotentielles et provoquent dans 10 celui-ci, dans les zones d'intensité élevée du champ longitudinal H^, une chute d'induction de l'entrefer au-dessus des dents qui est plus importante que la chute se produisant lors d'une densité périphérique primaire, purement sinusoïdale, du courant statorique, sans encochage, parce que dans ce cas les potentiels du roter 15 ét du sfcatcr se contrebalancent et rediffèrent qu'à mesure'que le potentiel nécessaire pour le flux d'entrefer sinusoïdal s'y maintien-t On pe ut, en effet, au moyen d'encoches fermées, supprimer aux pôles du flux statorique les harmoniques d'encoche de la répartition de l'induction d'entrefer qui résultent des différences 20 de la résistance magnétique de l'entrefer auprès, des dents et des entredents, cependant on ne peut pas éviter les harmoniques d'encoche du potentiel magnétique statorique qui s'élève en gradins aux endroits du flux de courant magnétique élevé à travers les encoches auprès des entredents. De même, on ne peut pas réduire 25 cette perturbation par une construction lamellaire du rotor, comuE dans les machines à induction, à savoir, d'une part, parce qu'un rotor feuilleté d'un moteur à hystérésis signifie une augmentation inadmissible du prix de revient et, d'autre part, parce que ces harmoniques d'encoche du potentiel statorique conditionnent 30 même pendant le synchronisme du rotor lamellaire ou en oxydes magnétiques des petites boucles d'hystérésis internes qui entraînent un glissement lent d'une installation d'aimantation du rotor ' moyenne déjà à des couples de rotation inférieurs à la charge nominale, si bien que la marche du moteur n'est plus strictement 35 synchrone et qu'il se produit, en comparaison d'un moteur à induction," un glissement certes petit mais pourtant sensible. Lorsque les exigences concernant le synchronisme sont rigoureuses, par exemple pour les moteurs d'horloges ou pour les centrifugeuses de gaz, on est obligé d'élargir davantage l'entrefer des 70 01052 3 2028368 moteurs à hystérésis plus qu'il n'est nécessaire ou de diminue!* l'intervalle es encoches plus qu'il n'est désiré du point de vue des dépenses, ou même de prévoir un stator sans encoches sur lequel l'enroulement primaire est installé directement dans 5 un entrefer uniforme. Toutes ces mesures nuisent au facteur de puissance et/ou augmentent le prix de revient. L'invention se propose de remédier à ces inconvénients. Conformément à l'invention, qui concerne un moteur à hystérésis, dans l'entrefer devant la couronne polaire dentée du 10 stator est disposé, à une faible distance du stator et fixé fermement sur celui-ci, un anneau mince magnétique. Les difficultés mentionnées sont donc éliminées par le fait qu'un anneau intermédiaire mince, magnétique, de préférence à saturation facile et subdivisé,- égalisant les variations de 15 potentiel du 3tator, est disposé à une faible distance magnétique de la couronne polaire dentée du stator et monté solidement sur celui-ci, limitant de son côté l'entrefer envers le rotor. Dans le cas particulier, lorsque cet anneau intermédiaire est réalisé en une matière métallique, il est subdivisé, suivant 20 un développement de l'invention,, en plusieurs anneaux électriquement isolés entre eux ou en sections, pour éviter ou réduire les pertes par courants de Foucault dans ces anneaux intermédiaires. La description d'une forme de réalisation en exemple sché-25 matique non limitatif qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, permettra de mieux comprendre l'invention. La fig. 1 montre l'allure théorique du couple de rotation d'un moteur à hystérésis en fonction de la vitesse. Les fig. 2, 3 et 4 représentent pour un développement d'un 30 moteur à hystérésis les caractéristiques magnétiques. La fig. 5 montre les détails constructifs du dimensionne-ment de l'objet de l'invention. La fig. 6 montre un moteur à hystérésis en coupe 6a, en plan 6b et en vue partielle 60^. 35 La fig. 7 est un schéma d'enroulement du stator suivant un développement de l'invention. Suivant la fig. 1, le moteur à hystérésis présente, du point de vue théorique, dans sa caractéristique couple-vitesse un couple de rotation constant jusqu'au plein synchronisme. 70 01052 4 2028368 La fig. 2 montre en haut le développement d'une partie d'un moteur à hystérésis et en dessous la variation en gradins du potentiel statorique Ost 70 01052 5 2028368 potentiel provoquée par le flux de saturation des lamelles dans les zones de recouvrement, dans les trois parties au-dessus de la surface des dents s'établiront des potentiels magnétiques gradues, de sorue que le gradin de potentiel rôsi-5 duel au-dessus de 11 entredent devient beaucoup moins raide que dans, le cas sans utilisation de telles lamelles magnétiques. L'effet de l'anneau intermédiaire subdivisé suivant l'invention est alors pratiquement le même que celui-ci qui pourrait être obtenu, en ce qui concerne le filtrage de l'allure sinu-10 soïdale de la courbe d'induction de l'entrefer Bl, par un triple nombre de dents. Cependant, au moyen de l'anneau cet effet peut être obtenu beaucoup plus simplement, vu qu'un enroulement à encoches multiples coûte plus cher que si le nombre d'encoches est petit et parce que le facteur de remplissage en cuivre 15 à obtenir serait très défavorable avec ces encoches étroites et profondes. Les fig. 2 à 4 représentent en plus la caractéristique de l'induction longitudinale du rotor BL» déphasée de 90° par rapport à Bj_, cette caractéristique résultant, pour un rotor annu-20 laire, de l'intégration de la densité de flux de l'entrefer au-dessus de la circonférence du rotor, d.Bi,= -J(Bi - Bsx)d3:, de même que la caractéristique de l'intensité de champ longitudinale Hj, dans le rotor, dont l'intégrale circonférentielle donne le potentiel rotorique 0L = Jhj/Ix et qui est de ce fait décalée 25 dans l'espace également de 90° par rapport à O^o Dans les formules, dj, est l'épaisseur du rotor annulaire, Bj_ est l'induction de l'entrefer, Bsi est l'induction du champ de dispersion du rotor sur le côté opposé au stator. La coordonnée x du rotor est relative à un point de la circonférence du stator sur 30 1'entrefer, pour un point zéro quelconque. A la fig. 4, les sections centrales dans le tracé de la caractéristique du potentiel Qs-fc des dents sont représentées en traits plus épais. Dans les espaces entre ces sections, l'induction d'entrefer est proportionnelle à la différence entre le potentiel des la-35 melles Obi et le potentiel rotorique Oj,. L'allure de O-j^ es"t chaque fois incurvée en forme de S, comme cela correspond à l'effet de saturation des lamelles aux encoches parcourues par le courant et à la résistance de passage magnétique aux dents. Comme règle de dimensionnement pour l'épaisseur d des lamelles 70 01052 6 2028368 5 où a est un recouvrement de la lamelle avec la dent voisine et b est la largeur de l'encoche, comme le montre la fig. 5. En outre, l'épaisseur d. des lamelles e3t choisie de manière que la valeur' du produit de l'inducticn de saturation Bs et de l'épais- v seur de la lamelle soit comprise entre le produit de la valeur 10 de crête de 1" induction moyenne d'entrefer et de l'épaisseur de l'encoche, et le double de cette valeur ! ^ A 15 30 à 35°, ce qui correspond à une qualité moyenne de la matière à hystérésis pour laquelle l'intensité de champ maximale de la boucle d'hystérésis est 1,7 à 2 fois plus forte que la force du champ c-oercitive. Les courbes représentées correspondent approximativement aux données expérimentales d'un moteur à hystérésis 20 à 24 encoches. L'invention permet une construction particulièrement avantageuse des moteurs à hystérésis rapides à disque, appropriés à l'entraînement des centrifugeuses ultra rapides, en particulier par exemple des centrifugeuses de gaz pour la séparation des 25 isotopes. Un tel moteur est représenté à la fig. 6. ,Son enrou-.lement est" bipolaire et il est alimenté par un courant triphasé à plus de 1 000 Hz, si bien que la vitesse synchrone est supérieure à 60 00Q tr/mn. Dans les fig. 6a à e, 1 est un noyau en bande annulaire, sur lequel les dents statoriques sont rapportées 30 et autour duquel, de même qu'entre les dents, est enroulé le bobinage 3. Ces éléments en saillie sont enfoncés dans un bac de blindage 4 et chaque espace intermédiaire est rempli d'une masse de remplissage 5. Les tôles rotoriqu.es du moteur à hystérésis à disque sont désignées par 6 et le moyeu du rotor par 7. 35 Lors de fréquences élevées, les pertes par courants de Foucault dans le rotor, induites en synchronisme à 24 000 Hz par les harmoniques d'encoche de la répartition de l'induction d'entrefer, jouent un rôle perturbateur important et peuvent être éliminées plus facilement par la disposition d'un anneau L'angle formé par Hj, et Bj, .est représenté comme étant de 70 01052 7 2028368 intermédiaire conforme à l'invention que par un entrefer élargi à un optimum empirique suivant les constructions réalisées sans un tel anneau intermédiaire magnétique. Dans la construction d'un tel moteur à hystérésis prsvu 5 pour des vitesses et des fréquences extrêmement élevées il faut accorder la plus haute importance à la formation d'un flux de courant magnétique cyclique avec la plus faible teneur en harmoniques possible, la réalisation qui vient d'être décrite est prévue pour éviter les harmoniques d'encoche. Cependant, il est 10 également important, suivant un développement de l'invention, d'améliorer davantage la suite uniforme des phases et d'égaliser les amplitudes des flux de courant magnétique respectifs dans les encoches consécutives. Tandis que dans les moteurs à induction, pour des vitesses modérées et lorsqu'il s'agit d'un enrou-15 lement à trois rainures, il est tout à fait suffisant par exemple de répartir les différents faisceaux d'enroulement dans quatre encoches voisines, dont les deux médianes sont occupées par chaque fois 1/3 du nombre de tours de faisceau n et les deux extérieures par chaque fois 1/6 n, de sorte que seulement 1/3 20 de toutes les encoches est occupé par des enroulements de faisceaux différents, dans les moteurs à hystérésis, plus sensibles aux harmoniques, et quand il s'agit de fréquences élevées, il est avantageux de subdiviser les nombres de tours d'encoche suivant les longueurs vectorielles des trois phases qui en résul-25 tent, par exemple, pour 18 encoches par circonférence-et un enroulement bipolaire triphasé à trois rainures, suivant la fig. 7. Dans ce cas, il n'est rempli en effet que 1/3 de toutes les encoches des spires d'un seul faisceau, si bien que dans 2/3 de toutes les encoches il faut prévoir une isolation intermédiaire 30 spéciale entre les spires appartenant aux faisceaux différents, un nombre en somme plus grand de spires dans ces encoches, qui renferment les tours de deux faisceaux, étant également nécessaire. On obtient ainsi une suite de phases du flux de courant • magnétique total dans des encoches voisines uniforme de 20° 35 (électriquement et mécaniquement) et une égalité des valeurs de crête de tous les flux magnétiques d'encoche, alors que dans les repartitions usuelles mentionnées ci-dessus les suites de phases des encoches voisines correspondent à une séquence de 30°; 30°; 0°î-30°; 30°; 0° ... et la suite des amplitudes à 1,0 ; 1,0; 0,87 70 01052 2028368 1,0; 1,0; 0,87 ... sous la forme ordinaire d'enroulement en tambour où les spires d'une encoche se ferment autour des têtes de bobine de l'encoche distante de la corde, s'écartant" d'un pas polaire,des enroulements statoriques tellement perfectionnés sont à peine réa-5 lisables, toutefois on peut les réaliser au moyen d'un enroulement en anneat. décrit par la suite. Pour les moteurs très rapides on préfère de3 machines bipolaires, afin de ne pas devoir élever la fréquence d'alimentation à mesure que les pertes par hystérésis des parties magnétiques du moteur et les pertes par courants de Foucault .10 provoquées dans les armatures par les champs de fuite deviennent trop importantes. Pour ces enroulements statoriques bipolaires, les têtes de bobine deviennent souvent beaucoup plus longues que les longueurs actives d'enroulement dans les -encoches. On ne peut l'éviter que si l'on prévoit pour un petit diamètre, une grande lon-15 gueur active de la machine, ce qui est d'ailleurs, compte tenu de l'effort centrifuge du rotor, avantageux pour des vitesses élevées et pour des couples aussi importants que possible. Par contre, à cause de la résistance à la rupture de la matière à hystérésis constituant l'anneau extérieur actif du rotor 20 lorsqu'il s'agit de la construction des moteurs à hystérésis à nombre de tours élevés, la vitesse périphérique admissible n'est pas si strictement limitée comme pour les induits à cage d'écureuil des moteurs à induction. Dans le domaine d'application particulièrement important 25 des moteurs à hystérésis à haute vitesse, pour l'entraînement des centrifugeuses, à cause des difficultés des paliers pour des nombres de tours extrêmement élevés, avec des logements sous vide, et en outre en raisoncfes difficultés d'une lubrification appropriée des paliers, il s'ajoute le problème qu'il faut monter le rotor du 30 moteur d'entraînement volant au bout du corps de la centrifugeuse et que l'axe de rotation de ce corps, qui tourne à une vitesse hy-percritique, est libre. Pour cette application, un moteur à petit diamètre de rotor et à grande longueur n'est pas approprié, le moteur doit être réalisé plutôt à disque, donc avec un entrefer dont 35 "le plan est perpendiculaire à l'axe. Les encoches actives se dirigent alors radialement et la longueur active des encoches est si petite, par rapport au diamètre moyen actif, qu'il en résulte des longueurs de têtes de bobine hors de proportion, l'enroulement étant en tambour, comme d'habitude. Pour 70 01052 9 2028368 ces deux raisons mentionnées, le bobinage est réalisé de préférence comme un enroulement en anneau où les spires d'une encoche se ferment autour de la culasse dans la même encoche ou dans une encoche voisine. Pour un tel enroulement en anneau, les enroule-5 ments perfectionnés en ce qui concerne la suite des phases et l'égalité des amplitudes, qui viennent d'être caractérisés, sont réalisables sans surcroît de dépenses, par exemple à l'aide de bobineuses à anneau, usuelles également dans la construction de transformateurs et de convertisseurs. 10 En comparaison de l'enroulement en tambour, l'enroulement en anneau du stator présente l'inconvénient que la réactance du champ de dispersion de l'enroulement primaire est plus élevée. Cette réactance est due au fait que la culasse ne produit aucun retour magnétique équipotentiel*comme cela est le cas pour 1'en-15 roulement en tambour, mais qu'elle présente tout au long de sa circonférence le même potentiel cyclique que la couronne polaire dentée à l'entrefer de la machine. Par conséquent, suivant un autre développement de l'invention, le stator entier de la machine est encastré dans un bac 20 de blindage qui entoure l'enroulement statorique de près et dont la paroi est d'une épaisseur telle que les courants de Foucault induits dans le bac présentent déjà lors d'une faible fraction du flux de dispersion de la culasse presque le même flux de courant magnétique que l'enroulement primaire. En réduisant le flux 25 de dispersion de la culasse juste à cette petite fraction du flux de dispersion d'un stator non blindé enroulé on anneau, le bac de blindage remplace la fonction des têtes de bobine d'un enroulement en tambour. En particulier pour l'enroulement perfectionné cela signifie une construction sensiblement plus simple et moins 30 coûteuse et même magnétiquement plus favorable, en comparaison à l'enroulement en tambour avec les têtes de bobine. Par la réduction de la réactance primaire de dispersion de la culasse au moyen d'un bac de blindage à parois épaisses, le facteur de puissance du moteur à hystérésis conforme à l'in-3.) vention, destiné en particulier à l'entraînement de centrifugeuses ultra rapides est perfectionné à mesure que l'on peut renoncer à l'utilisation pour le rotor à la matière à hystérésis, magnétiquement la plus appropriée mais plus coûteuse. Il s'agit d'une matière à boucle d'hystérésis autant que possible "rectan- BAD OfiKWAL 70 01052 10 2028368 gulaire, présentant une intensité de champ maximale nécessaire ' pour le parcours de la surface d'hystérésis déterminant le couple de rotation (comme décrit au début) qui est de préférence un peu plus forte que la force coercitive. Une matière qui ne doit 5 présenter une intensité de champ maximale que 1,5 fois supérieure à la force coercitive pour produire le même couple de rotation qu'une autre matière nécessitant comme intensité de champ maximale dans le rotor une force coercitive quatre fois plus forte, coûte en ce qui concerne sa matière, plus que 20 fois plus cher 10 et participe au prix du moteur d'une façon considérable, en particulier lors de la fabrication en grandes séries. La possibilité d'utiliser une matière de rotor d'une valeur magnétique faible, en réalisant le stator suivant l'invention, signifie de plus l'avantage que le rotor peut directement 15 faire partie de la paroi du récipient de la centrifugeuse, ce qui permet une longueur de construction plus petite que dans le cas d'un rotor séparé, où celui-ci doit être distancé magnétiquement du corps de la centrifugeuse, et réduit en outre la masse de la partie de la machine fonctionnant en combinaison comme 20 couvercle de la centrifugeuse et comme rotor du moteur. Une telle réduction de la masse permet une plus grande longueur active de la centrifugeuse et, par conséquent, l'amélioration du rendement. Sans les mesures suivant l'invention, qui améliorent le 25 champ tournant quant aux harmoniques aussi bien qu'en ce qui concerne les enroulements perfectionnés, une telle combinaison du couvercle de centrifugeuse et du rotor de moteur est inadmissible déjà parce que les pertes par courants de Foucault et par hystérésis dans le rotor, lesquelles sont induites aussi en 30 synchronisme par la présence des harmoniques dans le champ tournant, provoquent un échauffement du couvercle de la centrifugeuse qui tourne dans le vide sans refroidissement par convection, le rendement d1une centrifugeuse de gaz étant ainsi influencé d'une manière défavorable. 35 Un stator sans dents, où l'enroulement est placé directe ment dans l'entrefer actif, ne peut non plus, en comparaison de la réalisation conforme à l'invention, présenter des résultats similaires ou même meilleurs, parce que cette construction requiert de très fortes densités de courant dans le cuivre de 8AD ORIGINAL 70 01052 n 2028368 l'enroulement, lesquelles,-provoquent, même lors d'un refroidissement idéal à l'eau du retour de l'enroulement entourant la culasse, dans le cuivre actif de l'entrefer un échauffement inadmissible. BAD ORIGINAL 70 01052 12 2028368 IE T £ > 3 I C i l I PB S 1 - Moteur à hystérésis, caractérisé en ce que dans 1*entra-fer devant la couronne polaire dentée du stator est disposé, à une faible distance du stator et fixé solidement sur celui-ci, 5 un anneau intermédiaire magnétique mince. 2 - Moteur à hystérésis suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau intermédiaire est subdivisé en plusieurs anneaux individuels, électriquement isolés entre eux» 3 - Moteur à hystérésis suivanx la revendication 1, carac-10 térisé en ce que l'anneau intermédiaire est subdivisé en lamelles individuelles B qui pontent chaque fois les entredents» 4 - Moteur à hystérésis suivant l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que l'épaisseur d des lamelles et leur distance S des dents du stator sont accordées l'une à l'autre 15 de manière à satisfaire à l'équation ^ ^ , où a est le recouvrement de la lamelle et de la tête de dent et b est la largeur de 1'entredent. 5 - Moteur à hystérésis suivant l'une des revendications 1, 3 et 4, caractérisé en ce que l'épaisseur d, de l'anneau inter- 20 médiaire ou des lamelles est choisie de manière à ne pas dépas- A T. A ser sensiblement la condition limite B^- ^.d B.s 25 6 - Moteur à hystérésis suivant la revendication 1, carac térisé en ce que le stator est enroulé, sous forme d'un enroulement en anneau, des spires qui se ferment autour de la culasse, les nombres de spires différents de l'une ou des deux phases d'un enroulement polyphasé dans chaque encoche étant proportionnés de 30 manière que les valeurs de crête des flux totaux dé courant magnétique de toutes les encoches soient"égales entre elles et que les , suites de phases des encoches voisines forment entre elles des angles de phase égaux. 7 - Moteur à hystérésis suivant l'une des revendications 1 35 et 6, caractérisé en ce que le moteur à hystérésis est réalisé S0U3 forme d'un moteur à disque- 8 - Moteur à hystérésis suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le stator est encastré dans un bac de blindage 70 01052 13 2028368 à paroi de grande épaisseur et d'une matière de bonne conductibilité • 9 - Moteur à hystérésis suivant l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'espace entre le stator et le bac 5 de blindage est rempli de résine synthétique*