Brevet FR2191351A1 — publié le 19740201

L'invention concerne un alternateur, notamment alternateur triphasé pour véhicules automobiles2 comportant un ensemble d'enroulement de phases, disposé de préférence dans le stator, l'une des extrémités de cet ensemble étant raccordée à un dispositif redresseur ou, dans le cas d'un alternateur triphasé branché en étoile, au point neutre2 le dispositif redresseur étant branché à la suite de l'ensemble d'enroulement de phase et contenant des diodes positives et, le cas échéant, des diodes négatives ainsi que des diodes d'excitation, un dispositif étant prévu dans le rotor pour exciter l'ensemble d'enroulements de phases. Les alternateurs destinés à l'alimentation d'un dispositif de charge de batterie et d'autres récepteurs dans les véhicules automobiles fonctionnent dans une gamme de vitesses de rotation très étendue Il faut cependant que leur tension de sortie soit toujours constante. Comme on peut le voir sur la caractéristique d'un alternateur connu, le courant de sortie d'un alternateur pouvant être obtenu sous une tension de sortie constante croit d'abord fortement, à peu près suivant une courbe représentative ayant la forme d'une parabole couchée lorsque la vitesse de rotation croit. Cependant, dans le domaine des vitesses de rotation élevées, le courant de sortie pouvant être obtenu ne croît plus que faiblement0 Le courant de sortie est par conséquent limités Si l'on augmente le nombre de spires par phase de l'enroulement du stator d'un alternateur, le courant de sortie s'établit bien pour une faible vitesse de rotation du rotor, mais on ne peut alors obtenir que des courants de sortie plus faibles dans le domaine des vitesses de rotation élevées.On est donc conduit à chercher un compromis pour que l'alternateur puisse fournir un courant de sortie suffisant dans le domaine des faibles vitesses de rotation tout en pouvant fournir aussi le courant de sortie le plus grand possible dans le domaine des vitesses de rotation élevées. L'expérience a montré que les alternateurs remplissant les conditions de puissance poséés dans le domaine des faibles vitesses de rotation fonctionnaient dans le domaine des vitesses de rotation élevées à des températures de service inférieures aux températures atteintes dans le domaine des faibles vitesses de rotation0 Cela indique que ces alternateurs ne sont pas complètement utilisés dans le domaine des vitesses de rotation élevées0 On connaît déjà des dispositions dans lesquelles l'enroulement du stator peut, en fonction de la vitesse de rotation, être commuté dtun montage en triangle dans un montage en étoile.On connaît aussi des dispositions dans lesquelles les enroulements individuels du stator sont commutés d'un montage en étoile dans un montage en série, Ces dispositions requièrent la mise en oeuvre de moyens de commutation relativement complexes, En outre, il se produit lors de la commutation des pointes de tension relativement élevées qui atteignent des valeurs égales à plusieurs fois la tension nominale de l'alternateur. Il peut alors en résulter des conséquences connues telles que court-circuit entre spires et court-circuit à la masse. Lors d'une nouvelle commutation, les diodes redresseuses peuvent même être détruites. L'invention a pour but d'améliorer, dans la mesure du possible, la puissance et le rendement des alternateurs dans le domaine des vitesses de rotation élevées en faisant varier le nombre de spires par phase pendant le fonctionnement. Elle concerne à cet effet un alternateur du type ci-dessus caractérisé en ce que l'enrou- lement de phase est muni d'une prise raccordée à l'anode de la diode positive correspondante avec au moins une autre diode positive et, le cas échéant, au moins une autre diode négative, un dispositif de commutation étant en liaison avec l'ensemble d'enroulement de phases et avec le redresseur et pouvant être actionné en fonction de paramètres extérieurs, tels que la vitesse de rotation du rotor, la température de l'ensemble d'enroulement de phases du stator ou le courant de l'alter- nateur. L'invention permet d'assurer une meilleure alimentation en énergie des véhicules automobiles; l'alternateur présente un rendement plus élevé que les alternateurs usuels jusqu'à maintenante Les alternateurs conformes à l'invention conviennent également pour alimenter des récepteurs, de préférence consommant An courant continu constant, situés à l'extérieur du véhicule automobile ou connectés à un appareil de commande distinct , paie exemple pour le camping, pour de l'outillage électrique ou pour des installations d'alimentation électrique de secours. Les alternateurs sont de fabrication plus économiques avant tout parce qu'on peut admettre une gamme de tolérances plus étendue lors de la fabrication et parce que plusieurs éléments peuvent être utilisés à l'état brut d'usinage. Cela est également valable lorsqu'on utilise des commutateurs sans contacts mécaniques tels que des redresseurs commandés ou des transducteurs, Une caractéristique commune à tous les alternateurs conformes à l'invention est qu'il leur suffit d'un plus faible volume et d'un plus faible poids que dans le cas des alternateurs usuels jusqu'à maintenant.Il en résulte des possibilités de mise en oeuvre améliorées, notamment dans les véhicules automobiles0 La description ci-après et les dessins annexés se rapportent à des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels : - La figure la est un schéma d'un alternateur monophasé; - La figure lb est un schéma d'un alternateur triphasé; - La figure 2 est un schéma d'un alternateur triphasé muni d'un troisième contact de commutation; - La figure 2a est un schéma similaire d'un alternateur monophasé; - La figure 3a est un schéma d'un montage économique monophasé; - La figure 3b est un schéma d'un montage économique triphasé; - La figure 3c est un schéma d'un alternateur triphasé branché en étoile;; - La figure 4a est un schéma d'un alternateur monophasé dont les enroulements de stator sont divisés en deux moitiés; - La figure 4b est un schéma similaire correspondant à un alternateur triphasé; - Les figure 5a et figure 5b sont des schémas similaires correspondant à d'autres modes de réalisation; - Les figure 6a et figure 6b représentent des exemples de réalisation dans lesquels le commutateur mécanique est remplacé par un commutateur électronique;; - Les figure 7a et figure 7b représentent des exemples de réalisation faisant appel à des transducteurs0 Dans toutes les figures, les mêmes éléments de commutation sont affectés des mêmes références numériques0 Les alternateurs suivant la figure la et la figure lb comportent, de façon connue, des diodes positives 1' et 1" ainsi que des diodes négatives 21 et 2". Il est en outre prévu des diodes d'excitation 3' et 3". L'alternateur contient un ensemble d'enroulement de phases 4 et un enroulement d'excitation So L'enroulement d'excitation 5 est raccordé aux diodes d'excitation 3', 3" par l'intermédiaire d'un régulateur de tension 6o Un contacteur d'allumage 7 est fermé pendant le fonctionnement du véhicule automobile dans lequel est monté l'alternateur conforme à l'invention. Une lampe de contrôle de charge 8 indique le bon fonctionnement de l'alternateur. Les récepteurs 9 du véhicule automobile peuvent autre raccordés à l'alternateur au moyen d'un interrupteur de charge 12. En général, une batterie 10 est également prévue dans le véhicule automobile0 Dans l'alternateur monophasé suivant la figure la, l'une des extrémités de l'enroulement unique de l'ensemble 4 est raccordée au conducteur de liaison entre la cathode de la diode négative 2" et l'anode de la diode positive lto L'enroulement de phase 4 est muni d'une prise 11 raccordée au conducteur de liaison entre la cathode d'une autre diode négative 2 et l'anode d'une autre diode positive 1 ainsi qutà l'anode d'une autre diode d'excitation 30 L'autre extrémité'de l'enroulement de phase 4 est reliée à un dispositif de commutation 13.Le dispositif de commutation 13 comporte un commutateur mécanique muni d'un pont de commutation ainsi que d'un premier contact de commutation et d'un second contact de commutation0 Le premier contact de commutation est branché dans le conducteur de liaison entre la cathode de la diode négative 2' et l'anode de la diode positive 1' ainsi qu'à l'anode de la diode d'excitation 3'0 Le second contact de commutation est relié à l'autre extrémité de l'enroulement de phase 4 Contrairement à la figure la, la figure lb représente un alternateur triphasé.Le montage ne se différencie essentiellement que par l'utilisation de redresseurs en pont triphasé pour l'alimentation des récepteurs 9 et de la batterie 10 ainsi que pour alimenter l'enroulement d'excitation 50 Conformément aux conditions d'application, le dispositif de commutation 13 est muni de trois ponts de commutation actionnés simultanément. Dans l'exemple de réalisation suivant la figure lb, les trois enroulements de l'ensemble d'enroulement de phase 4 sont branchés en étoile. Dans le domaine des faibles vitesses de rotation, le ou les commutateurs du dispositif de commutation 13 sont fermés, Les diodes 1', 2', 1", 2" et 3', 3" peuvent alors étre conductrices0 Lorsque le pont de commutation du dispositif de commutation 13 est séparé des contacts de commutation, seule est active la partie de lten- roulement de phase 4 située entre l'une des extrémités et la prise 11. Les diodes 1, 2, 1", 2" et 3, 3" peuvent alors être conductrices0 Tant que le ou les commutateurs du dispositif de commutation 13 sont fermés, les diodes 1, 2, 3 ne sont pas conductrices. Mais ces diodes 1, 2, 3 sont déjà raccordées aux prises 11 et prêtes à conduire le courant. A l'instant où le ou les commutateurs du dispositif de commutation 13 sont ouverts, les diodes 1, 2, 3 peuvent conduire le courant immédiatement. On évite ainsi l'inconvénient dangereux des dispositifs connus suivant lequel il se produit des pointes de tension élevées lors de la commutation. Les exemples de réalisation suivant la figure 2 et la figure 2a se différencient des exemples de réalisation suivant la figure la et la figure lb en ce que le dispositif de commutation 13 contient un troisième contact de commutation raccordé à la prise 11. Dans le domaine des vitesses de rotation élevées, le pont de commutation se sépare du second contact de commutation et relie le premier contact de commutation au troisième contact de commutation. En conséquence, dans le domaine des vitesses de rotation élevées, les diodes 1', 2', 3' sont branchées en parallèle aux diodes 1, 2, 3o Les exemples de réalisation représentés sur la figure 3a et la figure 3b sont des montages économiques0 Les montages économiques suivant la figure 3a et la figure 3b se différencient des montages suivant la figure 2 et la figure 2a en ce qu'on économise les diodes d'excitation 3, ces diodes étant supprimées0 La figure 3c représente un autre exemple d'alternateur triphasé branché en étoile. Cet exemple de réalisation se différencie de l'exemple de réalisation suivant la figure 2b en ce que les troisièmes contacts de commutation du dispositif de commutation 13 sont en liaison conductrice entre eux et avec le point neutre de l'ensemble d'enroulement de phases 4.Dans le domaine des vitesses de rotation élevées, dans lequel le pont de commutation relie les premiers contacts de commutation aux troisièmes contacts de commutation, les diodes 1', 2', 3' sont reliées au point neutre0 Cette disposition a pour avantage que, dans le domaine des vitesses de rotation élevées, les diodes 1', 2', 3' sont utilisées pour réduire l'influence des oscillations harmoniques, notamment de la troisième oscillation harmonique. Dans les exemples de réalisation suivant la figure 4a et la figure 4b, l'ensemble d'enroulement de phases 4 du stator de l'alternateur est divisé en deux moitiés X2-U2 et X1-U1 dans le cas d'un alternateur monophasé et chaque fois en deux moitiés X2-U2 et X1-U1, Y2-V2 et Yl-Vl ainsi que Z2-W2 et Z1-W1 dans le cas d'un alternateur triphasé. Pour obtenir les mimes valeurs caractéristiques électriques et thermiques pour ces moitiés d'enroulement, l'enroulement est de préférence réalisé sous forme d'enroulement à deux fils. L'enroulement de phase 4 est donc interrompu sur la prise 11.Les connexions d'enroulements U2, V2, W2 sont reliées aux seconds contacts de commutation et les connéxions d'enroulement X1, Y1, Z1 sont reliées aux premiers contacts de commutation coopérant avec le pont de commutation du dispositif de commutation 13 Dans le cas de l'alternateur monophasé suivant la figure 4a, le troisième contact de commutation du dispositif de commutation 13 est raccordé à l'une des extrémités d'enroulement X2 de l'ensemble d'enroulement de phase 4 Dans le cas d'un alternateur triphasé, les troisièmes contacts de commutation sont en liaison conductrice l'un avec l'autre et peuvent en outre, sans que cela soit obligatoire, être raccordés au point neutre de l'ensemble d'enroulement de phase 40 Dans le domaine des faibles vitesses de rotation, les enroulements de phases sont branchés en série, de telle sorte que tout l'enroulement de l'ensemble est actif. Dans le cas de l'alternateur monophasé suivant la figure 4a, il s'agit de 1' enroulement X2-U1. Dans le cas de l'alternateur triphasé suivant la figure 4b, il stagit. de l'enroulement x2-U1, Y2-V1 et Z2-W1. Dans le domaine des faibles vitesses de rotation, l'enroulement coopère alors avec les diodes 1',-2'; 1", 2"; 3', 3" (figure 4a) ou avec les diodes 1', 2', 3' (figure 4b)o Dans le domaine des vitesses de rotation élevées, c'est-à-dire lorsque le pont de commutation relie le premier contact de commutation au troisième contact de commutation, les moitiés d'enroulement de l'ensemble d'enroulement de phase 4 fonctionnent en parallèles Les éléments d'enroulement suivants coopèrent avec les diodes ci-après : enroulement U1-X1 avec les diodes 1', 2', 1", 2", 3', 3"; enroulement U2-X2 avec les diodes 1, 2, In, 2n, 3", 3. Dans le cas d'un alternateur triphasé, l'enroulement U1 V1 W1 coopère avec les diodes 1', 2', 3' et l'enroulement U2 V2 W2 coopère avec les diodes 1, 2, 3. Les contacts de commutation du dispositif de commutation 13 ne sont sollicités que par la moitié du courant. La figure 6a et la figure 6b représentent des réalisations dans lesquelles le commutateur mécanique du dispositif de commutation 13 est remplacé par un commutateur électronique. Dans les exemples de réalisation des figures la à 5b, le dispositif de commutation 13 peut être remplacé par un dispositif de commutation 14 qui contient des thyristors en tant qu'éléments de commutation. La figure 7a et la figure 7b montrent comment9 au lieu du commutateur mécanique du dispositif de commutation 13, on peut utiliser des transducteurs dans un autre dispositif de commutation 15 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation9 sans pour cela sortir du cadre de l'invention0 R E V E N D I C A T I O N S 10) Alternateur, notamment alternateur triphasé pour véhicules automobiles, comportant un ensemble d'enroulement de phases, disposé de préférence dans le stator, l'une des extrémités de cet ensemble étant raccordée à un dispositif redresseur ou, dans le cas d'un alternateur triphasé branché en étoile, au point neutre, le dispositif redresseur étant branché à la suite de l'ensemble d'enroulement de phase et contenant des diodes positives et, le cas échéant, des diodes négatives ainsi que des diodes d'excitation, un dispositif étant prévu dans le rotor pour exciter l'ensemble d'enroulements de phases, alternateur caractérisé en ce que l'enroulement de phase (4) est muni d'une prise (11), raccordée à l'anode de la diode positive correspondante (1), avec au moins une autre diode positive (l') et, le cas échéant, au moins une autre diode négative (2'), un dispositif de commutation (13, 14, 15) étant en liaison avec l'ensemble d'enroulement de phases (4) et avec le redresseur (1, 2, 3), et pouvant être actionné en fonction de paramètres extérieurs tels que la vitesse de rotation du rotor, la température de l'ensemble d'enroulement de phases du stator ou le courant de l'alternateur. 20) Alternateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le pont de commutation du dispositif de commutation (13, 14, 15) coopère avec un premier contact de commutation et avec un second contact de commutation, le premier contact de commutation étant raccordé à la connexion d'anode de l'autre diode positive (I'), le second contact de commutation étant raccordé à l'autre extrémité de l'enroulement de phase (4)o 3 ) Alternateur suivant la revendication 2, comportant un enroulement d'excitation, un régulateur de tension et des diodes d'excitation, caractérisé en ce qu'unie autre diode d'excitation (3') est prévue pour chaque enroulement de l'ensemble d'enroulement de phases (4) et en ce que l'électrode de l'autre diode d'excitation (3') située à 1' opposé de l'enroulement d'excitation (5) est raccordée au premier contact de commutation du dispositif de commutation (13, 14, 15). 40) Alternateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de commutation (13, 14, 15) comporte un troisième contact de commutation raccordé à une prise (11) de l'enroulement de phase (4) et en ce que dans l'une des positions de commutation, le premier contact de commutation est mis en liaison conductrice avec le second contact de commutation9 tandis que dans l'autre position de commutation le premier contact de commutation est mis en liaison conductrice avec le troisième contact de commutation. 50) Alternateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la fonction d'au moins une partie des diodes d'excitation (3) existant intrinsèquement est remplacée par la fonction des autres diodes d'excitation (3')0 60) Alternateur suivant la revendication 4 et branché en étoile, caractérisé en ce que, pour empêcher l'action de la troisième oscillation harmonique de la tension de phase produite dans l'ensemble d'enroulement de phases (4) ou d'un multiple de cette oscillation, le troisième contact de commutation du dispositif de commutation (13, 14, 15) est mis en liaison conductrice avec le point neutre de l'ensemble d'enroulements de phases (4)o 70) Alternateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque enroulement de l'ensemble d'enroulement de phases (4) est interrompu sur la prise (11), en ce que les deux parties de l'enroulement ainsi interrompu peuvent être reliées à l'aide du pont de commutation et par l'intepnédiaire du premier contact de commutation et du second contact de commutation du dispositif de commutation (13, 14, 15), et en ce que l'autre extrémité de l'enroulement de phase (4) est raccordée à la connexion d'anode de l'autre diode positive (1'). 80) Alternateur suivant la revendication 7 et comportant un enroulement d'excitation, un régulateur de tension et des diodes d'excitation, alternateur caractérisé en ce qu'une autre diode d'excitation (3') est prévue pour chaque enroulement de l'ensemble d'enroulement de phases (4), et en ce que l'électrode de l'autre diode d'excitation (3') est raccordée à l'autre extrémité de l'enroulement de phase (4). 9 ) Alternateur suivant l'une quelconque des revendicatXons 7 et 8 et présentant un montage monophasé, caractérisé en ce que le dispositif de commutation (13, 14, 15) comporte un troisième contact de commutation raccordé à l'une des extrémités de l'ensemble d'enroulement de phase (4), et en ce que, dans l'une des positions de commutation, le premier contact de commutation est en liaison conductrice avec le second contact de commutation tandis que dans l'autre position de commutation le premier contact de commutation est en liaison conductrice avec le troisième contact de commutation0 100) Alternateur suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8 et présentant un montage triphasé, caractérisé en ce que le dispositif de commutation (13, 14, 15) comporte des troisièmes contacts de commutation et en ce que les troisièmes contacts de commutation sont en liaison conductrice entre eux, 110) Alternateur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les troisièmes contacts de commutation du dispositif de commutation (13, 14, 15) sont en outre reliés au point neutre de l'ensemble d'enroulement de phase (4). 120) Alternateur suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que les deux parties de l'enroulement de l'ensemble d'enroulement de phases (4) présentent les mêmes valeurs caractéristiques mécaniques et électriques, notamment en ce qu'ils sont introduits dans la même rainure sous forme de fils ou barres parallèles0 13 ) Alternateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par la mise en application dans un alternateur à système redresseur demionde. 140) Alternateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est constitué par un dispositif de commutation mécanique (13). 150) Alternateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est constitué par un dispositif contenant des redresseurs commandés (14) en tant qutéléments de commutation0 160) Alternateur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le dispositif de commutation est constitué par un dispositif contenant des transducteurs (15) en tant qu'éléments de commutation0