Brevet FR2168894A1 — publié le 19730907

La présente invention concerne un convertisseur de couple électrique notamment pour véhicules à moteur thermique. On connart déjà des convertisseurs de couple électrique du type différentiel, dans lesquels la puissance est transmise par des machines à courant continu Outre leur poids élevé, ces machines de construction onéreuse, conduisent à employer des contacts glissants (collecteurs à lames et bagues tournantes) qui servent au passage de courants importants (une fraction importante de la puissance est transmise par ces courants). On connaît également des coupleurs électromagnétiques homo ou hétéropolaires à induction dans lesquels deux rotors coaxiaux, l'un solidaire d'un arbre mené, s'entraînent en rotation dès l'instant qu'un champ magnétique est créé dans l'entrefer les séparant. Ces dernières machines ne font que transmettre un couple, l'é- nergie correspondant au glissement se transformant en courants/de circula - tion qui eux-mêmes se transforment en chaleur qui est perdue. La présente invention vise à procurer un convertisseur de couple dans lequel les courants induits ne sont pas dissipés sous forme de chaleur mais au contraire servent à créer un couple moteur additionnel. A cet effet, ce convertisseur de couple est caractérisé en ce qu'il comporte un alternateur induit rotor dont les rotors inducteur et induit sont coaxiaux et respectivement solidaires des arbres menant et mené, et en ce que le rotor induit cylindrique porte sur sa surface interne un enroulement polyphasé d'alternateur connecté à un enroulement polyphasé de moteur asynchrone disposé sur la surface externe du rotor indui t et tournant en regard d'un induit fixe bobine, de manière que les forces électromotrices induites dans l'enroulement polyphasé interne de l'alternateur produisent, dans l'enroulement polyphasé du moteur asynchrone, des courants polyphasés donnant eux-mêmes lieu à un champ tournant et ion couple moteur additionnel qui stajoute au couple direct se dévelop- pant dans Le consertisseut de couple suivant l'invention présente ainsi la disposition générait d'un coupteur hétéropolaire à anduetion mais dans teque les courants induits ne circulent plus dans la masse métallique du o tics rotors mais dans un premier enroulement qui les collecte, les di ge et tes transmet à l'inducteur rotatif d'un moteur à coamp tournant, de façon qu'ils créent un travail moteur, le couple développé par ce moteur s'ajoutant à chaque instant au couple passant par le générateur de courant. Le convertisseur de couple suivant l'invention offre l'avantage de n'utiliser que des machines à courant alternatifsans collecteurs ni balais, à savoir un alternateur et un moteur asynchrone, de poids et d'encombrement moindres et de prix de revient moins élevé que les machines à courant continu. Par ailleurs, il n'utilise, dans une disposition hétéropolaire. que deux contacts glissants servant à assurer l'excitation de l'alternateur (faible puissance), ces contacts pouvant d'ailleurs être supprimés par un agencement particulier de l'inducteur d'alternateur, non décrit ci-dessous. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une demi-vue en coupe axiale d'un convertisseur de couple suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe transverslae partielle faite suivant la La figure 3 est une demi-vue en coupe axiale d'une variante. Le convertisseur de couple électrique représenté sur le dessin est destiné à transmettre un couple variable entre un arbre menant lentraké en rotation par exemple par un moteur thermique, et un arbre mene 2 aligné avec le précédent. L'extrémité de l'arbre mené 2 est montée à rotation dans la partie extrême de l'arbre menant 1, par l'intermédiaire d'un roulement 3. L'arbre mené 2 est également monté à rotation dans un carter 4 en forme de cloche, par l'intermédiaire d'un palier à roulement à billes 5. Le convertisseur de couple est constitué en fait par l'association de deux machines à courant alternatif à savoir un alternateur 6 et un metteur asynchrone 7. L'alternateur 6 comporte un rotor inducteur 8 comprenant un moyeu central 9, en acier doux massif boulonné sur le plateau d'accouplement 1 de l'arbre moteur 1, qui peut être le vilebrequin d'un moteur thermique, a par une série de boulons 11. Ce moyeu porte un enroulement d'excitation annulaire 12 alimenté en courant continu par l'intermédiaire de deux bagues 13 montées sur un manchon isolant 14.Le moyeu 9 porte respectivement, sur ses deux faces frontales, deux flasques polaires 15 et lb se terminant, L la périphérie du rotor, par des dents imbriquées 17 18, de telle sorte quz cl s dents constituent, sur la surface externe cylindrique du rotor inducteur 8, une alternance de piles magnétiques de polarités opposées, suivant une disposition déjà bien connue. L arbre mené 2 est centré dans les roulements 3 et @ qui sout montés respectivement dans l'alésage prévu à cet effet dans le vilobrennin @@@ @@@ sage servant généralement à centrer l'arbre primaire d'une @@@ de @@ @@@ classique) et dans un bossage central prévu dans le carter @@ @@@ carter sert à supporter l'ensemble du convertisseur et à le ce@@@ @@@ @ @@ port au carter moteur 19.L'arbre mené 2 porte une canneleure ou un clavetag servant à entrainer un manchon d'accouplement 21. 1 présente également un collet 22 sur lequel est fixé et centré , au moyen de vis 23, un rotor induit 24 comportant un moyeu 25 fixé sur le collet 22, un flasque transversal 26 et un fourreau cylindrique 27, de sorte que le rotor induit 24 est en forme de cloche. Le rotor inducteur 8 est logé à l'intérieur du rotor induit 24 comme on peut le voir sur la figure 1. Le fourreau cylindrique 27 du rotor induit 24 est usiné intérieurement et extérieurement. Dans l'alésage de ce fourreau est centré et fixé un anneau de tales magnétiques 28 concentriques au rotor inducteur 8. La surface interne de l'anneau de tôle magnétique 28 présente des encoches longitudinales dans lesquelles est logé un enroulement polyphasé 29, l'ensemble constituant l'induit tournant de l'alternateur 6. Sur la surface extérieure du fourreau cylindrique 27 est centré et fixé un anneau de tôles magnétiques 31 dont la surface extérieure présente des encoches longitudinales dans lesquelles est logé un enroulement polyphasé 32 de moteur asynchrone. L'enroulement 32 est connecté d'une manière appropriée à l'enroulement polyphasé 2 de l'alternateur 6, et ce, par l'interne diaire de conducteurs 33 traversant des trous 34 percés dans le rotor induit 24. La disposition précitée n'est pas exclusive car les anneaux de tôle magné tique 28 et 31, disposés de part et d'autre du fourreau 27, pourraient être remplacés par un anneau unique en tôles d'acier magnétique encochées inté rieurement et extérieurement, cet anneau étant lié au flasque d'entrainement 26 par des entretoises et des boulons convenablement disposés. A l'iotêrteur de la jupe eylindrique du carter enveloppe 4 est fixé un anneau feuilleté 85, également en tôles magnétiques encoché sur sa surface interpe et enlourant l'anneau exleerne 31 du poter induil 24.Dans les encoches longitudinales ména gées dans l'anneau tixe 35 est logé un enroulement polyphasé induit 86 dont les extrémités saboutissent à des bornes isolées traversant le carter 4 Ces bornes sont reliées à un contacteur qui les met en court-circuit ou les réunit par une résistance de charge appropriée. Quand il est nécessaire le moteur asynchrone 7 est ainsi constitué par l'enroulement polyphasé 32 et l'induit 36. Pour assurer la ventilation de l'ensemble du convertisseur de couple, on a prévu des ailettes 38 portées par l'un des flasques polaires 16, du rotor inducteur.8, ainsi que des orifices de ventilation 39, 40, percés dans le carter enveloppe 4 et 41 percés dans le flasque 26 du rotor induit 24. Les ailettes 38 sont ainsi solidaires du rotor inducteur tournant à grande vitesse et assurent une circulation efficace de l'air. Par ailleurs, les enroulements induit 29 et inducteur 32 fixés sur le rotor mené 24, et tournant solidairement sont très bien refroidis par déplacement des conducteurs dans l'air constamment renouveIé, permettant ainsi des densités de courant élevées. On décrira maintenant le fonctionnement du convertisseur de couple suivant l'invention. On supposera que l'arbre 1 est l'arbre du vilebrequin d'un moteur thermique, tandis que l'arbre mené 2 est l'arbre d'entrakement d'un véhicule. Le moteur thermique étant en rotation et le véhicule arrêté, le rotor inducteur 8 tourne alors que le rotor induit 24 est fixe puisqu'il est solidaire du véhicule encore arrêté. Si on excite alors l'alternateur 6, en alimentant l'enroulement inducteur tournant 12, l'enroulement induit 29 devient le siège de f. e.m. polyphasé dont la fréquence et la valeur sont respectivement proportionnelles à la vitesse de rotation relative des rotors 8 et 24 et à l'excitation de l'alternateur 6. Comme l'enroulement induit 29 est connecté en permanence à l'enroulement polyphasé 32 du moteur asynchrone 7, les f. e. m. induitestans cet enroulement 29 engendrent des courants polyphasés qui sont eux-m & es à l'o- rigine d'un champ tournant dans l'entrefer existant entre les anneaux de tb- les magnétiques 31 à 35. Ce champ se ferme en coupant les conducteurs de l'enroulement 36. I1 en résulte donc, si les bornes sont réunies en courtcircuit ou sur des résistances déterminées, un couple additionnel qui s'exerce sur le rotor induit 24 et qui est donc transmis à l'arbre mené 2.Ce cou p]e s'ajoute au couple direct qui se développe dans l'alternateur 6, le couple total sollicitant arbre mené étant alors égal à la somme du couple direct et du couple moteur additionnel. Par un choix judicieux des nombres de piles de l'alternateur 6 et du moteur asynchrone 7, de même que des diamètres des rotors inducteur 8 et induit 24 et des dimensions axiales des anneaux de tôles ainsi que du temps ed maintien en court-circuit des bornes 37 , on peut donner toutes valeurs désirées au couple moteur additionnel en réalisant ainsi une transmission électrique directe. Le rendement du moteur asynchrone 7 et le rendement général de la transmission, qui sont fonction des nombres de piles respectifs de l'alternateur 6 et du moteur 7, peuvent entre excellents sur une plage étendue des vitesses. La disposition concentrique à diamètres croissants des éléments de la machine contribue favorablement au but que l'on recherche. Sous l'action du couple moteur total (somme du couple direct dans l'al- ternateur 6 et du couple moteur additionnel fourni par le moteur asynchrone 7), l'arbre mené 2 est ontraîné progressivement en rotation, le véhicule prenant de la vitesse, et la vitesse relative du rototor inducteur 8 et du rotor induit 24 diminue : il en résulte que l'énergie Aiminue également, le couple moteur additionnel développé par le moteur asynchrone 7 tendant alors vers zéro. Par ailleurs2 il est nécessaire à partir d'une certaine vitesse du rotor induit d'ouvrir de l'enroulement 36 par action sur le contacteur de courtcircuit des bornes 37. Un dispositif de régulation d'excitation simple permet de laisser fonctionner le moteur thermique dans la zone des vitesses et des couples où une parfaite combustion des gaz est réalisée et, par conséquent, ce mode de transmission convient parfaitement à des véhicules non polluants. On peut obtenir, par le réglage d'excitation, toutes les lois vitessescouples que l'on désire. On décrira maintenant, en se référant à la figure 3, une variante d'exécution du convertisseur de couple suivant l'invention. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux des figures 1 et 2 sont affectés des mêmes références numériques. La moditication cesentielles apportée au convertissour représenté sur a ligure 3 cutcerae le rotor induit 24. Ce rotor induit com- perte un flasque transversal 26 @@ @@ au eollet 22 de l'arbre nene 2 par son mo en 25. et un tan@@@@ pérlp mque 42 s'éterdant de part et d'aup- du flasque @@@@@ 20. La partue gau@@@ tambour 42 porte dans son al@sage note rne, l'anncau de té@@@ @@@@ @@@@ées 28 qui supporte L'en @@@@ @@@@ @@@@@ @@ de @@ternatear 8. Dans sa partie drotie, la lambour 42 porte dans son afesage l'anneau de de tôles magnétiques 31 recevant ltenroulement polyphasé 32 du moteur asynchrone 7. Le carter-enveloppe 4 présente un manchon central 43 entourant l'arbre mené 2 et sur lequel est fixé, au moyen de vis 45, un palier 44 contenant le roulement à billes 5. Le manchon 43 porte sur sa surface externe d'anncau fixe 35 de tôles magnétiques dans lequel est logé l'enroulement induit 36 aboutissant aux bornes isolées 37. De cette façon les enroulements polyphasés 29 et 32 sont logés de part et d'autre du flasque central 26 et ils sont interconnectés par les conducteurs 33 traversant les trous 34 du flasque 26. Le convertisseur de couple représenté sur la figure 3 offre l'avantage que l'enroulement polyphasé 32 du moteur asynchrone 7 ne tend pas à être arraché des encoches dans lesquelles il est logé, sous l'effet de la force centrifuge, du fait qu'au contraire il est plaqué dans le fond des encoches lorsque le rotor induit 24 tourne. Les anneaux feuilletés 28 et 31 peuvent être de mêmes dimensions ou de dimensions différentes, suivant le couple demandé au moteur. Par rapport à la disposition représentée sur les figures 1 et 2, le convertisseur suivant la figure 3 a un diamètre externe réduit. Par ailleurs, sa réalisation mécanique est particulièrement simple. La ventilation est assurée comme précédemment au moyen d'ailettes 38 portées par le rotor inducteur 8, éventuellement d'ailettes additionnelles 46 portées par la face droite du flasque 26 du rotor induit 24, et par des trous 40 dans le carter enveloppe 4 et 41 dans le flasque transversal 26 I1 est du reste bien entendu que les divers modes de réalisation de l'invention qui ont été décrits ci-dessus, en référence aux dessins annexés, ont été donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif et que de nombreuses modifications peuvent être apportées, sans quton s'écarte pour cela du cadre de la présente invention. C'est ainsi notamment que I'enroulemcnt inducteur annulaire 12 pourrait être fixe, seuls les flasques ltt 16 portant les pôles 17, 18 étant entratnés en rotation par l'arbre me rjint 1 La rnac:ìirle ne comporterait alors aucun contact glissant. REVENDICATIONS 1. - Convertisseur de couple électrique entre des arbres menant et mené, notamment pour moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comporte un alternateur 6 dont les rotors inducteur 8 et induit 24 sont coaxiaux et respectivement solidaires des arbres menant et mené, et en ce que le rotor induit cylindrique 24 porte sur sa surface interne un enroulement polyphasé 29 d'alternateur connecté à un enroulement polyphasé 32 de moteur asynchrone 7 disposé sur la surface externe du rotor induit et tournant en regard d'un induit fixe 36 , bobiné " de manière que les forces électromotrices induites dans l'enroulement polyphasé interne 29 de l'alternateur produisent, . dans l'enroulement polyphasé 32 du moteur asynchrone, des courants polyphasés dominant lieu à un champ tournant et à un couple moteur additionnel qui s'ajoute au couple direct se développant dans l'alternateur. 2.- Convertisseur de couple suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor inducteur 8 de l'alternateur 6 comporte un moyeu 9 solidaire de l'arbre menant 1, un enroulement inducteur annulaire 12, entourant ce moyeu 9 et relié à une source de courant continu au moyen de deux bagues 13, et deux flasques polaires transversaux 15, 16, fixés au moyeu 9 et se terminant, à la périphérie du rotor, par des dents imbriquées 17, 18, de telle sorte que ces dents constituent, sur la surface externe cylindrique du rotor inducteur 8, une alternance de pales magnétiques de polarités opposées. 3.- Convertisseur de couple suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rotor induit 24 de l'alternateur comporte un moyeu 25 fixé à l'arbre mené 22, un flasque transversal 26 et au moins un anneau de tôles magnétiques présentant des encoches longitudinales internes dans lesquelles est logé l'enroulement polyphasé 29 de l'alternateur 6, et des encoches longitudinales externes dans lesquelles est logé l'enroulement polyphasé 32 du moteur asynchrone 7. 4. - Convertisseur de couple suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le flasque 26 du rotor induit 24 est prolongé par un fourreau cylindrl- que 27 dans l'alésage duquel est centré et fixé un premier anneau de tôles na.tgnétiques encoché pour c Onteni r 1' enroulement polyphasé 29 de l'alterna- teur, et siir la surfice extérieure duquel est centré et fixé un second anneau cle tôles mngnétiques 31 encoché pour recevoir l'enroulement polyphasé 32 du moteur a svncli rone *7. 5. - Convertisseur de couple suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte un carter enveloppe 4 présentant une jupe cylindrique entourant les rotors induit et inducteur et à laquelle est fixé un anneau feuilleté 35 en tôles magnétiques, présentant sur sa surface interne des encoches longitudinales dans lesquelles est logé l'enroulement 36 aboutissant à des bornes isonées 37. 6.- Convertisseur de couple suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 , caractérisé en ce que le rotor inducteur 8 de l'alternateur 6 porte des ailettes 38 fixées sur l'un au moins des flasques polaires 15, 16, et des orifices de ventilation 39, 40 sont percés dans le carter enveloppe 4, tandis que d'autres orifices 41 sont percés dans le rotor induit 24. 7. - Convertisseur de couple suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rotor induit 24 comporte un flasque transversal 26 solidaire d'un tambour périphérique 42 s'étendant de part et d'autre de ce flasque et portant dans son alésage d'un côté l'anneau feuilleté 28 dans lequel est logé l'enroulement polyphasé 29 de l'alternateur 6 et d'un autre côté l'anneau feuilleté 31 dans lequel est logé l'enroulement polyphasé 32 du moteur asynchrone 7, ces deux enroulements étant interconnectés par des conducteurs 33 traversant des trous 34 percés dans le flasque 26, et en ce que l'anneau feuilleté fixe 35 portant 1' enroulement 36, est logé à l'intérieur de l'anneau feuilleté 31 porté par le rotor induit 24, en étant monté sur un mancon 43 faisant partie du carter-enveloppe 4.