Brevet FR2216710A1 — publié le 19740830

La présente invention concerne un transmetteur rotatif électromagnétique de puissance. Un tel transmetteur est destiné à tre relié mécaniquement d'une part & un moteur primaire et d'autre part à un récepteur mécanique. La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le cas où le récepteur mécanique est un véhicule terrestre automoteur (voiture de tourisme, camion, tracteur agricole...) et où le moteur primaire est i combustion interne (a essence, à gaz, diesel, turbines...). On sait que dans l'état actuel de la technique, les transmissions sont le plus souvent réalisées par des boîtes mécaniques a plusieurs rapports de vitesse. Ces bottes présentent des inconvénients bien connus : -contraintes imposées par leur manipulation-temps morts lors des changements de vitesse-limitation importante de la puissance utilisable en moyenne et corrélativement facteur de pollution du fait que les moteurs qui les entrainent ne tournent qu'épisodiquement au régime optimum correspondant à la puissance appelée. Si l'on a réussi à automatiser le fonctionnement de telles boites mé- caniques, c'est toujours au détriment des performances et du rendement. D'autre part, il existe des transmissions continues à variateur mécanique (par exemple courroie), mais par leur nature mme elles ne résolvent qu'imparfaitement le problème de l'adaptation du rapport de démultiplication, car elles sont préré- glées pour fonctionner correctement dans une plage relativement limitée des régimes du moteur. Un autre type de transmission continue est réalisé par le système dénommé groupe WARD-LEONARD, mais si une telle transmission offre la souplesse désirée, elle est encombrante et pesante, car la génératrice et les moteurs associés doivent tre tous capables respectivement de fournir ou d'ab- sorber toute la puissance du moteur primaire :. Elle a en outre de ce fait un rendement global (environ 80 %) insuffisant pour qu'elle soit utilisable avec profit dans beaucoup d'applications. Enfin les coupleurs, en particulier les coupleurs électromagnétiques, qui transmettent un couple avec une liaison sous ple permettant au récepteur de glisser par rapport au moteur, ne sont pas des adaptateurs de puissance, car ils ne restituent pas sous forme de multiplication du couple la partie de la puissance perdue par le glissement et il est nécessaire de ce fait de les associer i des boîtes de démultiplication (boîtes de vitesses mécaniques par exemple). Le transmetteur selon l'invention tout en offrant d'autres avan- tages encore, ne présente pas les inconvénients ci-dessus rappelés h propos de réalisations antérieures. Le transmetteur selon l'invention est comrosé d'un ensemble, constitué d'une génératrice différentielle à inducteur et induit rotatifs et d'au moins un moteur électrique k courant continu, dénommé moteur secondaire. Cet ensemble relie la rotation de l'arbre de sortie du moteur primaire a celle d'au moins un arbre d'entrée du récepteur mécanique, dénommé par la suite récepteur. La génératrice différentielle, dénommée par la suite génératrice, a une action différentielle, car elle délivre une tension électrique qui varie proportionnellement i la différence entre les vitesses de rotation de son inducteur et de son induit. Ce qui caractérise le transmetteur selon l'invention, ce sont les liaisons mécaniques et électriques des parties de la génératrice, que constituent son inducteur et son induit, ainsi que celles des parties correspondantes de chaque moteur secondaire. Les deux parties de la génératrice sont liées mécaniquement l'une A l'arbre de sortie du moteur-primaire et l'autre d un arbre d'entrée du récepteur. En ce qui concerne le moteur secondaire, une de ses deux parties est liée mécaniquement I un arbre d'entrée du récepteur et l'autre est liée au bâti du récepteur. L'induit de la génératrice est relié électriquement éventuellement par l'intermédiaire de redresseurs de courant, a l'induit de chaque moteur secondaire, cette liaison étant en parallèle lorsqu'il y a plusieurs moteurs secondaires. Le courant d'excitation de chaque moteur secondaire est réglable, ainsi que celui de la génératrice, si son inducteur n'est pas & aimants permanents. Il y a selon l'invention différentes variantes du transmetteur suivant que la partie de la génératrice liée mécaniquement i-l'arbre de sortie du moteur primaire est soit l'inducteur, soit l'induit-de mme suivant la partie de chaque moteur secondaire liée å un arbre d'entrée du récepteur-de mme suivant que la génératrice est à courant alternatif ou continu. Dans une première parmi les variantes préférentielles, l'induc- teur de la génératrice qui est iL courant continu et à excitation réglable, est lié au moteur primaire et son induit est, par suite, lié h un arbre d'entrée du récepteur ; il y a un seul moteur secondaire dont l'induit est lui aussi lié un arbre d'entrée du récepteur, qui peut tre soit distinct du précédent avec une liaison mécanique entre les deux arbres par l'intermédiaire du récepteur, soit commun, les deux induits étant montés sur le mme arbre. La liaison électrique entre les deux induits est réalisée par des contacts glissants portés par la carcasse contenant l'inducteur de la génératrice, le transport du courant recueilli, par les balais de la génératrice sur ceux du moteur secondaire est assuré par les contacts glissants. Les courants induits dans la génératrice par suite de l'entraînement en rotation de sa carcasse par le moteur primaire produisent un couple qui est transmis à l'entrée du récepteur mécanique et qui est égal à celui fourni par le moteur primaire à 1'entrée de la génératrice : on appelera ce couple, couple primaire. La puissance électrique différentielle, qui est égale au produit du couple primaire par la différence entre les vitesses de rotation de l'inducteur et de l'induit de la génératrice et qui est disponible aux bornes de cet induit, est récupérée par le moteur secondaire qui la restitue, aux pertes près, au récepteur. En effet, le couple créé a l'entrée du récepteur par le moteur secondaire est égal au produit du couple primaire par le quotient du flux dans le moteur secondaire par le flux de la génératrice. Les pertes par effet Joule dans les deux induits sont proportionnelles au carré du quotient du couple pri- maire par le flux de la génératrice ; elles se traduisent par une faible diminution des vitesses de rotation des induits. Le rendement du transmetteur est très élevé, car la génératrice ne produit sous forme électrique pour la restituer mécaniquement par lintermédiaire du moteur secondaire, qu'une fraction de la puissance, fraction qui n'est importante que dans les phases transitoires ; le reste de la puissance est directement disponible mécaniquement sur l'arbre de l'induit de la génératrice, du fait de la rigidité magnétique entre cet induit et son inducteur qui est li k la rotation du moteur primaire. On réalise l'ajustement de la vitesse de rotation des deux induits, ainsi que la répartition des puissances transmises au récepteur par la génératrice et le moteur secondaire en faisant varier les courants magnétisants. Ainsi, la fonction d'embrayage s'effectue de préférence lorsque le flux du moteur secondaire est maintenu saturé pendant que l'on augmente progressivement celui de la génératrice. Puis, lorsque l'on a saturé le circuit magnétique de la génératrice, ce qui minimise les pertes par effet Joule, le réglage du rapport de démultiplication entre la vitesse de rotation d'entrée et celle de sortie de la génératrice s'obtint en faisant varier le courant magnétisant du moteur secondaire. On peut mme pour des valeurs faiblement négatives de ce courant magnétisant réaliser la surmultiplication, l'induit de la génératrice tournant alors plus vite que son inducteur. Enfin, pour obtenir la marche arrière, on opère comme indiqué plus haut pour la fonction d'embrayage, mais s en inversant le flux dans le moteur secondaire, ce qui change son sens de rotation. Un tel transmetteur permet donc une adaptation, aussi parfaite que possible, du rapport de démultiplication suivant le couple résistant rencontré et suivant la puissance que l'on désire appeler sur le moteur primaire. Pour une telle adaptation, il suffit de réaliser un asservissement très simple, en contrôlant la vitesse de rotation du moteur primaire, pour lui imposer la valeur optimale correspondant à la puissance appelée (par exemple par l'ouverture du carburateur dans le cas d'un moteur d carburateur) ; ceci est obtenu en réglant, par l'intermédiaire de son courant magnétisant, le couple que transmet le moteur secondaire. Dans ces conditions, le transmetteur suivant l'invention, qui ne présente pas les inconvénients des réalisations antérieures, apporte d'autres avantages importants et notamment : -il réalise la fonction d'embrayage ; -il réalise la fonction de botte de vitesses, parfaitement silencieuse (pas de bruits d'engrenages) ; -malgré les irrégularités du couple primaire, les vibrations de rotation correspondantes ne sont pas transmises du fait de l'absence de liaison rigide entre moteur primaire et récepteur mécanique ; -la carcasse tournante de la génératrice peut remplacer le volant d'inertie du moteur primaire ; -le transmetteur réalise la fonction de démarreur, la génératrice étant utilisée comme telle par branchement de son induit sur une source élec- trique ; -dans le cas ou le moteur primaire est équipé avec une batterie, le transmetteur peut réaliser la fonction de dynamo de recharge, avec linterposition d'un régulateur d'alimentation branché en parallèle sur l'induit de la génératrice ; -les accélérations sont très supérieures car, du fait de la meilleure utilisation de la puissance maximum du moteur pendant toute la phase d'accélération, la rotation transmise au récepteur, à conditions dynamiques égales, atteint sa valeur de régime en un temps beaucoup plus court qu'avec une transmission à boîte de vitesses mécanique (gain d'environ 40 % entre l'arret et les 2/3 de la vitesse limite) ; -la consommation de carburant sera plus faible du fait que le transmetteur a un rendement interne très élevé (il peut atteindre 98 à 99 %) et que le rendement énergétique du moteur primaire est optimisé à tous les régimes de puissance appelée. Dans le cas d'un récepteur soumis à de fréquentes variations de couple résistant (ce qui est le cas d'un véhicule routier), l'économie de carburant peut atteindre 25 %, par rapport aux solutions classiques de transmission ; -la pollution diminue notablement, du fait du meilleur rendement et de la diminution de la consommation, notamment dans les régimes ; -le transmetteur, dans les phases de décélération, permet d'utiliser le frein moteur avec l'efficacité maximum ; on peut mme en cas d'extrme urgence freiner en mettant le moteur secondaire en excitation de marche arrière ; -le bilan constructif est favorable : les fonctions d'embrayage, de boîte de vitesses, de volant d'inertie, de démarreur et de dynamo étant intégrées dans le transmetteur, la puissance transmise étant répartie à l'optimum entre la génératrice et le moteur secondaire, leurs rendements étant élevés, le transmetteur permet de gagner de la place et du poids et son coût est compétitif. Lorsque le transmetteur est utilisé sur un véhicule terrestre automoteur, il. présente, en plus des avantages précités, les suivants : -meilleures performances en côte, en particulier pour les camions, du fait de la meilleure utilisation de la puissance du moteur primaire ; -meilleures performances sur piat par intervention de la surmultiplication ; -diminution automatique du couple transmis, en cas de patinage, ce qui a pour effet de dimir-3r celui-ci ; -sécurité plus grande a la fois par la souplesse de marche, les meilleures reprises, le meilleur frein moteur et la tendance à la diminution du patinage. La description qui va suivre avec la figure-1-. annexée, et qui est relative à la première variante exposée ci-dessus, les deux induits étant montés sur le mme arbre, fera bien comprendre comment l'invention peut tre réalisée. La description est référencée selon la coupe axiale schématique de la figure-1-. Sur cette coupe ne figurent ni les dispositifs de compensation (enroulements ou contrôle de la position des balais), ni les ventilateurs nécessaires a. l'évacuation de la chaleur due aux frottements, aux pertes fer et aux pertes Joule. -Le bâti (1) supporte le dispositif tournant selon l'invention et le moteur primaire dont l'arbre de sortie est repéré en (2). -Cet arbre (2) entraine directement la carcasse (3) de la génératri- ce qui porte les bobinages tels que (4) de son inducteur. -L'arbre (5) cotrmun de l'induit (6) de la génératrice et de l'in- duit (7) du moteur a sa sortie vers le récepteur mécanique à droite selon la figure-1-. -Des paliers à roulements (8), (9), (10) et (11) positionnent cet arbre (5) par rapport aux carcasses (3) et (25) qui portent les inducteurs. -Le courant produit dans l'induit (6) de la génératrice est recueilli par l'intermédiaire du collecteur plat (12) sur des balais tels que (13) qui sont fixes sur la carcasse (3). -Les ressorts tels que (14) appuient ces balais tels que (13) sur le collecteur (12). -L'ensemble des balais tels que (13) est connecté pour réaliser une source bipolaire. -L'un des pôles de cette source est relié à lamasse qui est prise sur la bague (16). L'autre pôle est relié a la bague (15) par un conducteur tel que (17) à partir de chaque balai-tel que (13) où est disponible la tension de la dite source bipolaire. -La bague (18) sert å l'alimentation des bobinages (4) de l'induc- teur de la génératrice au circuit desquels elle est reliée par le conducteur (19). Le courant d'excitation est transmis à cette bague par le contact glissant (21 t fixé au bâti (1) qui est relié à la borne de connection (30). -Le retour de ce courant s'effectue par la masse, donc par la bague (16). -Deux autres contacts glissants (20) et (22) fixés au bâti (1) assurent le passage des courants provenant des bagues (15) et (16) respectivement. -Le contact (20) transmet aux balais tels que (24) du moteur par l'intermédiaire de conducteurs tels que (23) le courant produit par l'induit (6) de la génératrice. -Les balais tels que (24) sont fixés sur la carcasse (25) du moteur qui porte les bobinages tels que (26) de l'inducteur. -Cette carcasse (25) est fixée sur le bâti (1). -Le collecteur plat (27) de l'induit (7) du moteur assure la commutation du courant délivré par l'ensemble des balais tels que (24). Le retour s'effectue par la masse. -Le courant d'excitation du moteur est transmis aux bornes isolées (28) et (29) du circuit formé par les bobinages tels que (26). Une seconde et une troisième variante préférentielle dérivent de la première et présentent un intért pour l'application aux véhicules à plusieurs essieux moteurs. Dans la seconde variante, il y a un seul moteur secondaire qui est lié à un essieu, alors que la génératrice est liée à un second essieu ; un tel transmetteur permet d'avoir des véhicules tous terrains avec une transmission très simplifiée, en conservant tous les avantages de la première variante. De mme dahs- ! a troisième variante, où il y a plusieurs moteurs secondaires dont les induits sont reliés électriquement en parallèle à l'induit de la génératrice. Cn peut ainsi avoir un essieu principal moteur auquel est lié l'arbre de sortie du transmetteur sur lequel est monté l'induit de la génératrice et. éventuellement celui d'un moteur secondaire, tandis que les arbres de sortie des autres moteurs secondaires sont directement liés aux autres roues du véhicu- le qui seront ainsi rendues motrices. Aussi bien dans la seconde que dans la troisième variante, la liaison mécanique entre les rotations de l'induit de la génératrice et celui de chaque moteur secondaire est réalisée par l'intermédiaire du support du véhicule, c'est-à-dire du sol. Dans une quatrième variante préférentielle avec un seul moteur secondaire, l'induit de la génératrice qui est à courant continu, est lié à la rotation du moteur primaire. L'inducteur de cette génératrice et celui du moteur secondaire sont montés sur le mme arbre qui est lié mécaniquement au récepteur. L'induit du moteur secondaire est lié au bâti du récepteur. Dans cette quatrième variante, par rapport à la première, les parties tant de la génératrice que du moteur secondaire jouent un rôle inverse par rapport au moteur primaire et au récepteur : ce sont les inducteurs qui transmettent au récepteur les couples fournis par la génératrice et le moteur secondaire. Par rapport à la première, cette quatrième variante présente, en avantages et inconvénients, les différences suivantes : -les balais de la génératrice sont reliés à ceux du moteur secondaire sans contacts glissants ; il y a de ce fait moins de pertes et moins d'usure ; -les inducteurs auront besoin chacun de deux contacts glissants, mais il n'y passe que des courants faibles ; -l'inertie due à l'induit de la génératrice sur l'arbre du moteur primaire sera faible et il faudra conserver le volant d'inertie du moteur primaire ; le bilan constructif sera un peu moins favorable ; -l'inertie due aux inducteurs sur l'arbre d'entrée du récepteur sera plus importante et les performances en régime transitoire seront un peu moins bonnes. Dans une cinquième variante préférentielle, il y a un seul moteur secondaire et la génératrice est à courant alternatif, son inducteur est lié a la rotation du moteur'primaire, son induit est sur le mme arbre que l'inducteur du moteur secondaire dont l'induit est fixe par rapport au récepteur, un redresseur de courant est solidaire de l'induit de la génératrice, il alimente direc tement l'induit du moteur secondaire par l'intermédiaire des balais fixés sur l'inducteur de ce moteur.. Par rapport à la quatrième, cette cinquième variante présente, en avantages et inconvénients, les différences : -la fiabilité du dispositif est augmentée par la suppression du collecteur de la génératrice ; -la génératrice alternative est plus légère ; -la fonction de démarreur ne peut plus tre assurée par le transmetteur tel que décrit et le bilan constructif est de ce fait moins favorable. R E V E N D I C A T I C N S -1-Transmetteur électromagnétique de puissance reliant la rotation de l'arbre de sortie d'un moteur primaire à la rotation d'au moins un arbre d'entrée d'un récepteur mécanique et composé d'une génératrice électrique dont l'induit est relié électriquement, éventuellement par l'intermédiaire de redresseurs, à l'induit d'un moteur électrique a courant continu, comportant un circuit d'excitation réglable et dénommé moteur secondaire, et carac térisé en ce que les deux parties de la génératrice sont liées mécaniquement la première à l'arbre de sortie du moteur primaire et la seconde à un arbre d'entrée du récepteur, en ce que pour le moteur secondaire ses deux parties sont liées l'une mécaniquement à un arbre d'entrée de rotation du récepteur et l'autre au support de cet arbre d'entrée. -2-Transmetteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'induit de la génératrice est relié électriquement à plusieurs induits de moteurs secondaires, en ce que ces induits des moteurs secondaires sont montés en parallèle aux bornes de l'induit de la génératrice, en ce que chaque moteur secondaire a une partie liée mécaniquement à un arbre d'entrée du récepteur et l'autre en position fixe par rapport à ce récepteur. -3-Transmetteur selon l'une des revendications. 1 et 2 caracté- risé en ce que l'inducteur de la génératrice est lid mécaniquement à l'arbre de sortie du moteur primaire et en ce que son induit est lié mécaniquement à un arbre d'entrée du récepteur. -4-Transmetteur selon l'une des revendications 1 et 2 caracté- risé en ce que l'induit de la génératrice est lié mécaniquement à l'arbre de sortie du moteur primaire et son inducteur à un arbre d'entrée du récepteur. -5-Transmetteur selon l'une des revendications 1 à 4 caracté- risé en ce que la partie tournante d'un moteur secondaire a le mme arbre que la seconde partie de la génératrice, en ce que l'ensemble constitué par la gé- nératrice et ce moteur secondaire est inséré dans un bâti commun qui est fixé sur le récepteur et qui porte les paliers de rotation nécessaires aux élé- ments tournants de cet ensemble. -6-Transmetteur selon les revendications 3 et 5 caractérisé en ce que la génératrice est à courant continu, en ce que c'est l'induit d'un moteur secondaire qui a le mme arbre que l'induit de la génératrice, en ce que le passage du courant de l'induit de la génératrice à l'induit de ce moteur secondaire est réalisé par des contacts glissants sur des bagues connectées aux balais de la génératrice. -7-Transmetteur selon les revendications 4 et 5 caractérisé en ce que la génératrice est à courant continu, en ce que c'est l'inducteur d'un moteur secondaire qui a le mme arbre que l'inducteur de la génératrice, en ce que le passage du courant de 1'induit de la génératrice à l'induit de ce moteur secondaire est réalisé par des connexions électriques directes entre les balais de la génératrice et ceux de ce moteur secondaire. -8-Transmetteur selon les revendications 3 et 5 caractérisé en ce que la génératrice est à courant alternatif, en ce que 1'ensemble des redresseurs de courants est connecté aux bornes de l'induit de la génératrice et lié à la rotation de cet induit, en ce que c'est l'inducteur du moteur secondaire qui a le mme arbre que l'induit de la génératrice, en ce que le passage du courant de 1'ensemble des redresseurs, connecté aux bornes de l'induit de la génératrice, aux balais du moteur secondaire est réalisé par des connexions électriques directes entre les bornes de sortie des redresseurs et les balais de l'inducteur de ce moteur secondaire. -9-Transmetteur selon l'une des revendications 1 à 8, caracté- risé en ce que chaque arbre d'entrée du récepteur qui est lié à la rotation d'un moteur secondaire est distinct de celui par lequel la génératrice transmet au récepteur le couple fourni par le moteur primaire, en ce que l'induc- teur de la génératrice comporte des bagues pour assurer, par l'intermédiaire de contacts glissants, la connexion avec l'induit de chaque moteur secondaire.