Brevet FR2266969A1 — publié le 19751031

La présente invention concerne un moteur asynchrone autosynchronisable. Les moteurs asynchrones présentent1 sur les moteurs électriques d'autres types, l'inconvénient d'un plus faible rendement et d'un facteur de puissance peu élevé; cet inconvénient, qui est lié au glissement du rotor par rapport au champ statorique, se traduit notamment par un échauffement du rotor. Pour pallier cet inconvénient des moteurs asynchrones, on a déjà imaginé différents types de moteurs asynchrones autosynchronisables, qui démarrent en régime asynchrone, et dont le rotor est ensuite amené à la vitesse de synchronisme par .des artifices appr?priés, de manière à annuler les pertes dues au glissement et à relever le facteur de puissance en régime perma nent, qui correspond alors à-un fonctionnement synchrone On connatt en particulier un moteur asynchrone autosyn- chronîsable dont le rotor, à arbre non magnétique, comporte une culasse, qui est pourvue, sur son pourtour, dencoches périphériques, où sont logés respectivement les barreaux d'une cage en court-circuit, et, dans sa partie médiane, d'un nombre pair de logements à plan de symétrie radial, pour des aimants1 distribués autour de l'arbre du rotor de manière à produire sur le pourtour de la culasse un même nombre pair de pôles magnétiques de polarités alternées. Lors du démarrage asynchrone, le champ statorique, qui est mobile par rapport à la cage du rotor, induit dans ses barreaux des courants qui forment une sorte d'écran magnétique entre le stator et les aimants du rotor, dont les champs respectifs sont ainsi découplés.L'efficacité de cet écran magnétique décroît cependant au fur et à mesure que la vitesse du rotor se rapproche de la vitesse de synchronisme, et, lorsqu'il s'est établi un couplage suffisant entre le champ statorique et celui des aimants du rotor, ce dernier est synchronisé automatiquement, et le fonctionrement se poursuit en régime permanent de synchronisme.Dans ce moteur connu, les aimants sont disposés avec leurs faces polaires sensiblement perpendiculaires au plan de symétrie radial de leurs logements respectifs, et les différents pôles magnétiques, de pola rités alternées, qu'ils produisont sur le pourtour de la culasse, sont séparés les uns des autres par des fentes radiales, profondes, de ladite culasse. Avec cette disposition, au cours du der.a-nr-'? asynchrone, les lignes de forces issues des aimants, et "repoussées" par l'écran magnétique que constitue alors la cage en court-circuit, doivent se refermer à travers des entrefers de grande reluctance, notamment les fentes radiales mentionnées, si bien qu'elles tendent à percer l'écran magnétique et à interférer ainsi avec le champ statorique, bien avant que le rotor n1 ait atteint une vitesse suffisamment voisine du synchronisme; ce couplage prématuré entre les champs du stator et des aimants du roter peut donner lieu à des phénomènes de battements, plus ou moins violents, mais qui perturbent toujours 1 t accrochage du rotor de ces moteurs asynchrones connus, à la vitesse de synchronisme, et le rend parfois mme impossible. Le moteur asynchrone autosynchronisable suivant la présente invention est du type qui vient d'être indiqué, mais la synchronisation de son rotor1 à l'issue de la période de démarrage, a toujours lieu d'une façon sûre, aisée et sans a- coup. Le moteur asynchrone autosynchronisable suivant la présente invention est caractérisé en ce que les aimants de son rotor sont disposés avec leurs faces polaires sensiblement parallèles au plan de symétrie radial de leurs logements respectifs, de telle sorte que les faces polaires de mêmes noms de deux aimants voisins soient tournées l'une vers l'autre, et, que le cô- té du logement de chaque aimant, qui est le plus éloigné de l'arbres est séparé des fonds des encoches périphériques situées au niveau dudit logement, par une zone pleine de la culasse, qui shunte partiellement les deux pôles de l'aimant correspondant lors du démarrage asynchrone. Grâce à la disposition des aimants rotoriques du moteur asynchrone suivant la présente invention, une fraction importante du flux de chaque aimant se referme, en deçà de l'écran magné- tique constitué par la ca-e en court-circuit du rotor, suivant un trajet à faible reluct?nce, à travers la zone pleine ,ention- née de la culasse dudit rotor; c'est par suite seulement lorsque la vitesse du rotor est assez voisine du synchronisme qu'il s'établit un important couplage entre les champs respectifs du stator et des aimants rotoriques, ce qui élimine tout risque de phénomènes de battements et assure un accrochage du rotor au syn chronisme, parfaitement sûr, aisé et sans à-coups. Dans une forme de réalisation particulièrement avanta geuse du moteur asynchrone-autosynchronisable suivant la présente invention, chaque aimant du rotor est entouré par un bobinage dont l'axe est parallèle à l'aimantation de l'aimant correspondant; ce bobinage est de préférence court-circuité en service normal du moteur, de manière à former, au cours du démarrage asynchrone, un écran magnétique supplémentaire autour de l'aimant correspondant. Le meme bobinage, non encore court-circuité, peut servir, avant la mise en service du moteur, au passage d'un courant d'aimantation A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé plusieurs formes de réalisation du moteur asynchrone autosynchronisable suivant la présente inven tion Les figures 1 et 2 sont des vues d'une première forme de réalisation, en coupe suivant les lignes I-I de la figure 2 et II-II de la figure 1, respectivement. La figure 3 reproduit à plus grande échelle une partie de la moitié supérieure de la figure 2, dans le cas d'une variante. Les figures 4 et 5 illustrent schématiquement deux au treks variantes de la première forme de réalisation. Sur les figures 1 et 2, 1 désigne le carter et 2 le sta tor d'un moteur asynchrone autosynchronisable suivant la présente invention. I1 n'est pas nécessaire de décrire ces deux éléments en détail, car ils ne diffèrent pratiquement pas de ceux des mo teurs asynchrones connus.Sur un arbre 3 en matériau non magnéti- que, dont les extrémités tourillonnent dans des paliers 4 et 5 du carter I, est clavetée une pièce 6, également en matériau non magnétique, de forme extérieure parallèlépipédique; chacune des quatre faces latérales de la pièce 6 supporte un empilage, 7a, 7b, 7c ou -7d, de par exemple neuf barreaux magnétiques, dont les ai- mantations, indiquées par des flèches sur la figure 2, sont perpendiculaires à un mAeme plan passant par l'axe de l'arbre 3 du rotor, et constituant un plan de symétrie radial pour l'empilage correspondant; la figure 1 montre que, en fait, dans la forme de réalisation considérée, chacun des empilages de barreaux marréti- ques, tel que 7a, est formé de deux éléments, 7a1, 7a2, séparés 1 tut de I autre par une cloison annulaire , perpendiculaire å l'arbre 3 du rotor, et constituée éventuellement en un matériau amagnéticue; ; cette forme de réalisation de chacun des empilages est cependant facultative, de mme que le nombre des barreaux magnétiques qui le constituent. ba figure i montre également que les différents empilages de barreaux magnétiques 7a à 7b sont calés axialement sur la pièce parallèlépipédique 6 par des flas- ques annulaires, 9a et 9b, eux-mêmes immobilisés par des écrous 10a et 10b, vissés sur des filetages correspondants des extrémités de l'arbre 3.Chacun des empilages de barreaux magnétiques 7a à 7d est entouré par un bobinage, tel que lla (en deux parties indépendantes, llal, lla2 sur la figure 1), dont le rAcle sera expliqué ultérieurement. L'axe de ce bobinage, par exemple lla, est parallèle à l'aimantation de chacun des bar revaux magnétiques constituant l'empilage correspondant, par exemple 7a, donc perpendiculaire également au plan de symétrie radial dudit ensilage. Le rotor est complété par une culasse 12, formée par un empilage de tôles magnétiques, comme visible en 13 sur la partie inférieure de la figure 1.Cette culasse 12 comporte, dans sa tartie médiane, des logements pour les empilages de barreaux magnétiques 7a à 7d, et, sur son pourtour, des encoches périphériques telles que 14, dans lesquelles sont lays respectivement les barreaux dune cave, 15, qui sont court-circuités les uns avec les autres par des moyens connus, non visibles sur les figures. La réalisation de cette cage ne diffère pas de celle d'une cage de moteur asynchrone courant, si bien qu'il n1 est pas nécessaire de la décrire plus en détail. Dans la forme de réalisation illustrée, alors que les logements pour les aimants, prévus dans-la partie médiane de la culasse, ont, parallèlement aux faces latérales de la pièce 6, des dimensions telles que les faces polaires des barreaux aimantés extrêmes viennent directement en contact avec les tranches des tôles magnétiques constituant ladite culasse, un entrefer tel que 16a (figure 3) est aménagé entre chaque empilage d'aimants, tel que 7a, et le cté de son logement qui est le plus éloigné de l'arbre 3 du rotor; des cales, telles que 17a, de préférence en un matériau ama- magnétique et électriquement isolant, sont placées dans ledit entrefer pour immobiliser dans son logement l'empilage correspondant, par exemple 7a, et l'enroulement qui l'entoure, notamment pila. Dans cet exemple, chacun des entrefers tels que 16a est.limité extérieu- rement par un élément de surfaee cylindrique 18a, concentrique à l'arbre 3 du rotor, cette disposition tant cependant facultative; dans ce cas, la culasse 12 présente, entre, d'une part, le bord extérieur, tel que 18a, de chaque entrefer, notamment 16a, et, d'autre part, les fonds des encoches telles que 14 où sont logées les barreaux 15 de la cage, une zone pleine, notamment 19a, qui correspond à une portion d'anneau cylindrique, et qui présente une épaisseur radiale uniforme. Dans la forme de réalisation considérée, les barreaux magnétiques constituant les empilages 7a à 7b présentent une faible aimantation lorsqu'ils sont introduits dans leurs loge- ments respectifs de la culasse 12, et, avant la mise en service du moteur, les extrémités telles que 20al, 20as (figure I) des bobinages tels que llal, 11a2 sont sorties du rotor, de manière à pouvoir être connectées à une source de courant continu et à permettre d'y envoyer ainsi des courants d'aimantation d'intensité et de sens appropriés;; les sens des courants dtaiman station traversant les bobinages des différents empilages 7a à 7d sont cnoisis de manière à faire apparaître des piles de mAeme ncms, par exemple Nord, sur les faces en regard de deux empilages voisins de barreaux magnétiques, par exemple 7a et 7b, comme l'indiquent les flèches de la figure 2. Les extrémités telles que 20al, 2Ca2 des bobinages, qui sortent du rotor, sont ensuites rabattues comme indiqué par la flèche f (à droite de la figure 1) et interconnectées de manière à court-circuiter chacun de ces bobinages en vue du service normal du moteur. Sur la moitié supérieure de la figure 2 et na figure 3, les lignes fermées en traits interrompus A et B, qui correspondent à des lignes de force des champs magnétiques produits respectivement par le stator 2 et par l'empilage d'aimants rotoriques 7a au cours de la phase de démarrage asynchrone du moteur suivant la présente invention, montrent que le découplage entre ces deux champs magnétiques, par l'effet d'écran ou aux courants induits dans les barreaux 15 de la cage en court-circuit, est sautant plus efficace que les lignes de force telles que B, produites par chaque empilage d'aimants rotorique, tel que 7a, sont canalisées plus efficacement par la zone pleine, en forme d'élément d'anneau cylindrique, d'épaisseur radiale uniforme, telle que l9a que présente la culasse 12 entre le côté le plus extérieur, notamment l@a, du logement desdits aimants 7a, et les fonds des encoches 14. Sur la moitié inférieure de la figure ?, on a représenté par la ligne fermée en traits interrompus, C, l'une des lignes de force résultant, après la synchronisation du rotor, du couplage entre les champs respectifs du stator et des aimants rotoriques, après l'annulation des courants induits dans la cage du rotor, par suite de l'annulation du glissement, et la suppression de l'effet d'écran magnétique correspondant. La forme de.réalisation de l'invention qui vient d'entre décrite est susceptible de no-mbreuses variantes, dont beaucoup sont évidentes pour l'homme de l'art, et qui rentrent toutes dans le cadre de l'invention. C'est ainsi que le nombre d'empilages de-barreaux magnétiques logés dans le rotor, ainsi par suite que le nombre de soles zwag.nétiques qu'ils font appa raltre sur la périphérie de la culasse dudit rotor, est un nombre pair, qui peut éventuellement différer de !t, Le nombre des barreaux magnétiques constituant chaque empilage est également matière à option; pour des moteurs de faibles dimensionn, chaque aimant peut eAtre constitué par un seul barreau. Chacun des entrefers tels que 16a peut d'autre part être rempli par une pièce pleine d'un matériau magnétique dur, qui réduit les fuites latérales de l'aimant ou de l'empilage de barreaux magnétiques, correspondant, d'une façon encore plus efficace que l'entrefer décrit, tel que 16a. Bien entendu, au lieu d'être mis chacun en court-circuit en service normal du moteur, les enroulements qui entourent respectivement les différents aimants ou empilages de barreaux magnétiques peuvent être traversés par un courant d'aimantation en service normal du moteur; des moyens bien connus doivent être alors prévus pour envoyer ce courant d'aimantation aux enroulements rotoriques mentionnés. Les différents aimants rotoriques sont cependant constitués de préférence en un matériau ferro-magnétique ou ferri-magnétiquedur. Des fentes radiales, telles que celle indiquée en traits interrompus sur la figure 2, où elle est désignée par 21, peuvent être prévues dans la culasse, sensiblement à égale distance des faces polaires en regard, de mAemasnoms, des paires d'aimants voisins; chacune de ces-fentes radiales, qui dcbouc:ae de préférence dans ltentrefer 22 entre le stator 2 et la culasse 12 du rotor, présente cependant une profondeur radiale qui est matière La option. Sur la figure 3, on a illustré une variante de réalisation de la culasse 12 du rotor du moteur suivant la présente invention, dans laquelle ladite culasse 12 est traversée, entre les faces polaires en regard de chaque paire d'aimants voisins telle que la paire 7a-7b ou la paire 7d-7a, par un ou plusieurs perçages parallèles à l'axe de la culasse, tels que 25a ou 25d; dans cette variante, chacun des perçages tels que 25a ou 25d a une section transversale oblongue, il est disposé symétriquement par rapport au plan de symétrie Xab ou Xda des faces polaires en regard de la paire d'aimants correspondante 7a-7b ou 7d-7a, et il est rempli d'air, mais il peut être aussi rempli en totalité par un conducteur massif de même section, en ferou en cuivre par exemple, s 1étendant sur toute la longueur axiale de la culasse; dans ce dernier cas, les extrémités des différents conducteurs massifs remplissant les perçages tels que 25a, 25d peuvent être facultativement réunies, par des moyens connus, pour former ur,e seconde cage rotorique, intérieure à la première cage 15. Dans la variante illustrée sur la figure 4, chaque per çage à section oblongue, tel que 25a, de la culasse 12-, est rempli seulement partiellement par des conducteurs massifs à section ronde, tels que 26a, entre lesquels subsistent des entrefers tels que 27. La variante illustrée sur la figure 5 comporte par contre, entre les faces polaires en regard de chaque paire d'aimants voisins telle que 7d-7a, plusieurs perçages ronds, qui sont disposés symétriquement par rapport au plan de symétrie Xda et qui sont remplis chacun entièrement par un conducteur massif, tel que 26a. Dans ces deux dernières variantes, les extrémités des conducteurs tels que 26a sont réunies par des moyens connus, pour former une seconde cage rotorique. REVENDICATIONS 10 Moteur asynchrone autosynchronisable, dont le rotor, à arbre non magnétique, comporte une culasse, qui est pourvue, sur son pourtour, d'encoches périphériques, où sont loges respectivement les barreaux d'une cage en court-circuit, et, dans sa partie médiane, d'un nombre pair de logements, à plan de symétrie radial, pour des aimants, distribués autour de l'arbre du rotor de manière à produire, sur le pourtour de la culasse, un me nombre pair de ples magne tiques de polarités alternes, caractérisé en ce oue les aimants du rotor sont disposés avec leurs faces polaires sensiblement parallèles au plan de symétrie radial de leurs logements respectifs, de telle sorte que les faces polaires de mêmes noms de deux aimants voisins soient tour nes l'une vers l'autre, ec que le coté du logement de chacue aimant, qui est le plus éloigné de l'arbre du rotor, est séparé des fonds des encoches périphériques situées au niveau dudit logement, par une zone pleine de la culasse, qui shunte partiellement les deux pôles de l'aimant correspondant lors du démarrage asynchrone. 20 Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un entrefer est aménagé entre chaque aimant du rotor et le côté de son logement, qui est le plus éloigné de ltarbre dudit rotor. 3 Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pièce d'un matériau magnétique dur est logée entre chaque aimant du rotor et le côté de son logement qui est le plus éloigné de l'arbre dudit rotor. 4 Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 > caractérisé en ce que chaque aimant du rotor est entouré par un bobinage dont l'axe est parallèle à l'aimantation de l'aimant correspondant. 50 Moteur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour envoyer un courant d'aiman taton à travers les bobinages associés aux différents aimants, avant la mise en service du moteur, son rotor étant au repos. 6 Moteur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour envoyer un courant d'aiman station à travers les bobinages associés aux différents aimants, en service normal du moteur, son rotor étant en rotation. 70 Moteur suivant l'une quelconque des revendica- tions 4 et 5, caractérisé en ce que les bobinages associés aux différents aimants sont court-circuités en service normal du moteur 8 Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la culasse du rotor comporte des fentes radiales sensiblement équidistantes des faces polaires en regard des paires d'aimants voisins. 90 Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la culasse du rotor est traversée, entre les faces polaires en regard de chaque paire d'aimants voisins, par un ou plusieurs perçages, parallèles à itaxe de la culasse et disposés de préférence symétriquement par rapport au plan de symétrie desdites faces polaires en regard. 100 Moteur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que chacun des perçages est-rempli au moins partiellement par un ou plusieurs conducteurs massifs, s'étendant sur toute la longueur axiale de la culasse. 110 Moteur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les extrémités des conducteurs massifs sont réunies de façon connue, pour former une seconde cage rotorique.