Brevet FR2286538A1 — publié le 19760423

L'invention est relative à un générateur électrique comportant un rotor et un stator portant des pôles espacés circonférentiellement, deux à deux, de distances angulaires ou "pas polaires" identiques. Dans de tels générateurs électriques, le rendement est compromis du fait que le courant induit circule toujours de telle sorte que son champ magnétique tende à s'opposer au changement d'état qui engendre ce courant induit, ce qui a pour conséquence de freiner la rotation du rotor par rapport au stator. Or, cette rotation, provo quée par une source d'énergie extérieure, est la condition de la production du courant induit. Par la diminution ou la neutralisation de ce freinage de la rotation du rotor, ou "freinage magnétique résultant, on pourrait considérablement améliorer le rendement d'un tel générateur. Le but de l'invention est de créer un générateur de grande puissance électrique et de construction simple, et en outre, avant tout, d'améliorer le rendement d'un générateur électrique et en particulier d'éliminer ou de neutraliser l'effet de freinage màgnétique résultant qui constitue un facteur préjudiciable au rendement, de façon à permettre d'utiliser des pôles magnétiques présentant un degré de saturation maximal sans surcroit de dépense en énergie motrice. Un autre but est également d'améliorer la rentabilité en permettant de fabriquer des générateurs de différentes puissances sous forme de jeù de construction, par une conception judicieuse des éléments les constituant. La solution à ce problème réside selon l'invention en ce que les rotors d'au moins une paire de générateurs partiels identiques électriquement mais indépendants sont disposés sur un arbre de rotor commun, en ce que les noyau polaires et les intervalles entre ces noyaux embrassent respectivement des secteurs sensiblement de même importance, en ce que les pôles du stator et les pôles du rotor d'un générateur partiel sont décalés sur l'arbre d'un demipas polaire respectivement par rapport anypôlesdu stator et aux pôlesdu rotor de l'autre générateur partiel, et en ce que les sorties des deux générateurs partiels sont relies par paire à un dispositif consommateur de façon que les deux générateurs partiels soient soumis à la meme charge. Une disposition opportune consiste à raccorder les deux géné- rateurs partiels à un dispositif consomateur par l'interiiédiaire d'un transformateur double. Selon une autre forme d'exécution avantageuse, les rotors des deux générateurs partiels sont regroupés en un corps de rotor commun qui porte les pôles de l'un et de l'autre, is pôles de stator eorrespondant aux pôles de rotor du premier générateur partiel et les pôles de stator correspondant aux pôles de rotor du deuxième générateur partiel étant alors avantageusement décalés d'un demipas polaire les uns par rapport aux autres. Une autre forme d'exécution recommandée consiste à disposer sur un même arbre de rotor plusieurs paires de générateurs partiels. Une autre disposition particulièrement avantageuse réside en ce que le rotor e t le stator sont munis complémentairement d'au moins un groupe de paires de pôles orientas axialement, et en ce que tous les groupes présentent le même pas polaire. Une disposition avantageuse consiste alors à disposer les paires de pôles orientés axialement sur les deux faces latérales du rotor. Une autre forme de réalisation avantageuse réside en ce que les paires de pôles orientas axialement sont disposés en plusieurs groupes concentriques. I1 est alors avantageux que les pues de stator orientés axialement soient disposés sur plusieurs anneaux de champ de culasse, définissant le circuit magnétique dans la culasse, concentriques et séparés les uns des autres. Une autre disposition opportune consiste à munir les pôles du stator de bobines supraconductrices à cuve d'hélium, à raison d'un anneau de bobines par groupe de pôles, chaque anneau de bobines présentant alors de préférence un moyen d'alimentation et de vidange unique pour l'hélium. Une disposition particulièrement avantageuse réside en ce que le générateur consiste en rotors susceptibls d'être fixs sur un arbre de rotor et munis de part et d'autre de pôles orientés axialement et à leur périphérie de pôles orientés radialement et en des éléments de carter formant couvercle terminal muni d'un seul côté de pôles orientés axialement ou élément intermédiaire muni des deux côtés de pôles orientés axialement, et munis à leur périphérie interne de pôles orientés radialement, ces éléments étant susceptibles d'être assemblés bout à bout suivant une direction axiale à la façon d'un jeu de construction. L'invention sera meux comprise si l'on se réfère à la description ci-dessous et aux dessins annexés, relatifs à des exemples de réalisation. La figure 1 montre une coupe schématique à travers un générateur selon l'invention composé de deux générateurs partiels. La figure 2 montre une coupe partielle schématique à travers le générateur partiel situé à la partie inférieure de la figure 1. La figure 3 montre une coupe partielle correspondant à celle de la figure 2, ltorientation angulaire de l'arbre de rotor unique étant identique, à travers le générateur partiel situé à la partie supérieure de la figure 1. La figure 4 montre un développement schématique des pôles du générateur de la figure 1 disposés axiaiement, avec représentation des enroulements des pôles du stator connectés en étoile. La figure 5 correspond à la figure 4, avec connection en triangle. La figure 6 montre un extrait d'une coupe axiale à travers un générateur selon l'invention. La figure 7 montre le détail des anneaux de champ de culasse concentriques. La figure 8 montre une vue frontale d'un anneau de champ de culasse feuilleté pour les pôles de stator orientés radialement. La figure 9 montre une vue frontale d'un rotor. La figure 10 montre une coupe axiale à travers le corps de rotor. Le générateur illustré à titre d'exemple est d'une conception extrêmement compacte et par ailleurs particulièrement simple à fabriquer selon laquelle sont prévus, à côté de pôles de rotor lOi, lOb et de pôles de stator, respectivementl2a et 12b, disposés de façon conventionnelle en correspondance les uns des autres suivant une direction radiale par rapport à l'arbre 5 du rotor, des pôles supplémentaires de rotor 14a et 14b et des pôles supplémentaires de stator, respectivement 16a et 16b, disposés en regard les uns des autres suivant une direction axiale. A la figure 1, on a représenté un générateur selon l'invention comprenant une paire de générateurs partiels la et lb qui sont disposés coaxialement par rapport à un arbre due rotor unique 5 et sont entourés par un carter de stator unique 3 consistant essentiellement en un élément intermédiaire 6 et en deux flasques 7a et 7b Chacun des flasques 7a et 7b peut être appliqué contre l'élément intermédiaire 6 par des tirants 8. Dans un générateur consistant en plusieurs paires de générateurs partiels, on peut également prévoir plusieurs éléments intermédiaires susceptibles d'être as semblés bout à bout de façon analogue. Selon le mode de réalisation illustré à titre d'exeple, deux rotors 18a et 18b sont fixés sur l'arbre de rotor 5 ; leurs pôles, respectivement 10a-14a et lob-l4b, présentent la même position angulaire par rapport à l'axe du rotor. Ceci est particulièrement visible sur les figures 2 à 5. Sur le développement -des figures 4 et 5, les pôles de rotor orientés axialement, de même que les pôles de rotor orientés radialement mais non représentés, respectivement 14a et Oa, prennent une position qui correspond approximativement au couple de rupture maximal, lors de la rupture du champ magnétique entre les pôles de rotor 10a et 14a du générateur partiel la et les pôles de stator ants 12a et 16a correspond, ou, en d'autres termes, à l'état de freinage magnétique maximal du générateur partiel la. Les pôles de stator 12b et 16b de l'autre générateur partiel lb sont décalés d'un demi-pas polaire par rapport aux pôles de stator 12a et 16a du premier générateur partiel, ou "pas polaire" désigne la distance angulaire entre deux pôles consécutifs - suivant une direction circonférentielle.Dans la position de l'arbre de rotor 5 illustrée aux figures 4 et 5, chaque pôle, respectivement lOb et 14b, du rotor 18b se rapproche ainsi du pôle de stator correspondant, respectivement 12b et 16b, et se trouve, dans la position illutrée, dans la zone où le couple d'attraction devient approximativement maximal et s !oppose , dans la direction du mouvement de rotation de l'arbre de rotor 5, au couple de rupture du premier générateur partiel la qui agit sur l'arbre de rotor 5 pa r l'intermédiaire du rotor l8a. Le coupez de rupture de llun des générateurs partiels et le coupe d'attraction de 1tartre générateur partiel s'annulent mutuellement. Des essais pratiques ont montré que, en adoptant la disposition des deux générateurs partiels proposée, on peut neutraliser totalement le freinage magnétique résultant, si bien que l'on peut se passer totalement d'une part du couple d'entraînement en rotation, servant à vaincre le freinage magnétique. En utilisant des bobines supraconductrices, on peut réaliser suivant le principe selon l'invention un générateur présentant un rendement exceptionnellement élevé. Comme il apparait en particulier aux figures 4 et 5, les noyaux des pôles ou les organes porteurs des enroulements, ou encore les aimants permanents lorsque l'on utilise de tels aimants per manents comme pôles de rotor, c'est-à-dire les surfaces des pôles correspondants sur lesquelles se concentrent particulièrEment les lignes de champ, occupent des secteurs égaux aux intervalles entre les noyaux des pôles, les organes porteurs d'enroulements ou encore les aimants, respectivement. On parvient ainsi, compte tenu du décalage angulaire ci-dessus entre les deux générateurs partiels, à rendre le couple de rupture de l'un des générateurs partiels égal au coupe d'attraction de l'autre générateur partiel pour toute position angulaire de l'arbre de rotor 5. Ainsi, on a en effet la certitude d'atteindre l'effet recherché, selon lequel les deux générateurs partiels dectriquement indépendants sont soumis à la même charge, ce que l'on peut obtenir par exemple de façon simple en reliant les deux générateurs partiels la et lb, par l'intermédiaire d'un double transformateur non représenté et de façon connue en soi, à un dispositif consommateur. Sur les figures et S désigent respectivement, de façon connue, les pôles Nord et Sud, alors que les raccordements électriques sont désignés de façon également connue par R, S, T, U, V, W, X, Y, Z, O. Les flèches des figures 4 et 5 indiquent le sens de rotation des rotors 18a et 18b. En plus de l'amélioration du rendement que l'on peut atteindre par la conception ci-dessus, la rentabilité peut encore être améliorée du fait de la construction compacte qui va être décrite en référence aux figures 6 à 10. Le générateur représenté à la figure 6 comporte deux rotors 116 disposé s sur un arbre de rotor 125 commun et espacés l'un de l'autre suivant une direction axiale. Les rotors sont munis d'ai mants permanents ou d'électro-aamants présentant des enroulements 120, 121, 122, dirigés axialement et disposés sur leurs deux faces latérales en plusieurs groupes concentriques. Des aimants permanents 123 dirigés radialement sont noyés dans les rotors à la périphérie extérieure de ceux-ci. Les rotors sont logés à l'intérieur d'un carter formé de l'assemblage de deux couvercles terminaux 101 et 103 et d'un élément intermédiaire 102. Les couvercles terminaux et ltélément intermédiaire sont construits sous forme de disqum présentant à leur périphérie des parties cylindriques qui sont susceptibles de coopérer et d'être solidarisés pour former la paroi périphérique du générateur. Chacun des couvercles terminaux 101 et 103 porte sur sa face transversale intérieure, tournée vers le rotor le plus proche, des anneaux de champ de culasse séparés 104, 105 et 106, définissant le circuit magnétique dans la culasse, sur lesquels sont disposés les paquets de tôles de dynamo feuilletés 109, 110, 111 qui portent pour leur part des enroulements 112, 113, 114. En outre, des paquets feuilletés 107, portant en tant qu'anneaux de champ de culasse des enroulements 115, sont fixés sur les couvercles terminaux 101 et 103 face à la périphérie externe des rotors 116 et en particulier des aimants permanents 123, radialement. Une vue de face de cet anneau de champ de ulasse est représentée à la figure 8, les anneaux de champ de culasse orientés axialement 104, 105, 106 étant montrés à la figure 7. Sur le rotor 116, on peut, à la place des aimants permanents 123, monter un paquet feuilleté qui peut non seulement servir de rotor à cage d'écureuil, mais aussi être muni d'un enroulement. Selon le mode d'exécution décrit et représenté, on obtient un type de générateur pouvant comporter, selon les besoins, plusieurs étages suivant une direction axiale. Du fait que tous les accouplements de paires de pôles présentent le même pas polaire, aussi bien les paires de pôles radiales que les paires de pôles orientées axialement, on obtient une fréquence uniforme. Les paires de pôles orientées axialement sont conçues, comme il apparat à la figure 9, de telle sorte que les pôles et les intervalles entre les pôles embrassent des secteurs identiques sur chaque anneau de champ de culasse. Le fait d'avoir recours à des paires de pôles orientées axialement permet un gain de place considérable pour un rendement énergétique élevé du générateur. Le montage particulièrement simple résulte également de ce que, pour tous les pôles orientés axialement, on peut prévoir des bobinages identiques, qui sont finalement mis en place sur les pasuets feuilletés encastrés dans l'anneau de champ de culasse ou montés sur les noyaux polaires correspondants des rotors, et ensuite reliés mutuellement en fonction du type du générateur. REVENDU CUTI OMS 1) Générateur électrique comportant un rotor et un stator portant des pôles espacés deux à deux, circonférentiellement, de distances angulaires ou n pas polaires identiques, caractérisé en ce que les rotors d'au moins une passe de générateurs partiels identiques électriquement mais indépendants sont disposés sur un arbre de rotor commun, en ce que les noyaux polaires et les intervalles entre ces noyaux embrassent respectivement des secteurs sensiblement de même importance, en ce que les pôles du stator et les pôles du rotor dtun générateur partiel sont décalés sur l'arbre d'un demi-pas polaire par rapport aux pôles du stator et aux pôles du rotor de l'autre générateur partiel, respectivement, et en ce que les sorties des deux générateurs partiels sont reliées par paire à un dispositif consommateur de façon que les deux géné- rateurs partiels soient soumis à la même charge. 2) Générateur selon la revendication I, caractérisé en ce que les deux générateurs partiels sont raccordés à un dispositif consommateur par l'intermédiaire d'un transformateur double. 3) Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les rotors des deux générateurs partiels sont regroupés en un corps de rotor commun qui porte les pôles de l'un et de l'autre. 4) Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pôles de stator correspondant aux pôles de rotor du premier générateur partiel et les pôles de stator correspondant aux pôles de rotor du deuxième gnérateur partiel sont décalés d'un demi-pas polaire les uns par rapport aux autres. 5) Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le rotor et le stator de chaque générateur partiel comportent un groupe de paires de pôles se faisant face dans une direction radiale, caractérisé en ce que le rotor et le stator sont munis complémentairement d'au moins un groupe de paires de pôles orientes axialement, et en ce que tous les groupes présentent le même pas polaire. 6) Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les paires de pôles orientées axialement sont disposées sur les deux faces latérales du rotor. 7) Générateur selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les paires de pôles orientées axialement sont disposées en plusieurs groupes concentriques. 8) Générateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pôles de stator orientés axialement sont disposés suivant plusieurs anneaux de champ de culasse concentriques, séparés les uns des autres. 9) Générateur selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les pôles de stator sont munis de bobines supraconductrices à cuve d'hélium, à raison d'un anneau de bobines par groupe de pôles. 10) Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque anneau de bobines présente un moyen d'alimentation et de vidange unique pour l'hélium. 11) Générateur selon ltune quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste en rotorS susceptibles dtêtre- fixe sur un arbre de rotor et munis de part et d'autre de pôles orientés axialement et à leur périphérie de pôles orientés radialement, et en des éléments de carter formant couvercle terminal muni d'un seul côté de pôles orientés axialement, ou élément intermédiaire muni des deux côtés de pôles orientés axialement, et munis à leur périphérie interne de pôles orientés radialement, les dits éléments étant susceptibles d'être assemblés bout à bout suivant une direction axiale à la façon d'un jeu de construction. 12) Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les noyaux des pôles de tous les groupes de paires de pôles formant un générateur occupent des secteurs identiques ou encore des distances angulaires, mesurées par rapport à place du rotor, identiques.