Brevet FR2295619A1 — publié le 19760716

Pour bénéficier de vitesses de coupe optimales dans les techniques d'usinage avec copeaux telles que tournage, fraisage, perçage, etc., on a besoin de dispositifs d'entrainement à nombre de tours réglable et à puissance constante indépendamment de ce dernier. Les véhicules électriques posent le même problème. Pour démarrer, accélérer et circuler en côte, on recherche un grand couple moteur à relativement faible vitesse. Dans les vehicules à moteurs à combustion, on s'adapte aux diverses zones de vitesse et de couple moteur au moyen d'étages de transmission à plusieurs vitesses. La puissance fournie par le moteur reste en mAme temps à peu près indépendante de la vitesse de marche. Pour de futurs véhicules électriques, il faut cependant s'efforcer de renoncer à des mécanismes de changement de vitesse et de rendre par conséquent le moteur lui-même réglable à puissance constante dans une plus grande gamme de vitesse. On peut disposer, pour un tel entrainement, d'un moteur à courant continu excité par des aimants permanents. Il l'a déjà emporté- dans de nombreux domaines, car il est plus économique et, par suite4e la suppression des enroulements statoriques, d'un fonctionnement plus sûr que des machines à excitation Flec- trique. Mais la vitesse de rotation des machines à aimants permanents n1 était jusqu'à présent réglable que par le procédé re relativement coûteux de la variation de la tension d'induit. L'invention a par conséquent pour objet un dispositif d'entrainement a excitation par aimants permanents et induit avec collecteur pour courant continu dans lequel on puisse régler la vitesse de rotation par le champ. Elle se base sur cette constatation que, dans les machines à courant continu, un ré glage à puissance constante de la vitesse de rotation exige, si l'on ns veut pas modifier la tension d'induit, la variation du flux d'entrefer.Le dispositif d'entrainement selon l'invention est caractérisé par le fait qu'une culasse annulaire tournante composée dé segments alternativement en matériau magnétique et en matériau -amagnétique est placée autour du stator renfermant les aimants permanents et des pièces en fer doux et/a rotation détermine, selon la position des -segments par rapport aux pôles du.stator, un affaiblissement du flux magnétique s'écoulant à travers l'entrefer et, par conséquent, un réglage du nombre de tours du dispositif d'entrainement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limi- tatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un premier dispositif d'entraînement selon ladite invention - la figure 2 est une coupe transversale d'un deuxième dis positif selon l'invention - les figures 3a, et 3b représentent, respectivement en vue latérale aveo coupe longitudinale partielle et en vue de face avec coupe transversale partielle le dispositif selon la figure 2 muni d'une commande mécanique de culasse - la figure 4 reproduit les diagrammes de couple moteur en fonction de la vitesse de marche d'un véhicule équipé d'un diz- positif selon l'invention - la figure 5 représente schématiquement un véhicule muni du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, la référence I désigne un induit avec col lecteur pour courant continu. Le stator se compose d'aimants permanents en coquilles 3, sur entrefer d'induit 2, et de ou- lasses en coquilles 4 correspondantes. Ces aimants et culasses sont insérés entre les barreaux d'une grille statorique amagné- tique 5. Une culasse tournante 6 formée de segments n fer 7 alternant avec des segments en métal léger 8 entoure le stator. Le nombre des segments de chaque sorte co-rrespond- d celui des pôles du stator. Les segments conducteurs magnétiques 7 pontent, ou chevauchent, les culasses en coquilles interrompues 4 et, en cas de pontage franc, on dispose du plein flux d'entrefer En cas- de pontage plus ou moins faible ou nul, selon la rotation de la culasse tournante 6, il existe une forte résistance exté rieure qui affaiblit le flux d'entrefer IL et il en résulte une augmentation du nombre de tours. Cette structure selon la figure I est limitée à des puis- sances de quelques kilowatts, car, par suite des oaractéristi- ques matérielles des ferrittes de baryum ou de strontium servant à l'excitation, on ne peut atteindre que des inductions d'entre fer inférieures à 0,25 2. On obtient, au contraire, -des induc- tions d'entrefer de plus de 0,5 T avec une structure selon la figure 2, dans laquelle le stator est formé par das pièces conductrices de flux 9 en fer doux entre lesquelles sont placés radialement des aimants fendus 10 parcourus tangentiellement par le flux.Comme sur la figure 1, les références 1 et 6 désignent respectivement l'induit et la culasse tcurmante composée de segments 7 et 8. Les segments conducteurs magnétiques 7 forment ioi une dérivation par rapport au flux d'entrefer OL et, lorsqu'ils sont placés en ponts directement au-dessus des aimante traversés tangentiellement par le flux, une grande partie du flux des ai mants permanents se ferme en flux dérivé ( 0'a t taver1 lesdits segments et est perdue pour le flux d'entrefer, c6 qui augmente le nombre de tours. Si, par rotation de la culasse 6, il Cexi te au contraire pas de ponts au-dessus des aimante, les segments 8 non conducteurs magnétiques reposant entièrement auedessus de ceux-ci, on dispose du flux d'entrefer OL non affaibli et la machine fonctionne avec un nombre de tours faible et un souple moteur elevé. Dans la plupart des cas tout au moins, le nombre de tours maximal des dispositifs d'entraînement pour usages industriels et véhicules se situe vers 6 000 tr/mn. A des nombres de tours plus élevés, il se pose des problèmes de bruit et de vitraticns, les transmissions par courroie ou les engrenages réducteurs bort; excessivement sollicités, , et l'on se heurte à des difficultés quant à la rigidité de l'enroulement, des lames du collecteur et des balais de charbon.Si l'on considère bien que, pal um calcul approprié de machines excitées par des aimeiit permanents, on peut réduire nettement la réaction d'induit, nuisible comme on le sait à la stabilité de la vitesse, le dispositif d'entrainement selon l'invention permet une réduction du flux d'entrefer au quart environ du flux nominal. A ce flux affaibli correspond a peu près la vitesse maximale de 6 000 tr/nn, au lieu qa'au plein flux nominal on dispose de 1 500 tr/mn.Si l'on admet bien, même temps l'induit à courant continu peut encore évasuer sans difficultés des pertes dans le fer correspondant à 100 - 150 @2, le moteur est réalisable avec un nombre de paires de pôles relativement élevé. D'où l'avantage que l'on va exposer. A partir d'une densité de courant d'induit thermiquerent ad fissible proportionnelle au diamètre de l'induit, au curant d'induit et au nombre de conducteurs, la réaction d'indnit dimi une d'autant plus que le pas polaire est plus faible, ou gue 7.e nombre de piles est plus élevé. Dans un moteur i huit pôles, la réaction d'induit et par conséquent la distorsion de champ ne représentent donc qu'un quart de celles d'un moteur bipolaire. Si l'on insère en plus au milieu des pôles une résistance éle vée contre le flux transversal causé par la réaction d'induit, on réduit encore de moitié cette dernière. C'est une telle ré sistance transversale que l'entrefer Il forme au milieu des pô les 9 sur la figure 2. Cet entrefer pourrait aussi avoir la for me d'un isthme. Sur la figure 2 on remarque encore des barreaux 12 en métal léger coulé sous pression qui traversent les pôles et servent à maintenir le stator assemblé. Des nombres de pôles élevés et, au milieu des pôles, des résistances transversales empêchent donc, en dépit d'un fort affaiblissement du champ, l'apparition d'effets secondaires perturbateurs menant à des instabilités du nombre de tours. En ou- tre, des nombres de pôles aussi élevés offrent l'avantage de répartir les balais de charbon sur le pourtour du collecteur, alors qutau contraire, avec de petits nombres de pôles et-des courants élevés, lesdits balais sont disposés les uns à côté des autres en direction axiale du collecteur. I1 en résulte que les moteurs à grand nombre de pôles se contentent de collecteurs plus étroits, moins coûteux et plus légers. On réalise en même temps une économie de longueur et de poids de la carcasse. Malgré des dispositions d'aimants différentes, la rotation de la culasse tournante provoque-dans les deux exemples de réali sation ci-dessus un réglage continu du nombre de tours. Cette rotation peut être provoquée de façon purement mécanique par des leviers, des tringlages, des commandes par cable ou des comman- des Bowden. La dernière disposition précitée est représentée sur les figures 3a, 3b, la transmission nowden 13 étant action née par une pédale 14. Un film lubrifiant assurant une rotation sans secousses de la culasse tournante 6 peut être introduit dans le relativement petit entrefer qui Eépare celle-ci du stator. En outre, les couples magnétiques de rotation appliqués à la cu- lasse tourr.ante peuvent être compensés dans la mesure nécessaire et possible par un ressort de caractéristique appropriée. D'après la figure 3a, la culasse tournante 6 actionne en même temps des contacts d'amenée de courant à l'induit. Une piè ce isolante 16 portant des contacts 17 est fixée au flasque de palier 15. Un contact de pontage 18 est placé, en face de,ces contacts 17, sur un élément de maintien 20 soumis à l'action d'un ressort 19 Ledit élément de maintien pénètre par son ex trémité supérieure dans une cavité 21 en genre de came de la culasse tournante 6. Tous les contacts se maintiennent ouverts tant que l'angle de rotation , sur la figure 3b, reste nul Après quelques de grés'de rotation sous l'action de la transmission Bowden, le contact 18 est appuyé contre les contacts 17 et établit entre eux -n pont= si bien que l'induit- est mis sous tension. Dans file sas d'un véhicule à batterie, ce couplage a lieu tout d'abord avec deux groupes de batterie branchés en parallèle et par con séquent sous demi-tension d'induit.Si l'on continue à tourner la culasse, on passe à la pleine tension de la batterie. Vivent ensuite la zone d'affaiblissement du champ proprement dite.La culasse tournante assure de cette façon non seulement le réglage du nombre de tours par réduction du champ, mais aussi la ferme ture et la permutation du courant d'induit. La figure 4 reproduit les diagrammes de couple moteur réa lisables en fonction de la vitesse sur un véhicule électrique équipez d'un dispositif d'entrainement selon l'invention. Les dé signations adoptées sont les suivantes N : Couple moteur NN : Couple moteur nominal V ; Vitesse de marche a : Angle de réglage de la culasse tournante UA : Tension d'induit UN : : Tension nominale de la batterie : Flux magnétique d'entrefer : : Flux magnétique maximal. Si, le véhicule étant en marche rapide, on lâche tout à coup la pédale, le moteur est surexcité par rapport au nombre de tours alors atteint et passe au régime de freinage, dans lequel l'é- nergie cinFtique dudit véhicule est restituée à la batterie. La figure 5 représente un exemple de réalisation d'un pe tit véhicule urbain muni du dispositif d'entrainement selon l'invention. La culasse tournante du moteur 24 est actionnée par l'intermédiaire d'un câble de commande 23 et d'une pédale 22. La référence 25 désigne la batterie d'accumulateurs alimentant le moteur. Comme on le voit, la commande du nombre de tours et la mise en ou hors circuit sont extrêmement simples. r Le dispositif d'entraînement selon l'invention convient non seulement à des véhicules électriques, mais bien entendu aussi à des applications appropriées du domaine industriel. Dans celles-ci, l'alimentation sera cependant assurée généralement par un secteur triphasé ou monophasé, si bien quQl faudra procéder de façon connue en soi à une conversion en courant continu. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'entraînement, à excitation par aimants permanents et induit avec collecteur pour courant continu, sa- ractérisé par le fait qu'une culasse annulaire tournante compo- sée de segments alternativement en matériau magnétIque et eL ma- tériau amagnétique est placée autour du stator renfermant les aimants permanents et des pièces de fer dcux et quesa rotation dé- termine, selon la position des segments par rapport aux pôles du stator, un affaiblissement du flux magnétique s'écoulant à tra vers l'entrefer de l'induit et par conséquent un réglage du nom- bre de tours dudit entrainement. 2. - Dispositif d'entraînement selon la revendication 1, ca ractérisé par le fait que Sa culasse tournante est déplaçable sans échelons. 3.- Dispositif d'entraînement selon l'une quelconque des revendications I ou 2, caractérisé par le fait que le etator se compose d'aimants en coquilles sur 11 entrefer et a culasses en coquilles correspondantes disposées entre lesdits aimants et la culasse tournante, ces aimants et culasses étant insérés entre les barreaux d'une grille amagnétique de stator. 4.- Dispositif d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le stator o compose de pièces conductrices de flux et d'aimants fendus insé res entre celles-ci en disposition radiale et parcourus tangen tiellement par le flux. 5.- Dispositif d'entraînement selon la revendication 4, ca ractérisé par le fait que les pièces conductrices de flux sont, interrompues vers le milieu du pôle par une résistanse magnéti que transversale en forme d'entrefer ou d'isthme. 6.- Dispositif d'entrainement selon l'une quelconque ae revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le déplacement de la culasse tournante s'effectue au moyen d'une pédale par l'intermédiaIre d'une transmission Bowden ou d'une commande pDr câble. 7. - Dispositif d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la culasse tournante actionne des contacts provoquant la mise en ou hors circuit du courant de l'induit, 8 - Dispositif d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comporte quatre paires de pôles.