Brevet FR2296293A1 — publié le 19760723

La présente invention concerne les machines électriques et a plus précisément pour objet une machine électrique à collecteur, dans laquelle sont utilisés des systèmes de commutation mécaniques à redresseurs. Le réglage progressif de la vitesse dans de larges limites, avec un couple aussi élevé que possible sur l'arbre, y compris le démarrage de mécanismes sous pleine charge, est obtenu de la façon la plus efficace au moyen des machines électriques à collecteurs. Toutefois, les possibilité de la commutation dans les machines à collecteurs existants limitent les domaines de leur emploi. Les dispositifs de commutation mécanique à redresseurs, qui combinent les avantages des commutateurs à collecteurs et ceux des commutateurs électroniques, ouvrent de nouvelles perspectives pour la création et l'utilisation des machines alectriques à collecteurs. I1 existe un grand nombre de brevets japonais, anglais, de la RDA, de la RFA, des USA et de 1'URSS, concernant divers types de systèmes de commutation mécaniques à redresseurs pour machines électriques. Toutefois, tous les systèmes connus de commutation mécaniques à redresseurs pour machines électriques prévoient soit l'exécution à double collecteur des induits, soit l'introduction obligatoire dans le collecteur d'un nombre égal de lamelles actives et inactives et l'emploi de balais fendus, doubles, dont la largeur, pour chacun de ceux-ci, ne dépasse pas une division du collecteur. L'obligation d'introduire dans le collecteur des lamelles inactives ou, en d'autres termes, d'élargir les intervalles d'isolement dans le but d'éviter la possibilité de courts-circuits entre les lamelles par l'intermédiaire des balais, conduit à l'augmentation du poids et du diamètre du collecteur. De plus, la vitesse périphérique de celui-ci augmente et une usure inégale des lamelles actives et inactives a lieu, ce qui altère la dynamique de glissement et augmente l'usuré des balais. Le but de l'invention est de remédier aux défauts mentionnés ci-dessus, qui sont propres aux machines à collecteurs pourvus des systèmes connus de commutation mécaniques à redresseurs. I1 s'agissait pour cela de créer une machine à collecteur conçue de manière à exclure le crachement d'étincelles par les balais, dû à la présence, dans l'enroulement commuté de l'induit, d'une force électromotrice réactive et variable de commutation, à assurer une usure uniforme des lamelles, à utiliser un collecteur de diamètre notablement plus faible par comparaison avec les collecteurs existants, grace à l'exclusion des lamelles inactives ou des intervalles élargis d'isolement entre les lamelles, et à utiliser des balais ordinaires au lieu des balais fendus doubles employés dans les machines existantes. Ces objectifs sont atteints gracie à une machine à collecteur du type dans lequel le circuit du courant traversant l'enroulement d'induit, le collecteur et les balais contient des redresseurs à semi-conducteurs laissant passer le courant selon le sens de branchement de leurs jonctions pn, ladite machine étant caractérisée en ce que à chacune des lamelles du collecteur de l'induit, est raccordée une section de l'enroulement de l'induit, en ce que toutes les lamelles du collecteur sont disposées, l'une par rapport à l'autre, sans intervalles d'isolement élargis, et en ce que dans chacune des lamelles est incorporé au moins l'un desdits éléments redresseurs à semi-conducteuts. Chaque lamelle de collecteur peut comporter une lamelle conductrice raccordée à une des sections de l'enroulement de l'induit, et deux lamelles de contact isolées de cette lamelle et reliées électriquement à la lamelle conductrice par deux éléments redresseurs à semi-conducteurs incorporés dans la lamelle de collecteur et reliés a?hne-ewren série ; de plus, les lamelles de contact ont une forme en bec, forment sur le collecteur deux pistes isolées l'une de l'autre et avec l'une desquelles prennent contact les balais de polarité positive, et avec l'autre, les balais de polarité négative. Dans une autre variante d'exécution, chaque lamelle de collecteur peut comporter une lamelle conductrice et une lamelle de contact isolées l'une de l'autre et reliées entre elles électriquement par l'intermédiaire d'un élément à semiconducteur incorporé ; de plus, les lamelles conductrices et de contact qui constituent les lamelles de collecteur sont assemblées en deux collecteurs distincts, avec l'un desquels prennent contact les balais de polarité positive, et avec l'autre, les balais de polarité négative. En vue d'assurer la conduction du courant dans les enroulements du rotor dans un seul sens, les balais de polarités différentes peuvent être disposés sur les lignes neutres sur deux pistes de collecteur, avec décalage d'un pas polaire, et d'autre part, pour assurer la conduction des enroulements du rotor dans les deux sens, sur chaque ligne neutre de chaque piste du collecteur peuvent être disposés des balais de polarités différentes. Il est également avantageux, pour assurer la conduction du courant dans les enroulements de l'induit dans les deux sens et le réglage de la vitesse de rotation, de relier entre eux les balais de polarités différentes, disposés sur les lignes neutres, par l'intermédiaire d'éléments à semi-conducteurs, dont la commande pour leur commutation alternée est assurée par un circuit connu en soi. Pour une meilleure compréhension de l'essentiel de l'invention, ci-dessous est donnée une description de quelques exemples de réalisation de machines électriques à collecteurs conformes à l'invention, avec référence aux dessins annexes sur lesquels - la figure t représente une des variantes possibles d'exécution d'une lamelle de collecteur en conformité avec l'invention ;; - la figure 2, est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1 - la figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la figure I - la figure 4 illustre une autre variante d'exécution d'une lamelle de collecteur en conformité avec l'invention - la figure 5 est une vue en coupe suivant V-V de la figure 4 4 - la figure 6 représente l'induit d'une machine électrique à collecteur, selon l'invention, à conduction dans les deux sens - la figure 7 représente l'induit d'une machine électrique à collecteur, selon l'invention, à conduction dans un seul sens - la figure 8 représente l'induit d'une machine à deux collecteurs, selon 11 invention - la figure 9 représente un schéma électrique de principe de l'induit d'une machine à collecteur, suivant l'invention, à conduction dans un seul sens - la figure 10 est un schéma électrique de principe de l'induit d'une machine à collecteur, selon l'invention, à conduction dans les deux sens - la figure 11 montre le sens de répartition du courant dans une section commutée de l'induit d'une machine électrique, selon l'invention - la figure 12 et la figure 13 donnent les courbes de répartition du courant dans une section de l'induit et de la tension aux balais dans une machine à collecteur, selon l'invention - la figure 14 montre un schéma connu de connexion de l'induit et des enroulements des pales supplémentaires - la figure 15 montre le schéma de connexion des ôles supplémentaires avec alimentation indépendante - les figures 16, 17, 18 et 19 illustrent diverses variantes de schémas de raccordement des machines à collecteurs, selon l'invention, sans pales supplémentaires. Dans la description qui suit d'une machine électrique à collecteur, sont utilisées deux variantes d'exécution des lamelles du collecteur de l'induit. Dans l'une des variantes, prévue pour un induit à un seul collecteur, chacune des lamelles du collecteur, comme indiqué sur les figures 1, 2 et 3, comporte une lamelle conductrice 1 avec oeillet 2 pour le raccordement par soudure d'une section de l'enroulement de l'induit, et deux lamelles de contact 3 et 4 séparées par des éléments intercalaires isolants 5. Aux extrémités des lamelles de contact 3 et 4, opposées aux oeillets 2, sont prévues des encoches 6 où sont disposés deux éléments à semi-conducteurs 7, laissant passer le courant selon le sens de branchement de leurs jonctions pn. En qualité d'éléments à semi-conducteur, il est prévu des redresseurs au silicium, sans capsule, obtenus par alliage et diffusion et qui, en l'absence de courant de travail, peuvent supporter sans endommagement des températures allant jusqu'à 3000C, ce qui permet, au cours de la fabrication des ,machines électriques, de faire les soudures nécessaires et de procéder au séchage après l'imprégnation des enroulements de l'induit, en meme temps que les éléments à semi-conducteurs incorporés dans les lamelles du collecteur de l'induit. En vue de réduire à un minimum le diamètre extérieur du collecteur, les éléments à semi-conducteurs 7 peuvent avoir une forme allongée. Un avantage appréciable de la construction proposée des lamelles du collecteur de l'induit est l'évacuation excellente de la chaleur de la jonction de l'élément à semi-conducteurs, grtce à la masse relativement grande de cuivre du collecteur, et la possibilité de monter et de démonter les éléments à semi-conducteurs après le montage complet de l'induit, ou de remplacer les éléments endommagés de n'importe quelle lamelle, sans démonter l'induit. Aux figures 4 et 5 est montrée une autre construction des lamelles de collecteur, prévue pour l'exécution d'induits à deux collecteurs. Tout en conservant l'idée générale de la construction selon les figures , 2 et 3, la lamelle du collecteur pour induit à deux collecteurs comprend une lamelle de contact 8 sur toute la largeur de la lamelle conductrice 9 à oeillet 10, et est séparée de cette dernière par une plaquette isolante 11, par exemple en micanite. Dans chaque lamelle de collecteur de ce type est également incorporé un élément à semi-conducteurs 12. les lamelles de contact 3 et 4, dans le cas d'un seul collecteur, une forme en bec (figures 2 et 3) et forment sur le collecteur deux pistes 13 et 14 isolées l'une de l'autre, comme indiqué aux figures 6 et 7 . Sur l'une des pistes, 13, prennent appui des balais 15 et 16 de polarité positive, et sur la piste 14, des balais 17 et 18 de polarité négative. Le collecteur représenté à la figure 6 est prévu pour la circulation du courant dans les deux sens dans l'induit, et, pour changer le sens du courant, il suffit de remplacer l'alimentation des balais 15 et 17 par celle des balais 16 et 18, ou inversément. Le collecteur de la figure 7 est prévu pour les moteurs électriques à un sens de circulation du courant dans le circuit de l'induit. Les lamelles de collecteurs des types indiqués peuvent être exécutées le plus avantageusement en métal céramique par les méthodes de la métallurgie des poudres. Les lamelles de collecteurs dont la construction est indiquée aux figures 4 et 5, sont assemblées en deux collecteurs distincts 19 et 20 (figure 8) disposés aux deux extrémités de l'induit 21 de la machine électrique ; sur l'undes collecteurs 19 sont fixés des balais 22 et 23 de polarité positive ; sur l'autre collecteur 20, sont fixés des balais 24 et 25 de polarité négative. L'une et l'autre construction des lamelles de collecteurs peuvent être utilisées, moyennant une modification correspondante de leur configuration, dans la construction de collecteurs cylindriques ou frontaux. On va maintenant considérer les variantes des circuits d'induit d'une machine électrique à collecteur utilisant la construction des lamelles décrites ci-dessus, et pourvues de deux lamelles de contact et d'une lamelle conductrice. La figure 9 représente le circuit d'un induit avec enroulement en boucles dont les lamelles de collecteur comportent deux éléments à semi-conducteurs reliés en série, 26 et 27 la jonction pn de l'un d'eux laisse passer Te courant dans le sens allant des balais 28 de polarité positive à la lamelle conductrice 30 à travers la lamelle de contact 29 ; l'autre jonction pn laisse passer le courant de la lamelle conductrice 30 vers le balais 32 de polarité négative à travers la lamelle de contact 31. À chaque lamelle conductrice 30 sont reliées les sorties d'une section de l'enroulement 33 de l'induit. Le balai 28 de polarité positive est disposé sur la piste anodique du collecteur, et le balai 32 de polarité négative, sur la piste cathodique où il occupe une position décalée d'un pas polaire par rapport au balai anodique, comme clairement indiqué à la figure 7. Le courant de travail de l'induit va du balai positif 28, par l'intermédiaire de la piste anodique des lamelles de contact 29, la janction pn de l'élément à semi-conducteurs 26 et la lamelle conductrice 30, à la section de l'induit, et, en passant par les sections de l'enroulement 33, arrive par la jonction pn de l'élément à semi-conducteurs 27 et par la piste cathodique des lamelles de contact 31, au balai 32 de polarité négative. Dans le circuit de la section commutas an trouve toujours deux jonctions pn branchées en opposition et, de ce fait, indépendamment du sens de la force électromotrice résultante, dansle circuit commuté, les courants de court-circuit lors de la commutation sont exclus, et la nécessité des lamelles de collecteur inactive disparaît. La présence, dans chaque lamelle du collecteur, des jonctions pn permet d'augmenter sensiblement la différence de potentiel moyenne entre lamelles et exclut la possibilité du maintien d'un arc accidentel, dû à une chute de tension dans l'enroulement d'une section du rotor, et qui peut apparattre entre lamelles voisines lors du fonctionnement de la machine, par exemple du fait du tressautement des balais, ce qui, dans le cas des machines habituelles et surtout dans le cas de tensions élevées au collecteur, peut conduire à l'extension de l'arc et 11 apparition d'un arc continu autour du collecteur. Le rot or exécuté suivant le schéma de la figure 9 est prévu pour un sens de parcours unique du courant de charge du rotor. Sur la figure 10, est représenté le circuit d'induit pour courants de charge dans les deux sens. A la différence du circuit de la figure 9, sur le collecteur de l'induit de la figure 10, des balais anodiques 34 et cathodiques 37 sont disposés sur les lignes neutres de l'induit, comme représenté à la figure 6. Les balais anodiques 34 et les balais cathodiques 37 reliés à ceux-ci par les jonctions pn 35 et 36, des lamelles du collecteur et disposés sur une même ligne neutre, sont raccordés aux bornes de sortie de l'induit par un inverseur, non représenté à la figure 10, ou par des redresseurs commandés des thyristors 38, 39, 40 et 41, indiqués à la figure 10. Avec les redresseurs 39 et 4t bloqués et les redresseurs 38 et 40 débloqués, le courant peut passer par l'induit dans le sens de la borne 11 vers la borne 1 ; avec les redresseurs 39 et 41 débloqués et les redresseurs 38 et 40 bloqués, il traverse le rotor en sens inverse. Ainsi donc, le circuit d'induit décrit, pour le cas de redresseurs commandés par l'un quelconque des schémas connus de façon à obtenir alternativement le déblocage et le blocage des paires de redresseurs, 38, 40 et 39, 41, selon le sens de parcours du courant dans l'induit, assure une nouvelle propriété complémentaire : le parcours dans les deux sens du courant dans l'induit, comme dans les induits des machines électriques de construction connue. En assurant le parcours du courant d'induit dans les deux sens, on peut utiliser les machines électriques décrites pour tous les régimes, de façon analogue aux machines électriques à collecteur de construction connue. La présence, dans le schéma de la figure 10, de redresseurs commandés, permet en même temps d'assurer la commutation et d'assurer le réglage, en cas de nécessité, de la vitesse de rotation. Pour ce faire, le circuit de commande des redresseurs 38, 39, 40 et 41 doit prévoir, en plus des conditions décrites ci-dessus, l'inversion des redresseurs pour le changement du sens du courant circulant dans l'induit, le branchement et le débranchement périodiques de la tension d'alimentation de l'induit pendant des temps de durée déterminée et avec des valeurs déterminées de la durée de la période et du rapport des temps de l'état branché et de l'état débranché, ce qui peut être assuré par l'une quelconque des méthodes connues. Le fait d'assurer, aveo un ensemble unique de redresseurs commandés, le processus de la commutation et le réglage de la vitesse de rotation, sans l'appareillage habituel de démarrage et les résistances de démarrage, ouvre de nouvelles possibilités et, par rapport aux systèmes connus comportaat un appareillage complexe de ddmarrage et de réglage, permet de diminuer le poids total de l'sppareillage indispensable. Des pales supplémentaires ou des enroulements de compensation dans le système magnétique des machines proposées, donnent, par rapport aux constructions traditionnelles des systèmes élec tro-magné tiques, une force électromotrice supplémentaire qui assure, pour tous les régimes, une certaine avance à la commutation. L'avance à la commutation est choisie en vue d'exclure l'apparition d'étincelles dangereuses aux bords d'entrée des balais par suite de la densité trop élevée du courant. Dans ce cas, l'avance à la commutation, à la différence des constructions habituelles dans de telles machines, est utile et nécessaire et ne peut provoquer l'apparition d'étincelles sous le bord de sortie des balais, du fait qu'en cas d'avance à la commutation, la condition indispensable au crachement d'étincelles, comme indiqué à la figure 11, est le changement de direction du courant 1k sous ce bord du balai 42. Toutefois, au moment du changement de signe du potentiel 2E à la sortie du balai 42 (figure 12), l'une des diodes 43 (figure 11) de la boucle court-circuitée qui se trouve en commutation et sur laquelle agit le potentiel négatif, se bloque et le passage du courant 1a dans la boucle commutée court-circuitée par les balais cesse (figures 13, points 1 et 2). De cette façon, le temps T1 de commutation proprement dit, comme indiqué à la figure 13, se termine, dans tous les ragimes et dans toutes les sections commutées, avant l'expiration de la durée totale de la commutation T2 et la sortie de la surface de contact de la lamelle du collecteur de dessous le bord du balai 42 s'effectue sans courant. la propriété décrite des machines à redresseurs commutés mécaniquement permet de réaliser des schémas connus et certains nouveaux schémas de connexion internes dans ces machines. on va examiner ci-dessous quelques schémas de principe possibles dans une machine électrique avec des jonctions pn dans les lamelles du collecteur. A la figure 14, est représenté le schéma d'une connexion en série habituel de l'induit 44, avec les enroulements des pôles supplémentaires 45 où sont aussi figurés des pôles principaux 46. Ia particularité de ce mode de connexion est que le nombre de spires de l'enroulement des tôles supplémentaires 45 est choisi d'environ 20% plus élevé que pour la méthode traditionnelle de calcul. La figure 15 montre un nouveau schéma de connexion des pales supplémentaires 45 à alimentation indépendante. te calcul des pôles supplémentaires 45 est prévu, dans ce cas, pour une avance à la commutation normale et pour la valeur calculée maximale du courant dans l'induit 44. Ce schéma se distingue avantageusement des schémas habituels en ce que, pour un travail de la machine en régime variable, l'intensité du courant dans les pales supplémentaires reste constante, ce qui permet, dans une certaine mesure, d'obtenir une commutation sans étincelles pour des charges à à-coups, alors que dans les machines habituelles à collecteurs le crachement violent d'étincelles par les balais peut provoquer leur mise hors service. Les figures 16, 17, 18 et 19 montrent divers schémas de raccordement des machines à collecteurs, sans pôles supplémentaires, mais avec décalage des balais et avec utilisation de deux systèmes de balais I-I et II-II. A le différence des machines électriques habituelles, où le décalage des balais permet une commutation sans étincelles avec, pour chaque angle de décalage de la traverse-porte-balais, un courant rigoureusement déterminé, dans les machines à commutation mécanique par redresseurs le fonctionnement sans étincelle est assuré dans des limites déterminées avec modification des courants de charge dans le sens de leur diminution. Les machines électriques proposées utilisant des lamelles de collecteur avec éléments à semi-conducteurs incorporés, permettent l'emploi de balais ordinaires, qui, en combinaison avec les collecteurs sans lamelles inactives, résolvent le problème d'un service sûr, pour cette catégorie de machines, pendant de longues périodes. La commutation, dans ces machines, est assurée sans étincelles dans les limites du réglage économique de la vitesse de 1 à 6 et de 1 à 8 en affaiblissant le champ des pales principaux et pour des valeurs de surcharge de 6 à 8 fois supérieures au courant nominal, ce qui est impossible dans la construction habituelle des machines électriques. L'emploi des jonctions pn permet l'alimentation des moteurs en courant continu et, ce qui est particulièrement importat, l'alimentation par des courants puissants sans utilisation de selfs de lissage. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Machine électrique à collecteur, du type dans lequel, dans les circuits de courant traversant les enroulements de l'induit, le collecteur et les balais, sont intercalés des éléments à semi-conducteurs laissant passer le courant selon le sens de branchement de leurs jonctions pn, caractérisée en eehue, à chaque lamelle du collecteur de l'induit, est raccordée une section de l'enroulement de l'induit, toutes les lamelles du collecteur de l'induit étant disposées, l'une par rapport à l'autre, sans intervalles isolants, élargis, et dans chacune d'elles étant incorporé au moins un desdits éléments à semiconducteurs. 2. Machine électrique à collecteur, selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque lamelle de collecteur comprend une lamelle conductrice raccordée à l'une des sections de l'enroulement de l'induit et deux lamelles de contact isolées de ladite lamelle conductrice et reliées électriquement à celle-ci par deux éléments à semi-conducteurs connectés en série et incorporés dans ladite lamelle de collecteur, lesdites lamelles de contact ayant une forme en bec et formant sur le collecteur deux pistes isolées l'une de l'autre et avec l'une desquelles sont en contact des balais de polarité positive, et avec l'autre, des balais de polarité négative. 3. Machine électrique à collecteur selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque lamelle de collècteur comprend une lamelle conductrice et une lamelle de contact, isolées l'une de l'autre et reliées entre elles électriquement par l'intermédiaire d'un élément à semi-conducteurs incorporé, les lamelles conductrices et de contact qui constituent ainsi les lamelles du collecteur étant assemblées en deux collecteurs distincts, avec l'un desquels sont en contact des balais de polarité positive, et avec l'autre, des balais de polarité négative. 4. Machine électrique à collecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que, en vue d'assurer la conduction du courant dans les enroulements de l'induit dans un seul sens, les balais de polarités différentes sont disposés sur les lignes neutres d deux pistes de collecteur différentes, avec décalage correspondant à un intervalle polaire. 5. Machine électrique à collecteur, selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que, pour assurer la conduction du courant dans les deux sens dans les enroulements de l'induit, sur chaque ligne neutre de chacune desdites pistes du collecteur sont disposés des balais de polarités différentes. 6* Machine électrique à collecteur selon la revendication 5, caractérisée en ce que, pour assurer la conduction du courant dans les enroulements de l'induit dans les deux sens et le réglage de la vitesse de rotation, les balais de polarités différentes disposés sur chacune des lignes neutres sont reliés entre eux par l'intermédiaire d'éléments à semiconducteurs dont la commande en vue de leur commutation alternée est assurée par un circuit d'un type connu en soi.