Brevet FR2290776A1 — publié le 19760604

La présente invention a trait aux moteurs électriques à courant alternatif et à vitesse variable, et elle concerne plus particulièrement un moteur à courant alternatif à vitesse variable et couple constant d'entraînement. Dans la technique des moteurs à courant alternatif, il est bien connu que ceux-ci ont un couple de démarrage très faible. Si l'on modifie les caractéristiques d'un tel moteur en vue d'en augmenter le couple de démarrage, c'est le couple maximal à pleine vitesse qui diminue. On sait également que les moteurs à courant alternatif, à l'exception de certains moteurs série à commutateur, fonctionnent uniquement à des vitesses fixes. Pour ces différentes raisons, les moteurs à courant continu sont généralement utilisés en traction dans les applications telles que métro et trains de banlieue qui exigent un couple constant et des vitesses variables. L'usage de moteurs de traction à courant continu s'est révélé de plus en plus criticable dans la pratique, à mesure que les réseaux de chemins de fer se développaient. I1 faut prévoir un nombre élevé de sous-stations, sur de nombreux kilomètres de voies, pour fournir le courant continu aux moteurs. le coût initial et les frais annuels d'entretien sont extrêmement élevés. La présente invention vise à résoudre le problème,resté jusqu'ici insoluble, de l'utilisation de moteurs à courant alternatif directement sur des réseaux de distribution de courant alternatif pour des systèmes de traction. A cet effet, un moteur à courant alternatif a été élaboré, lequel possède une capacité de rendement à courbe progressivement variable, tout en étant relié à une source de courant continu à fréquence fixe, ce moteur pouvant fournir un couple d'entrainement constant à rendement ou puissance nominale maximale, à n1 importe quelle vitesse. Suivant la présente invention, un moteur à induction ou syn- chrone comprend deux organes propres à tourner en sens contraires, à savoir un stator tournant (ou rotor de champ) et un rotor d'entrainement. Le rotor de champ peut tourner continuellement. le rotor d'entrainement est accouplé à la charge. Des moyens électromécaniques sont prévus pour retarder la rotation du stator tournant qui détermine par induction la rotation du rotor d'entrainement. Ces moyens électromécaniques peuvent comporter une bague en acier traité, solidaire du stator tournant, et une multiplicité d'électroaimants fixes juxtaposés à ladite bague d'acier pour produire une force de freinage qui s'exerce sur ledit stator. Par conséquent, le principal objet de la présente invention consiste à prévoir un moteur à courant alternatif comportant des moyens propres à fournir des vitesses de sortie à variation continue et un couple de sortie constant à toutes les vitesses, lorsqu'il est relié à une source de courant alternatif à fréquence fixe. Un autre objet de l'invention consiste à prévoir un moteur à courant alternatif comportant deux organes qui tournent en sens contraires, à savoir un rotor d'entraînement et un stator tournant, dans un carter commun, le rotor d'entraînement étant accouplé à une charge et le stator tournant à une source de courant alternatif à fréquence fixe. Un autre objet. de la présente invention consiste à prévoir un moteur à courant alternatif du type décrit, comportant des moyens électromécaniques variables pour retarder la rotation du stator tournant, ces moyens mécaniques comprenant une bague en acier traité et une multiplicité d'électroaimants fixes excités par du courant continu dérivé de la source de courant alternatif par redressement. Ces différents buts et objets de l'invention, ainsi que d'autres et de nombreux avantages qui en découlent, seront plus clairement compris au cours de la description qui suit et se réfère aux dessins annexés, sur lesquels La figure 1 montre une vue en élévation latérale et coupe longitu dinale partielle d'un ensemble réalisé conformément à la présente invention, et comportant un moteur à in duction et des moyens électromécaniques pour produire une force de retardement agissant sur le stator tour nant La figure 2 est une coupe transversale faite suivant la lignebrisée 2-2 de la figure I La figure 5 montre schématiquement l'ensemble représenté figure 1, avec les sources d'alimentation et la charge La figure 4-est un autre schéma montrant un ensemble différent qui comprend un moteur synchrone et des moyéns de retarde ment é-lectromécaniques, et La figure 5 montre le schéma d'une autre variante comportant un al ternateur en remplacement des moyens électromécaniques. Si l'on se réfère maintenant aux dessins où les mêmes symboles de référence désignent des pièces ou organes identiques ou correspondants, on voit sur les figures 1 et 2 un moteur désigné d'une façon générale en 10 et comportant une enveloppe ou un carter extérieur cylindrique 12 solidaire d'un socle 14.Les extrémités opposées de ce carter 12 sont fermées par des flasques circulaires respectifs 16, 18 maintenus en place par des boulons 20. Dans des logements prévus dans ces flasques 16 et 18 sont montés des roulements à billes 22, 24 pour le centrage de moyeux respectifs 26, 28 qui font partie du stator tournant désigné dans son ensemble par le chiffre de référence 30. Â chaque moyeu 26, 28 est boulonnée une couronne correspondante 32, 34 et ces couronnes portent une série cylindrique d'enroulements de champ magnétique 36, qui entourent un rotor en cage d'écureuil désigné dans son ensemble en 40. Plusieurs barrettes de cuivre 42 du rotor 40 sont réunies entre elles par des plaques d'extrémité 44.Un arbre 46 qui s' étend axialement au centre de ce rotor 40 est porté par deux roulements à billes 48, 50 montés dans les moyeux correspondants 26, 28. Cet arbre 46 a une extrémité extérieure 46' qui fait saillie hors du flasque 18 pour permettre son accouplement avec une charge (non représentée). Grâ- ce à cette disposition, le stator tournant 30 et le rotor d'entrai- nement 40 peuvent tourner par rapport l'un à l'autre à l'intérieur du carter 12. le moyeu 26 comporte par ailleurs un prolongement cylindrique 52 qui porte plusieurs bagues collectrices espacées 54 sur un manchon isolant 56. Sur chaque bague 54 frotte un balai 58 auquel est relié un fil d'alimentation 59, les trois fils 59 étant connectés à leur tour à une source de courant alternatif triphasé à fréquence fixe, non représentée. Chaque balai 58 est supporté par un porte-balai 60 monté à l'intérieur d'un chapeau de protection 62 fixé par plusieurs boulons 64 au flasque 16. Par cette disposition, on peut faire parvenir du courant aux enroulements 36 du stator tournant afin d'agir magnétiquement sur les barrettes 42 du rotor 40 en cage d'écureuil et faire tourner celui-ci. L'ensemble constitue un moteur triphasé à induction. Pour pouvoir produire un freinage ou retardement réglable du stator tournant 30 et par conséquent faire varier la vitesse de rotation du rotor d'entraînement 40 lorsque celui-ci est accouplé mécaniquement à une charge, il est prévu des éléments d'une trans- miss-ion magnétique de couple 75du type décrit dans le brevet américain nO 2 779 548, délivré le 29 janvier 1957 à R. Helmer. les éléments d'une transmission magnétique de couple 75 comportent une bague 70 en matière à forte perte par hystérésis, montée sur un épaulement 68 de la couronne 34, qui fait partie du stator tournant 30. Un ensemble circonférentiel de pièces polaires fixes 72 réalisées en fer doux entourent la bague 70 avec un entrefer 73.Ces pièces polaires 72 portent des bobines 74 agencées de telle sorte que les noyaux 72 soient des pôles aimantés alternativement N et S lorsque ces bobines sont reliées à une source de courant continu (non représentée). La figure 3 montre une façon possible de connexion, par rapport à un circuit électrique, de l'ensemble du moteur à induction et des éléments d'une transmission magnétique de couple 75. Dans un cir- cuit désigné d'une manière générale en 100,.les lignes triphasées 59 d'une source 104 de courant alternatif sont reliées par l'intermédiaire d'un triple-interrupteur 106 aux balais 58 qui portent contre les bagues collectrices tournantes 54. Celles-ci sont reliées aux enroulements de champ 36 qui tournent, puisqu'ils font partie du rotor 40. Les enroulements 36 sont disposés de telle sorte que le stator tournant 30, en réagissant contre le rotor 40, tourne dans une direction D1 contraire au sens de rotation D du rotor 40. Ce dernier est accouplé à une charge mécanique 110. A deux des lignes de courant alternatif 59 sont connectés selon la disposition monophasée le redresseur 112 et un potentiomètre ou rhéostat 114. Connectées en série avec le redresseur 112 et le rhéostat 114, les bobines (également reliées en série) 74 réagissent magnétiquement sur la bague 70 et ont ainsi tendance à en retarder ou freiner la rotation. Cette bague 70 tourne solidairement avec le stator tour nant 30, ainsi qu'il a été indiqué plus haut. les bobines 74 sont excitées par le courant continu obtenu à la sortie du redresseur 112, et la force du champ magnétique produit dans les noyaux 72 varie en fonction de la position donnée à l'organe mobile du rhéostat 114. On expliquera maintenant en se rapportant aux dessins la façon dont le moteur à induction et les organes constitutifs de la transmission magnétique de couple coopèrent pour produire un couple constant à l'endroit de la charge 110, quelle que soit la vitesse de rotation du rotor 40. On applique du courant alternatif aux bagues collectrices 54 en fermant l'interrupteur 106. Au début, tandis que le rotor 40 est accouplé à la charge 110, le stator tournant 30 tourne dans le sens D'. le rhéostat 114 est maintenant réglé de façon à délivrer du courant continu aux bobines 74 de la transmission magnétique de couple 75. Il s'ensuit un retard dans la rotation du stator tournant 30 et le rotor 40 démarre en tournant dans le sens D.Il est possible de maintenir constamment le stator 30 en rotation, tant qu'on alimente le moteur avec du courant alternatif, même si l'arbre de sortie 46 du moteur est stationnaire. En tout cas, la différence de vitesse de rotation entre le stator tournant 30 et le rotor 40 sera toujours constante, par exemple de l'ordre de 1 800 tr/mn, quelle que soit la vitesse d'entrainement à la sortie. Cela donne la certitude que le couple de sortie appliqué par l'arbre 46 à la charge 110 sera toujours le meme. En modifiant la valeur du courant continu qui circule à travers les bobines 74, on peut modifier la vitesse du stator rotatif 30. Ce changement d'allure peut se produire d'une façon très progressive et continue entre zéro tr/mn et la vitesse maximale de régime du moteur.Attendu que la vitesse et le couple de réaction produit sur le stator tournant sont influencés magnétiquement par l'entrefer 73, c'est-à-dire l'intervalle laissé entre les noyaux 72 et la bague 70, il ne se produit aucune usure mécanique entre ces pièces. Dans l'ensemble moteur décrit en se référant aux figures 1 à 3, on a utilisé un moteur à induction du type à cage d'écureuil. Cependant, il est évident qu'il est aussi possible d'adopter un moteur synchrone d'une manière analogue. Cela ressort schématiquement de la figure 4 où un rotor 40' d'un moteur synchrone 40A est commandé en ce qui concerne sa vitesse par les éléments d'une transmission magnétique de couple 75 associées à un stator tournant 30'. le rotor 40' entraine la charge 110. Une source 1041 de courant alternatif excite plusieurs enroulements 361 du stator tournant 30' par l'entremise d'un interrupteur 106'. La transmission 75 est excitée par du courant continu provenant du redresseur 112 et d'un rhéostat 114'. Si l'on se reporte à la figure 5, on y voit un alternateur 130 utilisé avec le moteur à induction de la figure 1 au lieu des éléments d'une transmission magnétique de couple 75. Dans ce cas, les composants du moteur à induction sont identiques à ceux représentés et décrits en se référant à la figure 1.L'alternateur 130 comprend une couronne statorique externe 120 à plusieurspôles 121 entourés chacun par une bobine excitable 122. le stator tournant 30" comporte une bague magnétique 349 avec plusieurs pdles magnétiques permanents N et S désignés alternativement par ces lettres, Chaque bobine de stator 122 est reliée électriquement à deux fils 126 connectés par des bornes 141 et un commutateur manuel 138 à deux bornes 152 reliées à une source 104" de courant alternatif en passant par un redresseur 112" et un rhéostat 114". Deux bornes 145 du commutateur 138 sont connectées au primaire 144 d'un transformateur 146 dont le secondaire 148 est relié à une charge électrique variable 150'. En service, ce mode de réalisation de l'invention fonctionne d'une façon analogue à celle du circuit représenté figure 3. En d'autres termes, on applique du courant alternatif aux bagues collectrices 54 en fermant l'interrupteur 106". Si le commutateur 149 porte contre une borne 154, le stator tournant 30" avec ses aimants permanents 124 tourne dans le sens Dt. le commutateur 149 est maintenant placé sur la borne 153 et l'interrupteur 138 assure la connexion entre les bornes 141 et 145. Une charge sous forme de ré- sistances électriques 150' est appliquée aux bobines 122, afin que la rotation du stator tournant 30" soit retardée ou freinée, et le rotor 40 commence à tourner dans le sens contraire D. A mesure que l'on supprime la charge par résistances 150', la vitesse du rotor 40 augmente dans le sens D et la vitesse de rotation du stator 30" diminue dans le sens Dl. Comme dans les modes de réalisation précédents, la différence de vitesse de rotation entre le stator tournant 30" et le rotor 40 reste toujours constante. Ainsi, dans ce mode de réalisation l'alternateur 130 utilise l'excédent d'énergie pour produire un courant alternatif et entrainer la charge 150', au lieu de laisser cette énergie excédentaire se dissiper sous forme de chaleur comme dans le cas des modes de réalisation précédents. Quand la vitesse du rot or 40 approche de la vitesse maximale du moteur on actionne l'interrupteur manuel 138 pour connecter les bornes 141 et 152, de telle sorte qu'on alimente en courant continu les bobines 122 du stator, ce qui bloque ou synchronise le stator tournant 30" par rapport à la couronne statorique 120. Tous les modes de réalisation de l'invention décrits et représentés ici sont caractérisés par la présence d'un stator et d'un rotor d'entrainement qui tournent dans des directions opposées, dans un moteur excité par un courant alternatif. le rotor d'entraînement est accouplé à une charge mécanique sur le stator tournant, tandis que le couple d'entratnement de sortie reste constant. Il est bien entendu que ce qui précède ne concerne que des modes préférés de réalisation de l'invention, donnés ici à seul titre d'exemples non-limitatifs, l'invention couvrant tous changements et modifications rapportés à ces modes de-réalisation sans stécarter des principes de l'invention, tels qu'ils sont définis dans les Revendications qui suivent. REVEDICÂTIONS 1.- Moteur électrique pour entraîner une charge mécanique, carac térisé en ce qu'il comprend un carter fixe, un rotor d'entrai nement disposé axialement dans ce carter et pouvant tourner dans une direction choisie pour entraîner ladite charge, un stator tournant présentant des tôles de circuit magnétique, pourvues d'encoches, et des enroulements statoriques dans ces encoches, pour entourer le rotor d'entraînement, ces enroule ments s'étendant axialement dans ledit carter afin de faire tourner magnétiquement le rotor d'entraînement dans un sens pendant que ce rotor d'entraînement est accouplé à ladite char- ge, une bague en acier traité montée-sur ledit stator tournant de manière à tourner solidairement avec celui-ci, ce stator tournant tournant dans le sens contraire à celui dudit rotor d'entraînement, des moyens de commande comprenant plusieurs électroaimants pour retarder la rotation dudit stator tournant afin de modifier la vitesse de rotation du rotor d'entraîne ment dans ladite direction choisie. 2.- Moteur électrique selon la Revendication 1, caractérisé en ce que les enroulements du stator sont excités par du courant al ternatif, tandis que les électroaimants sont excités par du courant continu. 3.- Moteur électrique d'entraînement selon la Revendication 1, ca ractérisé en ce que ladite bague en acier traité est réalisée en matière magnétique à forte perte par hystérésis. 4.- Moteur électrique selon la Revendication 1, caractérisé en ce que lesdits électroaimants sont montés sur ledit carter fixe et séparés par un entrefer déterminé de ladite bague en acier traité. 5.- Moteur électrique d'entraînement selon la Revendication 1, ca ractérisé en ce que lesdits électroaimants sont constitues par des pièces polaires disposées alternativement nord et sud. 6.- Moteur électrique selon la Revendication 1 pour entraîner une charge mécanique, caractérisé en ce qu'il comprend un carter fixe, un rotor d'entraînement qui s'détend axialement dans ce carter pour entraîner ladite charge, un stator tournant pou vant 8tre excité par du courant alternatif et qui entoure cir conférentiellement ledit rotor d'entraînement et s'étend axia lement dans ledit carter pour faire tourner magnétiquement le dit rotor dans une direction lorsque ce rotor est accouplé à ladite charge, tandis que le stator tournant tourne par réac tion magnétique dans le sens contraire lorsqu'il est excité par du courant alternatif, et des moyens de commande qui entou rent une partie dudit stator tournant afin de retarder de fa çon réglable la rotation dudit stator tournant et faire ainsi varier la vitesse de rotation du rotor d'entraînement dans la dite direction. 7.- Moteur électrique selon la Revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande sont agencés de façon à faire varier la vitesse de rotation du rotor d'entraînement à volon té, entre zéro tr/mn et la vitesse maximale de régime dudit rotor d'entraînement, afin que le couple d'entraînement appli qué à ladite charge soit constant à toutes les vitesses de ro tation du rotor d'entraînement, et que la différence de vites ses de rotation entre le rotor d'entraînement et le stator tournant reste constante, quelle que soit la vitesse de rota tion dudit rotor d t entraînement. 8.- Moteur électrique selon la Revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une bague en acier traité et que les dits moyens de commande comprennent plusieurs électroaimants fixes portés par ledit carter, la bague en acier traité étant rigidement solidaire dudit stator tournant et agencée de façon à réagir magnétiquement avec lesdits électroaimants fixes afin de retarder sélectivement et de manière réglable la rotation dudit stator tournant pour entraîner ledit rotor d'entraîne ment dans ledit sens contraire. 9.- Un moteur électrique selon la Revendication 8, caractérisé en ce que ledit rotor d'entraînement est constitué par une cage d'écureuil et forme le rotor d'un moteur à induction. 10.-Moteur électrique selon la Revendication 8, caractérisé en ce que ledit rotor d'entraînement est du type à pôles saillants afin de constituer le rotor d'un moteur synchrone. 11.Moteur électrique selon la Revendication 8, caractérisé en ce que les enroulements fixes sont constitués par un ensemble de bobines enroulées sur des noyaux de fer doux, et que la par tie tournante est constituée par une bague en matière magné tique à forte perte par hystérésis. i2.- Moteur électrique selon la Revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de commande comportent en outre une source de courant continu, et une résistance variable reliée en sé rie à ladite source de courant continu afin de faire varier le courant continu-qui traverse ces bobines et modifier ain si le retard imprimé au stator tournant, et par suite la vi tesse de rotation du rotor d'entraînement. 13.- Moteur électrique selon la Revendication 6, caractérisé en ce que ledit moteur est relié à une source de courant alternatif de fréquence fixe, tandis que ce même moteur peut fournir un couple de sortie constant à vitesse variable.