Brevet FR2347815A1 — publié le 19771104

j-. a demande de brevet français ? 76 22 099 déposée le 20 juillet1976parledemandeurdécritunmoteurélectriquedontlerendement est sensiblement supérieur à celui des moteurs antérieurs. En effet, ce moteur est conçu de manière que la densité du flux magnë'cicu. e circulant dans le stator soit maintenue à un niveau maximal et que le courant du rotor soit également maintenu à un niveau élevé à pleine charge. La densité de flux du stator est déterminée par un condensateur monté en série avec l'enroulement principal du stator et ayant une valeur telle que la tension qu'il emmagasine provoque, en association avec la tension d'entrée, un dépassement périodique de la capacité en volts-secondes du circuit magnétique de ce stator afin que ledit circuit magnétique passe périodiquement et d'une manière non linéaire de l'état non saturé à l'état saturé, et rëcipro-qu. ement. Le condensateur limite la quantité d'énergie pouvant être transmise au rotor, même dans le cas où ce dernier présente une impédance très faible, de sorte que le courant de ce rotor peut également être augmenté au maximum. Un enroulement auxiliaire est avantageusement monté en parallèle avec l'enroulement principal et avec le condensateur de manière à produire les champs tournants nécessaires au démarrage d'un moteur monophasé et à augmenter, de plus, le couple de démarrage du moteur. Bien que le moteur décrit ci-dessus fonctionne de manière très satisfaisante, il est apparu possible, d'en augmenter le rendement en faisant varier efficacement la quantité de matière magnétique associée à l'enroulement principal du moteur suivant la tension de ligne, la charge ou d'autres paramètres choisis. En faisant varier la quantité de matière magnétique utile, les pertes magnétiques et les pertes dans le cuivre du stator, qui entrent pour une part importante et incontrôlable dans les pertes totales d'un moteur classique, peuvent varier suivant l'effort demandé au moteur. En d'autres termes, lorsque le moteur selon l'invention tourne à vide, la quantité de matière magnétique utile est diminuée de manière que les pertes magnétiques et les pertes dans le cuivre du stator soient très faibles. Cependant, la matière magnétique utile et disponible est suffisante pour produire une quantité d'énergie permettant l'entraînement du mote-à vide. Lorsque le moteur est en charge, la quantité de matière magnétique utile est augmentée suffisam- ment pour que le moteur produise une puissance convenable. Il est évident que les pertes internes du moteur augmentent pendant la période de mise en charge de ce dernier, mais qu'elles restent cependant inférieures à ce qu'elles seraient si le moteur fonctionnait à pleine charge. Les pertes variant avec la charge du moteur et ce dernier fonctionnant rarement à pleine charge, les pertes internes moyennes sont sensiblement réduites et le rendement est augmenté. Le moteur ainsi obtenu fonctionne de manière totalement satisfaisante dans toutes les conditions de charge, mais il consomme beaucoup moins d'énergie électrique que les moteurs classiques dont les pertes sont sensiblement les mêmes, qu'ils fonctionnent à vide ou à pleine charge. Le réglage de la quantité de matière magnétique utile disponible dans le moteur selon l'invention est réalisé à l'aide du stator qui comporte un enroulement de réglage. Lorsque cet enroulement est excité, il provoque une saturation partielle du circuit magnétique du stator afin de diminuer sensiblement l'aire de la section droite de ce circuit. Cette diminution de la section du circuit magnétique du stator entraîne une diminution de la capacité en volts-secondes dudit circuit, et par conséquent, une diininubion : le la tension d'alimentation du moteur. La tension aux bornes du condensateur est donc également réduite, car le courant doit avoir 'constamment une intensité telle que l'addition de toutes les tensions de la maille soit égale à zéro. La diminution de la tension du condensateur entraîne une diminution correspondante de l'énergie emmagasinée dans ce condensateur, conformément à l'équation : E = 1/2 CV2 dans laquelle E est l'énergie emmagasinée ; C est la capacité ; et V est la tension aux bernes du conden- sateur. L'énergie alors mise en circulation dans le moteur au cours de chaque alternance est sensiblement réduite et les pertes du moteur le sont en conséquence. En faisant dépendre l'intensité du courant circulant dans l'enroulement de réglage d'une condition de fonctionnement du moteur, par exemple de la charge, le moteur peut fonctionner à un rendement très élevé dans toutes les conditions de charge. Ainsi, lorsque le moteur fonctionne à vide, le courant de réglage peut avoir une valeur élevée afin de réduire sensiblement l'aire utile de la section droite du circuit magnétique ou noyau et, par conséquent, de diminuer l 1 énergie électrique en circulation et les pertes qui en résultent. Lorsque la charge augmente, le courant de réglage peut être diminué afin que la puissance du moteur augmente et soit portée au niveau nécessaire à l'entraînement de la charge accrue. Le courant de réglage peut évidemment être sensible à d'autres conditions de fonctionnement du moteur, par exemple la tension d'alimentation ou la vitesse, ou à toute combinaison souhaitée de conditions de fonctionnement du moteur, ou bien à d'autres conditions extérieures souhaitées. L'invention concerne donc un moteur électrique à grand rendement, dans lequel la puissance transmise et, par conséquent, les pertes internes varient en fonction du travail demandé à ce moteur. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels : la figure l est une vue en plan simplifiée et schématique du moteur selon l'invention ; la figure 2 est une vue schématique d'une variante du moteur selon l'invention ; la figure 3 est un schéma d'une autre forme de réalisa- tison du moteur selon l'invention ; la figure 4 est une vue schématique d'une autre variante du. acteur selon l'invention dont le critère de réglage est la vitesse de rotation ; et o o la figure 5 est une vue schématique d'une autre forme de réalisation du moteur selon l'invention dont-le critère de réglage est la. variation-du courant d'alimentation. La figure l est un schéma simplifié représentant le moteur selon l'invention. Ce moteur, à induction et à courant alternatif, du type à cage d'écureuil, est représenté schématiquement en 10 et comporte un stator 12 en matière magnétique et un rotor 14 en cage d'écureuil. Comme représenté, le stator comporte quatre pièces polaires 16,18, 20 et 22, bien qu'il soit évidemment possible d'utiliser davantage ou moins de ces pièces si cela est souhaité. Il est également évident que la forme des pièces polaires représentées n'est indiquée que schématiquement. De plus, l'invention ne concerne pas les détails physiques de construction du moteur. Le stator comporte un enroulement principal 24 bobiné sur les pôles 16 et 20 et connecté à des bornes 26 d'entrée par un condensateur 28 monté en série. La capacité de ce condensateur importe peu, pourvu qu'elle soit suffisante au maintien du. facteur de puissance capacitif dans le circuitsérie comprenant ce condensateur et l'enroulement 24 pendant que le moteur fonctionne en mode normal. Un enroulement auxiliaire 30 est bobiné sur les pôles 18 et 22 et connecté en parallèle à l'enroulement 24 et au condensateur 28. Cet enroulement 30 présente avantageusement une inductance et une impédance supérieures à celles de l'enroulement 24. Il peut comporter, par exemple, un nombre beaucoup plus élevé de spires constituées en fil plus fin. Un condensateur 32 de démarrage peut être connecté en parallèle avec le condensateur 28 par un interrupteur centrifuge 34. Un enroulement 36 de réglage est bobiné sur le noyau CD du stator et peut être connecté à une source de courant de réglage par des bornes 38. Comme représenté, l'enroulement 36 de réglage est bobiné sur le noyau 12 du stator, de manière que les flux alternatifs produits dans les enroulements du moteur s'annulent mutuellement et qu'aucune tension alternative ne soit induite dans l'enroulement 36 de réglage. Il est évident que la figure l ne représente que schématiquement le positionnement des spires de l'enroule- ment 36 et que toute technique convenable de bobinage peut 0 être mise en pratique. La demande de brevet français NO 76 22 099 précitée décrit le mode de fonctionnement du moteur représenté sur la figure 1. En bref, lorsqu'une tension alternative est appliquée aux bornes 26, le condensateur 28 commence à se charger et un courant circule dans l'enroulement 24. Un courant circule également dans l'enroulement 30. Ce courant est déphasé par rapport au courant principalement capacitif circulant dans l'enroulement 24 et, par conséquent, un champ tournant apparaît et commence à mettre le rotor 14 en rotation. A ce moment, l'enroulement 30 produit une certaine partie de la force d'entraînement jusqu'à ce que l'enroulement principal 24 et le condensateur 28 atteignent leur mode normal de fonctionnement. Lorsque la vitesse du rotor et la force contre-électromotrice augmentent, l'inductance efficace de l'enroulement 24 varie de telle manière que cet enroulement 24 et le condensateur 28 atteignent leur mode normal de fonctionnement. En d'autres termes, la capacité efficace en volts-secondes de l'enroulement 24 et de son circuit magnétique devient suffisamment importante pour permettre à l'ensemble d'atteindre son mode normal de fonctionnement, c'est-àdire un mode suivant lequel le condensateur 28 se charge, se décharge et se recharge périodiquement et dans des polarités opposées, de manière que le circuit magnétique associé à l'enroulement 24 passe d'un état non saturé à un état saturé tout en maintenant à une valeur très importante la densité moyenne du flux. L'enroulement 36 détermine l'aire de la section droite utile du circuit magnétique associé à l'enroulement 24 et, par conséquent, il règle la capacité en volts-secondes de ce circuit magnétique. Ainsi qu'il apparaît, lorsqu'un courant continu relativement important arrive à l'enroulement 36 par les bornes 38, un flux magnétique également important apparaît dans le noyau 12. Ce flux présente le même effet qu'une diminution des dimensions du circuit magnétique du noyau 12, c'est-à-dire qu'il provoque une diminution de la capacité en volts-secondes du circuit magnétique, ainsi qu'une diminution de l'inductance de l'enroulement 24 et de la quantité d'énergie pouvant y être emmagasinée. En effet, la boucle d'hystérésis des noyaux 12 est basculée et son aire diminue, de même, par conséquent, que l'inductance de l'enroulement 24. La tension aux bornes du condensateur 28 se règle automatiquement de manière à compenser la baisse de tension aux bornes de l'inductance à présent réduite de l'enroulement 24. En effet, la somme de la tension d'entrée, de la tension aux bornes de l'enroulement 24, de la tension aux bornes du condensateur 28 et des chutes de tension se produisant dans les résistances du circuit doit être égale à zéro. Par conséquent, lorsque l'a-tension aux bornes de l'enroulement 24 chute, la tension aux bornes du condensateur 28 doit subir une diminution correspondante de manière que la somme des tensions de la maille soit nulle. Le condensateur limite évidemment le courant et empêche l'enroulement 24 de griller. Les tensions relativement faibles du condensateur et de l'élément d'induction signifient que la quantité d'énergie mise en circulation dans le circuit est faible, de même par conséquent que le courant. Les pertes de cuivre du stator sont donc réduites. L'énergie pouvant être transmise par le moteur avec un courant de commande élevé est évidemment très suffisante pour entraîner ce moteur à vide. Les pertes se produisant dans le moteur se situent à un minimum absolu dans ces conditions de fonctionnement. Lorsqu'il est nécessaire au moteur d'entraîner une charge, le courant circulant dans l'enroulement-36 de commande peut être réduit afin d'augmenter l'aire de la section droite utile du circuit magnétique du noyau 12, 'sa capacité en volts-secondes et la capacité de transfert d'énergie du moteur. Les pertes internes augmentent également, mais elles ne sont prépondérantes que pendant que la dimension utile du circuit magnétique du moteur est augmentée afin de faire face à l'accroissement de la charge. Les pertes moyennes du moteur selon l'invention sont évidemment très inférieures à celles d'un moteur classique qui doit être conçu pour fonctionner à une charge maximale, même lorsqu'il* fonctionne à vide, les pertes étant alors presque maximales. Un courant de commande peut être appliqué aux bornes 38 d'un certain nombre de manières différentes et connues. Les figures 2 à 5 montrent divers modes d'établissement du courant de commande, bien qu'il soit évident que ce courant puisse être appliqué autrement de manière également satisfaisante. La figure 2 représente l'une des formes les plus simples et les plus efficaces d'application d'un courant de commande à l'enroulement 36. Les éléments communs à cette forme de réalisation et à celle représentée sur la figure l portent les mêmes références numériques. Un enroulement 40 de réaction est ajouté au noyau du stator afin de produire une tension proportionnelle à la force contre-électromotrice produite par le moteur. L'enroulement 40 de réaction est relié à l'enroulement 36 de commande par une diode 42 et l'ensemble de ce circuit est connecté aux bornes d'entrée 26 par un interrupteur 44 associé à l'interrupteur centrifuge 34. L'interrupteur 44 n'est pas indispensable, mais il peut être utile pour retarder la mise en oeuvre du circuit de commande jusqu'à ce que le moteur atteigne sa vitesse nominale après le démarrage. Pour cette raison, l'interrupteur 44 est représenté en position d'ouverture alors que l'interrupteur 34 est représenté en position de fermeture. Lorsque la montée en vitesse du moteur est achevée, il est évident que l'interrupteur 34 s'ouvre et que l'interrupteur 44 se ferme. En supposant que le moteur tourne à sa vitesse nominale et à vide, la tension produite dans l'enroulement 40 dépasse la tension d'entrée et, par conséquent, à chaque alternance, un courant continu circule dans l'enroulement 36 de commande par suite du flux magnétique continu produit dans le noyau du stator. Comme mentionné précédemment, ce flux de commande résulte d'une diminution de la capacité en volts-secondes du noyau et de la diminution qui en résulte dans les pertes internes du moteur. On suppose à présent que le moteur est partiellement en charge. Il tend alors à ralentir et la force contre-électromotrice diminue. Il en résulte une diminution de la tension induite dans l'enroulement 40 et, par conséquent, du courant circulant dans la diode 42 et dans l'enroulement 36. La diminution résultante du flux de commande dans le noyau du stator libère davantage de matière magnétique de ce noyau pouvant être utilisée pour le circuit principal du moteur. La capacité en volts-secondes du noyau augmente alors, de même que l'énergie transmise par le moteur, de sorte que la, charge est entraînée à la vitesse souhaitée. Lorsque la charge est maximale, le courant de commande peut être réduit à zéro, de sorte que la totalité de la matière magnétique du noyau du stator est utilisée par le circuit principal du moteur. En raison de la grande diversité des dimensions et des conceptions de moteurs, il est peu pratique d'établir des paramètres déterminés pour le circuit de commande représenté sur la figure 2. Cependant, en général, le nombre de spires de l'enroulement de commande pour tout moteur donné doit permettre d'obtenir une réaction stable sans oscillations, comme c'est évident à l'homme de l'art. La figure 3 représente une autre forme de réalisation selon l'invention comportant un redresseur double alternance de manière que l'enroulement 36 de commande soit alimenté en courant redressé. Les éléments communs à cette forme de réalisation et à celles représentées sur les figures l et 2 portent les mêmes références numériques. Un pont redresseur 46 est monté entre les bornes 28 d'entrée et produit une tension à laquelle s'oppose celle produite par un redresseur double alternance connecté à la sortie de l'enroulement 40 de réaction, ce dernier redresseur compre- nant des diodes 48 et 50 et une prise centrale 52 sur l'enroulement 40. Si cela est souhaité, des condensateurs 54 et 56 de filtrage peuvent également être utilisés. Des résistances 58 et 60 permettent la conduction des redresseurs double alternance. Comme représenté, lorsque la tension induite dans l'enroulement 40 est égale à la tension d'entrée, aucun courant ne circule dans l'enroulement 36 de commande. Cependant, lorsque ces deux tensions ne sont pas égales, un courant circule dans l'enroulement 36 de commande et fait apparaître un flux de réglage dans le noyau du stator. Ce dispositif de commande ou de réglage a pour effet de maintenir la tension induite dans l'enroulement de réaction à une valeur égale à la tension d'entrée, quelles que soient les variations de la tension d'alimentation ou de la charge. Par conséquent, si le moteur est conçu pour obtenir cet équilibre à pleine charge, toute variation de la tension d'alimentation ou de la charge provoque la mise en circulation d'un courant de commande dans l'enroulement 36 afin de ramener le système à l'état d'équilibre. Par exemple, lorsque la charge est éliminée du moteur, le rotor tend à accélérer, ce qui augmente la tension de réaction. Un courant circule alors dans l'enroulement de commande et la capacité en voltssecondes du noyau du stator diminue, de même que l'énergie transmise par le circuit, de sorte que les pertes internes sont réduites comme décrit précédemment. Si cela est souhaité, une diode telle que celle représentée en 42 peut être montée dans le circuit de la figure 3. Si cette diode est montée dans le sens de passage du courant de l'enroulement 40 vers le redresseur double alternance 46, le circuit de commande est sensible aux variations de charge, comme décrit en regard de la figure 2. Si la diode est montée en sens inverse, le circuit de commande est sensible aux variations de la tension d'alimentation. La figure 4 représente une variante du moteur selon l'invention dans laquelle un générateur 62 de courant, commandé par un arbre 64, lui-même entraîné par le rotor 14, alimente l'enroulement 36 de commande en courant. Ce dispositif est donc sensible à la vitesse de rotation du moteur, car le générateur 62 de courant est conçu pour produire un courant qui diminue avec cette vitesse de rotation. La figure 5 représente une autre forme de réalisation du moteur selon l'invention, sensible aux variations du courant d'alimentation. Dans cette forme de réalisation, l'enroulement 36 de commande est monté en série avec l'enroulement auxiliaire 30. Un second enroulement 66 de commande, polarisé en sens opposé à celui de l'enroulement 36, est connecté aux bornes d'entrée 26 par une résistance 68 de limitation du courant. Le courantparcourant l'enroulement 66 produit une première composante de flux dans le noyau du stator, alors que le courant passant dans l'enroulement 36 produit une composante de flux de sens opposé à celui de la précédente. Les enroulements sont choisis de manière qu'en l'absence de charge, la composante de flux produite par l'enroulement 66 soit prépondérante et qu'un flux de commande à peu près alternatif soit présent dans le noyau du stator, ce qui a pour effet d'abaisser la capacité en volts-secondes de ce noyau. Lorsque le moteur est en charge et commence à ralentir, le courant parcourant l'enroulement auxiliaire 30 augmente, de manière que la composante de flux produite par l'enroulement 36 augmente également et le flux réel circulant dans le noyau diminue afin de permettre la transmission d'une quantité accrue d'énergie. Lorsque la charge du moteur atteint sa valeur nominale, les composantes de flux produites par les enroulements 66 et 36 deviennent égales, de sorte que le moteur atteint son état de transmission maximale d'énergie. Il ressort de la description précédente que tout procédé souhaité d'élaboration du courant de commande à partir de toute source désirée peut être mis en oeuvre avec le moteur selon l'invention. Bien que le moteur décrit et représenté soit du type monophasé, il est évident que l'invention s'applique également aux moteurs triphasés ou autres moteurs à plusieurs phases. Il est également évident que bien que l'invention ait été décrite dans son application à un moteur à induction à cage d'écureuil, elle n'est pas limitée à cette forme de réalisation. Il n'est pas nécessaire que le courant de commande soit continu. En effet, ce courant peut être alternatif ou peut être réglé par une modulation en largeur d'impulsions, etc. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au moteur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Moteur électrique comprenant un stator qui comporte un circuit magnétique, un rotor, un enroulement principal de stator entourant le circuit magnétique, une entrée destinée à être reliée à une source de tension alternative, un condensateur, et des éléments reliant l'enroulement principal du stator et le condensateur en série à l'entrée, le moteur étant caracté- - risé en ce qu'il comporte un dispositif destiné à introduire un flux de commande dans le circuit magnétique afin de faire varier la quantité utile de matière magnétique entourée par l'enroulement principal du stator. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif destiné à introduire un flux de commande comprend un enroulement de commande bobiné sur le stator et entourant la matière magnétique, un élément faisant passer un courant de commande dans cet enroulement. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un élément générateur d'une tension proportionnelle à la force contre-électromotrice du moteur et un élément qui connecte cet élément générateur à l'élément produisant le courant de commande. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément générateur comprend un autre enroulement bobiné sur le stator. 5. Licteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de courant dépendant de la vitesse de rotation du moteur et un élément qui connecte ce générateur à l'élément produisant le courant de commande. 6. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un second enroulement de commande est bobiné sur le sta- tor, autour de la matière magnétique, ce second enroulement de commande introduisant une composante de flux de commande de sens opposé à celui de la composante de flux produite par le premier enroulement de commande cité. 7. Moteur selon la revendication l, caractérisé en ce que l'enroulement principal du stator entourant le circuit magnétique présente une inductance relativement faible, un enroulement de commande et un enroulement de réaction entourant également le circuit magnétique, un élément connectant le condensateur et l'enroulement principal du stator en série à l'entrée, la capacité du condensateur étant suffisamment grande pour que son facteur de puissance capacitif reste fonctionnel dans le circuit comprenant le condensateur et l'enroulement principal du stator en série, un élément connectant l'enroulement de réaction, l'enroulement de commande et l'entrée à un circuit dans lequel un courant de commande circule dans ledit enroulement de commande lorsque le moteur entraîne une charge inférieure à la charge nominale. 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le deuxième élément de connexion cité comprend un redresseur. 9. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un enroulemem : auxiliaire de stator d'une inductance relativement élevée et entourant le circuit magnétique, et un élément qui connecte cet enroulement auxiliaire en parallèle avec le circuit comprenant le condensateur et l'enroulement principal en série. 10. Circuit électrique d'alimentation et de commande d'un moteur électrique à courant alternatif comportant un stator qui comprend un noyau magnétique, un enroulement bobiné sur ce noyau et un rotor, le moteur comportant également une entrée destinée à être connectée à une source de tension alternative, un condensateur, un élément connectant ce condensateur et l'enroulement du stator en série aux bornes de ladite entrée, le condensateur pouvant être chargé à une tension suffisante qui, lorsqu'elle est ajoutée à ladite tension alternative, développe dans le noyau magnétique du stator une valeur en volts-secondes supérieure à la capacité en volts-secondes de ce noyau qui est ainsi amené à saturation dans des sens opposés à chaque alternance de ladite tension alternative, le circuit étant caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif destiné à faire varier la capacité en volts-secondes du noyau. 11. Circuit selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif destiné à faire varier la capacité en voltssecondes du noyau comprend un enroulement de commande bobiné sur le noyau et un élément alimentant cet enroulement en courant de commande. 12. Circuit selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur produisant une tension proportionnelle à la force contre-électromotrice du moteur et un élément qui relie ce générateur à l'élément produisant le courant de commande. 13. Circuit selon la revendication 12, caractérisé en ce que le générateur comprend un autre enroulement bobiné sur le noyau du stator. 14. Circuit selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'élément reliant le générateur à l'élément produisant le courant de commande comprend un redresseur. 15. Circuit selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un troisième enroulement est bobiné sur le stator, des organes connectant le second enroulement en parallèle avec le circuit-série comprenant l'enroulement du stator et le con- densateur. 16. Circuit selon la revendication 15, caractérisé en ce que le troisième enroulement a une inductance supérieure à celle du premier enroulement. 17. Circuit selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte un organe mettant hors fonction ledit élément connectant le générateur à l 1 élément produisant le courant de commande jusqu'à ce que le rotor atteigne une vitesse prédéterminée. 18. Circuit selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte un quatrième enroulement bobiné sur le stator et monté en série avec le troisième enroulement, de manière à produire dans le noyau une composante de flux de commande de sens opposé à la composante produite par ledit enroulement de commande.