Brevet FR2358771A1 — publié le 19780210

La présente invention, concernant des machines électriques tournantes, est relative de façon plus spécifique à une machine (génératrice) synchrone sans balais et en particulier à une génératrice de soudage, qui est réglable par l'intermédiaire d'un shunt magnétique décalable dans la direction de l'axe. Dans un dispositif de ce genre il est connu, par le brevet britannique nO 770 710, de constituer le shunt magnétique sous une forme tubulaire et de le déplacer axialement dans l'entrefer compris entre rotor et stator. Il est déjà connu aussi (brevet britannique nO 1 256 606) de disposer dans une machine synchrone un shunt magnétique dans la roue polaire intérieure, ce shunt étant constitué sous forme d'uzl anneau qu'on peut entrer dans une rainure annulaire et qui peut coulisser axialement, anneau qui forme le shunt magnétique avec l'intermédiaire de l'arbre d'induit. La réalisation mécanique de ce mode de construction est délicate à cause du faible entrefer entre l'anneau et la rainure et elle est particulièrement désavantageuse si l'on veut réaliser un appareil de soudage robuste.En outre, il faut s'attendre à avoir un fort flux de fuites qui produit la magnétisation des paliers à billes de l'arbre d'induit et qui raccourcit par suite la durée d'usage des paliers et aussi de l'ensemble de la machine, car en cas de mauvais fonctionnement du palier on court le risque que le rotor heurte le stator et endommage ce dernier ou que le rotor lui-même soit détruit. On connatt une autre réalisation d'un shunt magnétique pour courant continu avec un système à poles externes fixe par le brevet britannique 3881/1907. Le noyau de la pièce polaire est disposé dans ce cas de façon réglable au travers d'une ouverture d'introduction latérale du shunt magnétique. Un tel mode de construction ne convient pas pour construire une machine synchrone à poles externes servant de générateur de soudage, car il est extrêmement difficile de débiter des courants de soudage et de court-circuit très élevés par l'intermédiaire de bagues à glissement et de banals. L'inconvénient majeur réside dans la disposition de bagues collectrices et d'un collecteur avec balais pour prélever le courant d'excitation.On ne peut employer ce mode de construction pour une machine synchrone sans balai et un générateur de soudage. Selon l'invention, pour éviter les inconvénients des machines précitées, dans une machine synchrone sans balai du genre exposé dans l'introduction on propose que les rainures de stator soient plus larges que la section d'enroulement et reçoivent l'enroulement de stator dans la région éloignée du rotor, et que par contre la région des rainures de stator rapprochée du rotor constitue une ouverture d'entrée, divisée par des saillies des parois des rainures, pour le shunt partagé de préférence en différents éléments feuIlIetés. Ce mode de réalisation présente l'davantage que le flux principal peut se fermer par les dents de stator indépendamment de la position du shunt magnétique, de fa çon que la tension de marche à vide reste pratiquement constante et que le courant de soudage puisse dtre réglé dans un large domaine par un décalage correspondant des éléments dans les rainures. Suivant une conformation évoluée de la machine synchrone selon l'invention, plusieurs desdits éléments sont reliés ensemble pour former un corps en forme de peigne. De cette façon il est possible de déplacer plusieurs éléments simultanément et en commun dans la direction axiale et chaque fois de la même quantité. Grecs à l'influence, régie selon l'invention, sur le champ statorique permanent, il est possible d'obtenir, avec un champ continu constant et un champ principal alternatif constant, une tension de marche à vide constante à tous les stades de charge, de sorte que le champ des charges peut etre réglé sans perte de- façon continue. Suivant une conformation plus-évoluée de l'invention, lesdits éléments, paire et impairs, sont les uns et les autres fixé à un anneau commun non magnétique, le cas échéant avec une attache magnétique, les anneaux reposant, mobiles en direction axiale, dans le bAti de la machine indépendamment l'un de l'autre, en étant commandés par exemple à la main ou par télécommande, en particulier pour alimenter deux postes de travail (postes de soudage) indépendamment l'un de l'autre.Ainsi, il est possible de disposer les anneaux portant lesdits éléments des deux c8tés du stator, mais ces anneaux peuvent aussi notre dis- posés que d'un c8té du stator. Grtce à la disposition selon l'invention, quand on a un enroulement à deux phases à 900 qui ne sont pas branchées électriquement en série, il est possible de régler, sans perte et de façon continue, la puissance de chaque différents phase U-X et V-Y. Quand on dispose d'un enroulement statorique à deux phases, le générateur de soudage peut Outre équipé de deux postes de travail, parfaitement indépendants l'un de l'autre et pouvant fournir de forts courants d'inten- sité quelconque; tout ceci étant prévu dans un système à machine unique.Si la machine doit 8tre employée comme générateur de soudage, les deux postes de soudage peuvent souder, par consét quent, avec des courants alternatifs aussi grands qu'on veut ou bien on peut faire en sorte qu'un seul poste de soudage soit alimenté en courant alternatif et l'autre cependant en courant continu, tous deux à partir d'une machine unique. Si un poste de soudage doit fonctionner en courant continu - et ceci est valable aussi pour deux postes de soudage - il faut prévoir des redresseurs correspondants. Lorsque la tension de marche à vide est constante, si l'on veut pouvoir alimenter un poste de soudage en continu assez fort, il est possible de monter-en parallèle les deux postes de soudage dans un circuit à courant continu.Il est possible encore d'utiliser seulement un poste comme poste de soudage, tandis qu'on branche néanmoins sur l'autre poste de soudage des ampoules dtéclairage, des rectifieuses, des perçeuses ou aussi des batteries, montées en parallèle pour charger ou décharger d'autres consommateurs, chaque fois suivant les besoins de ce consommateur de courant. La batterie peut également fonctionner comme batterie de démarrage pour un moteur à combustion entraidant le générateur de soudage. La tension de service du branchement correspondant de ia machine synchrone est une tension limite, car elle ne peut dépasser une valeur préfixée. Un autre but de l'invention consiste à obtenir une tension de marche à vide réglable et devenant chaque fois constante dans tout le domaine de travail une fois le réglage effectué, soit donc à tous les stades de charge. On peut y arriver lorsque, suivant une conformation évoluée de la réalisation de l'invention, le rotor est pourvu d'une excitation indépendante, en prévoyant pour produire la tension d'excitation une machine excitatrice constituée sous forme de machine à pâles annulaires, par exemple une machine synchrone à pâles externes et sans balai, cette machine étant pourvue de pâles externes, excités de façon permanente, dont les pièces polaires présentent des prolongements s 'étendant dans la direction de l'axe de la roue polaire de la machine excitatrice, qui peuvent être couverts de quantités dif férentee par un cylindre coulissant axialement, de sorte que dans les rotors à courant alternatif de la machine excitatrice dea tensions de différentes grandeurs peuvent être induites, qui peuvent être amenées éventuellement au rotor de la machine synchrone par l'intermédiaire d'éléments redresseurs pour former la tension d'excitation. Suivant une disposition préférée de l'invention, le rotor de la machine synchrone et le rotor à courant alternatif de la machine excitatrice sont disposés sur le même arbre. Ceci présente l'avantage que les deux rotors tournent exactement avec la même vitesse et qu'on peut disposer des redresseurs en traités en rotation. Suivant un aspect évolué de l'invention pour le compoundage du courant de soudage, deux au moins des pâles exté- rieurs fixes de la machine excitatrice peuvent être pourvus d'un enroulement supplémentaire pouvant être alimenté en courant continu. De cette façon, il se produit dans le stator ce qu'on appelle un champ continu mixte, parce qu'en dehors du champ permanent il peut être appliqué au stator un champ électromagnétique, l'intensité du champ dlectromagnetiQue supplémentaire dépendant de la tension continue alimentant les enroulements compound. De cette façon, chaque poste de soudage individuel peut être compoundé à part, soit donc indépendamment des autres postes de soudage. Le principe de l'invention, consistant à utiliser des éléments individuels pour influencer le shunt de l'enroulement statorique et également la disposition d'un réglage du shunt pour une machine excitatrice dans les cas où la roue polaire de la machine synchrone est excitée indépendamment, peut être également mis à profit de façon constructive pour des rotors ou induits à piles externes, en obtenant les mêmes effets, qui ne seront pas précisés ici, ceci s'appliquant à des machines avec roue polaire excitée de façon permanente. L'invention sera exposée plus en détail et à titre non limitatif en se référant aux exemples de réalisation reprd- sentés sur les dessins, parmi lesquels : La figure 1 est une coupe axiale, pour une premié re forme de réalisation, d'une machine synchrone sans balai selon l'invention. La figure 2, un détail de la figure 1. La figure 3, une vue latérale de la machine. La figure 4, une vue longitudinale d'une machine selon l'invention, sous une forme de réalisation modifiée vis-àvis de celle de la figure 1. La figure 5, une machine selon la figure 4, mais avec excitation indépendante. La figure 6, une vue latérale de la machine représentée sur la figure 4. La figure 7, une coupe selon la ligne VII-VII de la figure 5. La figure 8, une variante du mode de réalisation modifié par rapport à la figure 7, et La figure 9 montre un diagramme représentant 1 'in- tensité du courant en fonction du temps, pour une machine pourvue d'un enroulement bi-phasé. Pour le mode de réalisation des figures 1 à 4, on a représenté un rotor 1 excité par des aimants permanents 2. Les rainures de stator 4 sont plus larges que la section des enroulements statoriques 5. L'enroulement de stator 5 est ici disposé dans la région des rainures statoriques 4, éloignée du rotor 1. La région des rainures statoriques, rapprochée du rotor 1, forme une ouverture d'entrée pour le shunt partagé en pièces élémentaires 6, de préférence feuilletées. L'ouverture d'entrée des éléments 6 est séparée par des saillies 8 de la paroi des rainures des parties de rainures 4 qui reçoivent l'enroulement de stator 5. Plusieurs des éléments 6 formant le shunt sont réunis pour former un corps 7 en forme de peigne.Si le corps 7 formant peigne est déplacé vers l'extérieur dans la direction de la flèche A et sorti de l'ouverture d'entrée, ltef- ficacité du champ magnétique augmente dans l'enroulement de stator 5 et l'enroulement statorique 5 agit à plein dès que le corps 7 formant peigne avec ses différents éléments 6 est complètement sorti des rainures 4. Si les différents éléments 6 du corps 7 sont complètement rentrés dans l'ouverture d'entriée des rainures statoriques, la plus grande partie du flux magnétique est guidée le long de l'enroulement statorique 5 et la puissance de la machine atteint sa valeur minimale.En réglant de façon correspondante le corps en forme de peigne, on peut régler une valeur de puissance quelconque, sans perte et de façon continue entre les limites où le corps est complètement rentré ou complètement sorti. Le courant alternatif four- ni normalement par la machine, utilisée comme générateur de soudage, aura utilement une fréquence d'environ 400 Hz et on peut l'utiliser directement pour le soudage. Mais il est également possible de redresser le courant alternatif produit et de l'employer également pour souder à l'état redressé.Le déplacement du corps 7 en forme de peigne pour bigler l'intensité de courant de soudage voulue peut se faire directement à la main sur la machine ou bien le réglage peut titre produit par télécommande à partir d'un endroit convenable choisi ou en particulier à partir de l'endroit où l'on effectue la soudure. La commande se fait avec très peu de pertes, de sorte qu'on a un bon amendement. Dans les modes de réalisation des figures 4 et 5, on a prévu deux corps 7 et 7' en forme de peignes. La disposition est choisie ici de façon que les pièces élémentaires, paires et impaires, 6, 6' soient fixées les unes et les autres sur un anneau commun 10 ou 10', non magnétique, le cas échéant avec attache magnétique et soient disposées avec possibilité de déplacement en direction axiale dans le baAti de la machine indépendamment les unes des autres, comme les corps en forme de peigne de la figure 2 (flèches B et A, et B' et A'). Chacun des corps 7 et 7' peut Btre placé pour alimenter un poste de soudage.Ainsi, un poste de soudage peut être alimenté par la première phase U-X de l'enroulement statorique 5, tandis que le deuxième poste de soudage est alimenté par la deuxième phase V-Y de l'enroulement statorique. Les intensités de courant peuvent être réglées indépendamment l'une de l'antre par un déplacement correspondant des corps 7, 7' dans la direction des flèches B-A et Bl-Ao Si avec une machine synchrone sans balai telle que représentée sur la figure 5, on a prévu une machine excitatrice pour les piles du rot or de la machine synchrone i, il est possible de régler encore la tension de-marche à vide en plus de l'intensité du courant, pour autant que la machine excitatrice 11 puisse être elle-meme réglée. la machine excitatrice 11 est constituée sous forme d'une machine à piles annulaires, par exemple une machine synchrone sans balai à p8les externes. Les pô- les externes 12 sont excités de façon permanente et les pièces polaires présentent des prolongements 13 s 'étendant dans la direction de l'axe du rotor 14 à courant alternatif de la machine excitatrice 11 et peuvent hêtre couverts d'une quantité diifé- rente par un cylindre 15 coulissant axialement. De cette manière, il est possible d'induire des tensions de grandeur difié- rente dans les rotors 14 à courant alternatif de la machine excitatrice 11, tensions qui peuvent être amenées au rotor électromagnétique 1 de la machine synchrone pour l'excitation.Si la tension d'excitation doit être une tension continue, il faut insérer des éléments redresseurs (tournants) 16, 17 entre la sortie du rotor 14 de la machine excitatrice 11 et le rotor 1 de la machine synchrone. Si l'on fait avancer le cylindre 15 dans la direction de la flèche P, le flux magnétique décrott par l'intermédiaire du rotor à courant alternatif 14 de la machine excitatrice 11, de sorte qu'on obtient une tension de plus en plus petite dans l'enroulement de rotor 14 de la machine excitatrice 11.Dans la position la plus intérieure, le cylindre 15 couvre complètement les prolongements 13 des pièces polaires 12. On induit une tension maximale dans le rotor 14 à courant alternatif de la machine excitatrice il lorsque le cylindre 15 ne couvre pas les prolongements 13 des pièces polaires 12. Sur les coupes du cylindre 15, représentées sur les figures 7 et 8, on voit les pâles 12 du stator, et dans le cas présent on a prévu au total quatre piles 12 dans la forme de réalisation représentée sur la figure 7. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 8, on a prévu également quatre pôles 12, mais deux pâles en regard l'un de l'autre sont pourvus d'enroulements supplémentaires 19 qui peuvent être alimentés en courant continu. De cette façon, on obtient un sys- tème d'excitation mixte qui permet le compoundage de chaque poste de soudage individuel au moyen des enroulements 19. le rotor 1 de la machine synchrone et le rotor à courant alternatif 14 de la machine excitatrice Il sont disposés sur le même arbre 18. Le cylindre 15 est constitué de façon analogue à ce qui est représenté sur la figure 5, donc avec un corps s'étendant sur 9609. Sur la figure 9 on voit deux sinusoides reprégen- tant la phase 1 et la phase 2, dont le déphasage est de . La figure 9 montre que le générateur de soudage selon l'invention peut comporter deux postes de soudage séparés, qui peuvent fonctionner de façon parfaitement indépendante. REVECDIdADION8 1. Machine synchrone sans balai, en particulier génératrice de soudage, qui peut être réglée par un shunt magnétique coulissant dans la direction de son axe, caractérisée en ce que les rainures statoriques sont plus larges que la section transversale de l'enroulement et reçoivent l'enroulement statorique dans la région éloignée au rotor, la région rapprochée du rotor des rainures statoriques constituant par contre une ouverture d'entrée, divisée par des saillies des parois des rainures, pour le shunt partagé en éléments, de préférence feuilletés. 2. Machine synchrone selon revendication 1, caractérisée en ce que plusieurs desdits éléments sont reliés ensemble pour former un corps en forme de peigne. 3. Machine synchrone selon revendication 1, caractérisée en ce que lesdits éléments, pairs et impairs, sont fixés, les uns et les autres, à un anneau commun non magnétique, le cas échéant avec attache magnétique, les anneaux reposant, mobiles séparément en direction axiale, dans le bai de la machine, en pouvant être actionnés à la main ou par télécommande, en particulier pour alimenter deux postes de travail (ou postes de soudage) indépendamment l'un de l'autre. 4. Machine synchrone selon l'une des revendications I à 3, caractérisée en ce que le rotor est constitué sous forme de rotor à excitation indépendante, en prévoyant pour la production de la tension d'excitation une machine excitatrice constituée sous forme d'une machine à piles annulaires, par exemple une machine synchrone sans balai à pâles externes, qui est pourvue de pâles externes excités de façon permanente dont les pièces polaires présentent des prolongements s'étendant dans la direction de l'axe de la roue polaire de la machine excitatrice, qui peuvent être couverts de quantitds différentes par un cylindre coulissant axialement, de sorte que dans le rotor à courant alternatif de la machine excitatrice des tensions de grandeurs différentes peuvent être induites, lesquelles peuvent être amenées au rotor de la machine synchrone, éventuellement avec insertion d'éléments redresseurs, pour servir de tensions d'excitation. 5. Machine synchrone selon revendication 4, ca ractéris en ce que le rotor de la machine synchrone et le rotor à courant alternatif de la machine excitatrice sont montés sur le même arbre. 6. Machine synchrone selon revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que deux au moins des pôles externes de la machine excitatrice sont pourvus d'un enroulement suppléaentaire, pouvant être alimenté en courant continu, pour le compoundage du courant de soudage.