Brevet FR2386181A1 — publié le 19781027

La présente invention a pour objet une gamme de machines électriques génératrices et motrices dans lesquelles un ou plusieurs élé- ments mobiles rectilignes ou circulaires réalisent le transfert de flux magnetiques qu'ils modulent en raison de leur forme et configuration gdo- métrique. Contrairement aux machines classiques elles sont toutes réversibles (le moteur dit "à cage d'écureuil" ne l'est pas). Elles peuvent s 'apparenter à certaines génératrices dites "à fer tournant" mais elles ne sont pas bomopolaires comme ces dernieres et elles permettent de moduler exactement le flux inducteur afin d'obtenir une force électromotrice de forme voulue, sinusoidale par exemple. Elles sont à réluctance et à flux constants.Enfin leur construction ne présente aucune difficulté et rentre entièrement dans les procédés de la mécanique et de 1' électrotech- nique usuell-es. - Les calculs, tracés et déterminations expérimentales classiques s'y appliquent entièrement. Ltéquilibrage dynamique des pièces en mouvement est aisé et immuable, car dans la plupart de ces machines induits et inducteurs sont fixes. Dans le seul cas où l'on estimerait avantageux de faire tourner des bobines inductrices celles-ci sont circulaires et leir axe est 1 'axe de rotation du rotor; elles sont donc automatiquement équilibrées dynamiquement.L'on pourrait d'ailleurs laisser ces bobines également fixes, mais leur rotation n'aurait que l'inconvénient de deux classiques contacts glissants du courant continu inducteur (à moins que la génératrice de ce courant ne soit calée sur l'axe du rotor). La description qui va suivre n'est que schématique, mais elle montre nettement que la construction de ces machines relève directement de la technique classique actuelle. Les constantes et dimensions désignés par des lettres seront choisies dans le cas particulier de chaque machine par l'usage auquel elle est destinée et par les critères classiques relatives au meilleur rendement. I. ORGANE DE TRiNSEERT E? DE MODULATION DU FLUX xIGEhTIQUE. Soit la courbe d'équation : sa période est et son graphe est une éinusoede infinie contenue dans n la bande de largeur 8 . (fig. 1 ci-dessous). 2 étant un multiple de la période, toutes les sections d'inter- talle 27r sont égales. Les dessins seront limités à une telle section et nous prendrons à titre d'exemple n = 2. Considérons maintenant une bande plus large, de largeur 2 e symétrique pour 08 et découpons-là suivant la sinusoïde; nous aurons deux bandes dentées, genre crémaillère. Coupons à chaque crémaillère alternativement une dent sur deux avec une partie de largeur Q : comme le montre la fig. 2 ci-dessous, nous aurons alors deux crémailleres édentées à moitié, imbriquées l'une dans l'autre. lous obtiendrons l'organe de transfert en découpant une pareille double crémaillère dans une bande de métal à haute perméabilité magnétique d'épaisseur proche de C et en la fixant sur une bande-support de matière non magnétique de même largeur 2c + 2l. (non figurée sur les dessins) voir fig. 3 en perspective. II. ORGANE INDUCTEURS ET INDUIT. Fig. 3 en perspective et fig. 4 montrent le schéma de cet organe, constitué par un canal rectiligne en acier doux, au milieu duquel sont solidement ancrées les tales de l'induit portant les encoches qui recevront le bobinage induit classique mono ou polyphasé (triphasé dans 1' exemple du dessin, ou' 'n' est figurée qu'une seule spire embrassant un espace dentaire de #.). Deux conducteurs (ou séries de conducteurs) rectilignes longeant n le fond du canal de part et d'autre des tôles de l'induit sont parcourues par des courants continus de même sens et intensité et créent les flux magnétiques inducteurs. Les bords du canal ont une épaisseur de C/2, le fer feuilleté de l'induit est large de C et les deux canaux latéraux ont une largeur de l.De sorte que l'organe I peut staptliquer exactement sur l'organe II. En réalité, pour le cas de cette machine rectiligne, le retour des conducteurs rectilignes s'effectuera en longeant le bord extérieur de chaque pôle N et g de façon à former les deux bobines inductrices rectangulaires (ces retours ne sont pas figurés sur les dessins). III. FONClIOWNEMENT. (voir fig. 3 ) En faisant défiler d'un mouvement rectiligne ltun en face de l'autre, avec un faible entrefer, ces deux organes I et II, l'on voit que le balayage du flux magnétique par les barres actives des bobines induites crée dans celles-ci des forces électromotrices induites alternatives et si le mouvement est uniforme le taux de variation de ce flux rapporté à l'unité de temps est, en raison du profil des dents, sinusoTdal. Chaque fois qu'unie dent aura remplacé la précédente le flux traversant une spire quelconque, telle celle tracée sur les dessins, aura varié de f + La fréquence du courant alternatif obtenu se déduit facilement de la vi- tesse instantanée de translation. L'on peut limiter l'organe Il à une longueur finie (celle des dessins par exemple) en reliant par l'extérieur les barres actives des extrémités, l'organe I étant SUppOSé très long. L'on voit que réluctance et flux inducteurs sont constants et que pour neutraliser la réaction d'induit l'on peut munir l'organe I d'un dispositif Leblanc classique, les crémaillères pouvant d'ailleurs entre noyées en fonderie dans une plaque de bronze, par exemple. Le tracé du fantôme magnétique et la considération des caractéristiques (non idéales) des tôles et matériaux magnétiques ainsi que l'expérimentation sur maquette amèneront évidemment à modifier légèrement le profil des dents si l'on veut obtenir une force électromotrice exactement sinusoldale. Par ailleurs le-taux de couverture de l'induit par les dents est 1 dans le cas delta sinusoide. L'on peut obtenir un taux supérieur, 2 celui classique de 2 par exemple, en ajoutant, pour le profil des dents, 3 à la sinusolde fondamentale. les harmoniques non indésirables. La machine est manifestement réversible et les schémas représentent donc également un moteur linéaire dont l'organe I constitue le rail. Les forces d'attraction intenses entre les organes I et II seront neutralisées de la façon classique en doublant la machine par son symétrique pour le plan médian de la plaque support des crémaillères. Un tel ensemble de deux organes II posé en pont sur un rail central constitué par la plaque support en bronze portant sur ses deux faces-les crémaillèrestransfert de flux se trouve suspendu en équilibre stable -par le jeu des. flux inducteurs constants dont les lignes de force, tendant vers la longueur minimale, donc rectiligne, dans l'entrefer, engendrent un effet de rappel élastique avec amortissement, aussi bien de bas en haut que de haut en bas. Le courant triphasé devra être amené au véhicule par fils (deux dans le cas d'un montage en étoile) le courant continu pouvant entre produit à bord. I1 est à remarquer qu'avec une moindre efficience deux bobines carrées inductrices supplémentaires pourraient être logées dans le rail, ou du moins dans certaines sections du rail pour agir sur la marche du véhicule à partir d'un poste fixe, soit pour l'accélérer soit pour le freiner selon fig. 5 ci-dessous (oà le sens indiqué pour le courant correspond à une accélération du véhicule; pour le freiner il suffirait de renverser évidemment les sens des courants inducteurs principaux et supplémentaires (ou encore de mettre l'induit en court-circuit). Des machines circulaires se déduisent facilement de la machine rectiligne en supposant les matériaux élastiques et en enroulant les schéras autour des axes XX', Tr' ou ZZ' tracés sur la planche I. L'on supposera avoir pris le rayon du rotor pour unité de longueur sur l'axe O d de la sinusolde de sorte que aa représente la longueur de la périphérie du rotor. Les fig. 4, 6 et 7 montrent une première gamme de telles machines, génératrices ou motrices, par enroulement autour de XX'. Le canal induc teur est devenu circulaire et constituera deux machoires raccordées en leur partie centrale et enserrant les tôles d'un enduit classique triphasé. Les conducteurs rectilignes de II sont devenus des bobines circulaires ayant pour axe l'axe de la machine. La plaque-support des crémaillères est devenue un cylindre central et les crémaillères sont des sortes de couronnes taillées dans des manchons de fer doux et qui pourront être noyées en fonderie dans un bloc compact de bronze de môme densité que le fer des couronnes ce qui équilibrera le rotor dans le cas où '4 est un nombre impair. Les fig. 8 et 9 montrent que si l'on loge les bobines inductrices (mobiles ou tenues fixes) dans les encoches pratiquées dans le rotor, le diamètre extérieur de la machine s'en trouve réduit. I1 est évident que l'on pourrait dans ce cas également conserver les bobines au fond du canal afin de renforcer le flux magnétique inducteur et compenser les inévitables pertes. Les nécessités techniques, mécaniques et électromagnétiques imposeront des limites au rayon du rotor et à la hauteur des dents. La machine simple ci-dessus se trouve donc limitée quant à son diamètre et à sa longueur. Nais cette dernière peut être augmentée en multipliant les machines le long de l'axe : la planche IV montre deux façons d'opérer, celle de la fig. 16 présentant quelques difficultés pour les bobinages en raison des forces électromotrices opposées engendrées dans les barres actives alors que c,elles de la fig. 17 sont plus faciles à bobiner. Dans les deux cas il faut ménager dans les pièces polaires intermédiaires des -passages pour les conducteurs. Dans ces machines, comme dans les machines classiques, les forces centrifuges s'ajoutent aux forces d'attraction électromagnétiques. En enroulant autour d'un axe tel que YY' l'on obtient le mtme genre de machine, non dessiné, où l'organe inducteurs-induit II, fixe central, verrait tourner autour de lui l'organe-transfert I, manchon composite de couronnes dentées en fer et de bronze. Enfin une autre gamme très importante de machines stobtient par enroulement autour d'un axe tel que zzr. La planche III montre les formes des dents pour quelques valeurs de 14 . (Fig. 10, 11, 12, 13, 14 et îsY. Mais il est préférable d'en exposer autrement le principe et les modalités de construction ainsi que les applications. soit, en coordonnées polaires, la courbe d'équation on peut dire que c'est une sinusoïde qui serpente autour a cercle de rayon r@. Elle est contenue dans un anneau plat de rayons r@ - C et r + C; 22 sa période est II. Elle figure une roue dentée avec dents saillantes (fig. n 18) ou une roue dentée avec dents rentrantes (fig. 19) qui peuvent s 'im- briquer l'une dans l'autre. Dessinons dans celle de gauche (fig. 18) un cercle de rayon r@ - C - l - C et coupons une dent sur deux avec une por 22 tion de l'anneau de largeur . Dessinons également autour. de celle de droite (fig. 19) un cercle de rayon r@ + C/2 + l + C/2 et coupons aussi une dent sur deux avec la portion correspondante de 1' anneau de largeur Imbriquées régulièrement 1 'une dans l'autre (fig. 20), découpées dans un disque de matière magnétique à haute perméabilité d'épaisseur voisine de 2C et fixées sur un disque en matière amagnétique, elles forment l'organe I de transfert et de modulation du flux magnétique qui sera le roter. Fig. 21 montre que ces couronnes peuvent être noyées en fonderie dans une pièce en bronze par exemple, de môme densité que le fer des couronnes afin de parfaire 1 'équilibrage dynamique au cas où le nombre n serait impair. L'organe II inducteurs-induit qui sera le stator est, par le dessin, fig. 22 et 23, similaire à ce que l'on obtiendrait par enroulement ci-dessus mentionné autour de lraxe ZZ'. Mais sa construction peut s'effectuer de trois façons différentes exposées plus loin. Les bobines inductrices sont également circulaires au fond des deux canaux circulaires longeant les tôles de l'induit, qui peut être bobiné en mono ou polyphasé (monophasé sur fig. 23). Le principe du fonctionnement est le môme que pour les machines précédentes; mais pour le troisième mode de construction de l'induit il faut modifier la forme des dents de la couronne externe du rotor 10) tes dents ne sont pas égales ni par leur forme ni par leurs aires; pourtant si l'on adopte l'un ou l'autre des deux modes de construction de l'organe II suivants, l'on peut dire qu'elles sont -"magnétiquement équivalentes" (à quelques retouches près à déterminer par le tracé du fan tbme magnétique ou expérimentalement). a) Dans le bâti circulaire en métal non magnétique de la fig. 22 portant dans le fond de son canal un anneau plat en fer doux sont insérées des tôles ayant la forme de la fig. 24 réunies en paque d éventail comme le montre fig. 25 avec serrage d'assemblage en j et cales de séparation non métalliques en bout (les dimensions ont été multipliées par 2 sur ces deux dessins). Chaque paquet correspond à un pas dentaire moins la largeur d'une encoche. L'on voit alors que quelle que soit la position de deux dents successives au-dessus du paquet l'on peut associer les tôles deux à deux de telle sorte que leurs aires réceptrices de flux magnétiques opposés soient égales : donc si le rotor tourne, la quantité de flux d'un sens perdue est remplacée par une quantité de flux égale et de sens opposé et en raison de la forme de la dent cette variation s' effectue suivant une loi sinusoSdale. b) On obtiendrait le môme résultat (fig. 26) en insérant en éventail dans un canal circulaire en acier doux les tôles de l'induit que montre la figure, avec cales de façon que leur disposition soit radiale et en réservant la place des encoches. Dans ces deux modes de construction le taux de couverture des dents se trouve diminué du fait des espaces tildes de 1' éventail. Si le diamètre de la machine augmente cet inconvénient s'atténue et par ailleurs les dents sont de moins en moins différentes. Remarquons que si l'on fait tendre to vers cOl'on obtient la machine rectiligne. 20) Une construction plus avantageuse est la suivante : dans le canal circulaire en acier doux est solidement ancré un induit obtenu en enroulant en spiral une bande de tôle mince isolée en fer de haute perméabilité de façon à créer un manchon feuilleté dans lequel sont taillées les encoches. La fig. 27 montre en perspective un tel stator établi en triphasé. Mais dans ce mode de construction la surface rdeeptrice de flux de l'induit n'étant plus discontinue et les cercles de base des dents du rotor n'étant pas égaux, les éléments de surface entrant en ligne de compte pour la variation du flux ne seraient pas égaux si 1 1on gardait aux dents les formes utilisées ci-dessus. Conservant la forme des dents saillantes, donnée par l'équation R = r@ + C/2 cos2n# pour que les forces électromotrices soient constamment égales et de sens opposés dans les deux brins actifs de la spire il faut que les éléments de surface qui se correspondent sur deux dents successives, distantes angulairement d'un pas dentaire , w soient égaux selon fig. 28 ci- dessous, en désignant par pta)la fonction qui donne le rayon vecteur de la dent rentrante, on devra avoir, avec les notations usuelles- formule qui permet de calculer p pour chaque valeur de 0 et donc de faire le dessin exact de la dent rentrante. L'on pourra donc effectuer le dessin des deux couronnes dentées plates imbriquées régulièrement l'une dans l'autre et construire le rotor. Fig. 29 montre en perspective un tel rotor pour Comme dans le cas de la machine rectiligne, pour neutraliser les intenses forces d'attraction entre ltélément mobile et l'élément fixe la solution eonsiste à compléter la machine par sa symétrique pour le plan médian du disque support des couronnes. Remarquons qu'ici! également l'élément mobils se trouve maintenu en équilibre stable par les lignes de force des champs magnétiques ce qui favorise son centrage. Nais comme le montre la figure 30 schématique ci-dessous nul besoin n'est de matérialiser l'axe du rotor; les deux stators seront assemblés par un bflati central, qui portera également les roulements du rotor. La jante du rotor étant libre, peut recevoir les dentures d'un engrenage ou mieux les aubes dlune turbine. évidemment 1 'on peut multiplier le nombre de machines similaires le long de leur axe, les stators étant réunis par le bâti central, les rotors par leurs jantes avec, si besoin, des éléments de joint élastique. REVENDICATIONS. 1 ) Zouvelle génération de machines électriques génératrices et motrices linéaires et circulaires entièrement réversibles, caractérisées par le fait qu!elles comportent essentiellement deux organes, l'un de transfert et de modulation exact des flux magnétiques inducteurs, l'autre créateur des flux inducteurs et portant à la fois les bobines inductrices, les pâles Nord et Sud inducteurs et l'induit avec ses bobinages mono ou polyphasés. 20) Tachines, selon la revendication 1, où l'organe de transfert et de modulation des flux inducteurs peut également comporter des bobines inductrices, mobiles eu fixes. 30) Machines, selon les revendications 1 et 2, doublées par symé- trie pour un plan afin de neutraliser les forces d'attraction réciproques des organes. 40) Nachines motrices linéaires, selon revendications 1, 2 et 3, plus particulièrement adaptées à la locomotion, où 1 'un eu 1 1autre des ensembles d'organes de dimensions limitées est mobile, l'autre ensemble d' organes de grande longueur étant fixe. Préférentiellement, pour des raisons économiques c'est 1 'organe de transfert des fluX qui sera ltorgane fixe, formant alors un rail. Mais pour des applications particulières c'est l'organe inducteurs-induit qui pourra ventre fixe. 50) Machines selon les revendications 1 et 2 génératrices et motrices tournantes où l'organe de transfert est de forme cylindrique tournant autour de son axe, l'organe inducteurs-induit étant enroulé en manchon autour du premier. Ces machines peuvent être multipliées le long de l'axe de rotation. 60) Machines selon les revendications 1 et 2 génératrices et motrices tournantes où 1 organe inducteurs- induit est fixe, enroulé autour d'un axe, l'organe de transfert étant constitué un un manchon composite coaxial avec le premier et tournant autour de lui. Ces machines peuvent être multipliées le long de l'axe. 70) Machines, selon les revendications 1, 2 et 3, génératrices et motrices tournantes où l'organe de transfert enroulé autour d'un axe revêt la forme d'un disque plat tournant autour de son axe contre 1 organe inducteurs-induit enroulé autour du même axe. Ces machines peuvent ventre multipliées le long de l'axe et les organes de transfert réunis par leurs Jantes à un manchon commun peuvent entre mAs par une turbine dont les aubages mobiles sont portés par ce manchon.