Brevet FR2430121A1 — publié le 19800125

La présente invention concerne une machine électrique à réluctance variable. Bien que des machines à réluctance variable soient connues depuis un siècle au moins, la littérature scientifique et technique est particulièrement pauvre à leur sujet. La raison en est qu'elles n'ont offert que peu d'intérêt pratique, vis-à-vis d'autres types de machines électriques. En effet, les machines à réluctance variable connues ont une puissance massique défavorable et un rendement extrêmement modeste, principalement dû aux pertes par hystérésis magnétique dans les matériaux ferro-magnétiques et par courants de Foucault dans tous les matériau: conaucteurs constitutifs de la machine. Dans la pratique, on ne rencontre donc généralement de telles machines que sous forme de moteurs d'une puissance bien inférieure à 1 kW et avec un couple de démarrage particulièrement bas, voire nul. L'invention permet de pallier les désavantages susmentionnés. Une machine à réluctance variable selon l'invention est du type constitué par au moins : une partie fixe; une partie mobile; des inducteurs sur l'une de ces parties et une pièce polaire sur l'autre; et un circuit pour l'alimentation séquentielle desdits inducteurs. Elle se caractérise principalement en ce que lesdits inducteurs sont à tout moment magnétiquement isolés l'un de l'autre quels que soient la position de ladite pièce polaire et l'état dudit circuit d'alimentation. Par inducteur il faut entendre soit un générateur de champ magnétique unique, soit deux ou plusieurs générateurs disposés dans le prolongement l'un de l'autre (générateurs co-axiaux, diamétralement opposés etc...) et alimentés simultanément. Par "magnetiquement isolés" il faut comprendre que le milieu séparant deux inducteurs quelconques dans la machine pré- sente une résistance magnétique largement supérieure (de 20 à 30 fois au moins) à celle des entrefers usuels en électrotechnique. De préférence, chaque inducteur d'une machine selon l'invention est dote d'une alimentation propre, indépendante de celle des autres inducteurs. Pour plus de clarté, l'invention est decrite ci-après avec référence aux dessins illustratifs et non restrictifs annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue schématique d'une machine selon l'invention; la figure 2 représente l'une des nombreuses variantes d'exécution d'un entrefer variable, conformément à l'invention; la figure 3 représente schématiquement une autre variante encore de réalisation; la figure 4 montre une réalisation pratique de l'invention, de façon simplifiée; la figure 5 est une coupe selon la ligne V-V de la figure 4; et la figure 6 montre le principe du circuit d'alimentation de la machine selon les figures 3 et 4. Dans la suite de l'exposé, on ne considèrera la machine que dans sa forme "moteur", la forme "générateur" étant ensuite aisément déductible par l'homme du métier. Dans un moteur à réluctance variable, la force motrice mécanique résulte d'une variation de réluctance provoquée par une variation de géométrie d'un circuit magnétique. Cette variation resulte d'une diminution d'entrefer. L'invention repose principalement sur deux options 1.- pour une variation d'entrefer donnée, il faut employer la quantité minimale possible de fer, c'est-à-dire la quantité déterminée par la section magnétique désirée et la longueur strictement nécessaire pour entourer le cuivre nécessairement présent; il faut donc réaliser des circuits séparés pour chaque élément moteur de la machine, respectivement pour chaque entrefer variable; 2.- les parties du moteur n'ayant que des fonctions de rigidité et de résistance mécanique doivent être réalisées en matériaux non magnétiques et non conducteurs, de manière à éviter toutes pertes hystérésis et par courants de Foucault. La figure 1 illustre ces principes. Un stator 1 en une matière synthétique appropriée supporte trois inducteurs 2, 3 et 4, chacun pourvu de son propre circuit d'alimentation/commutation, respectivement 2, 6 et 7. Dans le stator 1 est logé un rotor 8, constitue par un disque en matière synthétique portant deux pièces polaires, respectivement 9 et 10. Ce rotor est calé sur l'arbre moteur 11. On voit immédiatement que les circuits magnétiques séquentiellement engendrés par les inducteurs 2-4 sous le contrôle des circuits 5-7 sont magnétiquement isolés l'un de l'autre. Cette dernière expression signifie que l'entrefer qui les sépare est très largement supérieur aux entrefers usuels en électrotechnique. On remarquera également que l'on utilise ici les lignes de flux magnétique extérieures aux bobines 2-4, contrairement à la pratique usuelle (lignes de flux extérieures; lignes situées à l'extérieur d'un volume-enveloppe fictif dans lequel s'inscrit l'inducteur). Chaque pièce polaire 9 et 10 a-une longueur au moins égale à celle d'un inducteur 2-4 et préférablement légèrement supérieure à cette dernière. Dans ce cas, la différence de longueur permet à coup sur d'effectuer les commutations lorsque les entrefers sont minimum. Afin d obtenir un couple constant, ou variant peu, il est sounaitable que le rapport du nombre d'inducteurs à celui de pièces polaires soit égal à celui de deux nombres premiers entre eux. On obtient ainsi que le nombre de pas moteurs par tour est egal au produit de ces deux nombres premiers. Ces derniers seront évidemment choisis en fonction des cas d'espèce. Une particularité d'un moteur selon l'invention est d'offrir un couple statique très important, pouvant facilement atteindre 550% et plus du couple dynamique. Ceci est particulièrement important dans de nombreuses applications (entraInement de tables, de machines-outils etc.). La courbe couple dynamique-vitesse est très raide à bas régime, c'est-à-dire que la vitesse varie peu lors d'une grande variation du couple résistant. A couple constant, la vitesse est proportionnelle à la tension et ce dans une large plage de vitesse, avec comme conséquence une grande facilité de réglage de la vitesse. I1 est évident qu'un moteur selon l'invention peut être réalise dans des géométries et des conformations diverses. Le stator peut être externe (figures 1 et 2) ou interne (figures 4 et 5 décrites ultérieurement). Le moteur peut également être realisé comme moteur linéaire, tel que schématiquement représenté à la figure 3. Dans ce cas, le "stator" est un rail 12 contenant une pluralité de pièces polaires 13, tandis que le "rotor" est un véhicule 14 contenant des inducteurs 15. Il est evident que toutes les permutations sont possibles : l'élément 14 pourrait être fixe et l1êlément 12 mobile; l'élément 14 pourrait porter les pièces polaires et l'élément 12 une pluralité d'induc teurs etc. Dans l'exemple de la figure 2, les inducteurs sont constitués par des bobines toriques 15 et les pièces polaires par des éléments tubulaires 16 venant successivement coiffer lesdites bobines. L'utilisation de matières synthétiques offre de très nombreux avantages - diminution des pertes par hystérésis; - suppression totale des pertes par courants de Foucault dans les parties portantes; - diminution notable du poids; - aspect extérieur présentable sans finition; - bonne isolation électrique; - diminution du nombre de pièces; - suppression des vibrations entre pièces métalliques; - résistance à la corrosion; - facilité de construction; - diminution du coût de fabrication. I1 est entendu que de nombreuses matières peuvent entrer en considération. La composition ci-après n'est donc donnée qu'a simple titre indicatif. résine thermodurcissable époxy (GY 250) 100 parties en poids *durcisseur (HY 830) 30 parties en poids durcisseur (HY 850) 30 parties en poids charge : calcaire 0,3 a 0,7 mm 400 parties en poids. (charge de rupture : 1 kg/mm2; modulé d'élasticité : 713 kg/mm2). Les possibilités et avantages sus-mentionnés sont illustrés par l'exemple pratique des figures 4 et 5. Dans ce cas, le moteur forme partie d'une roue pouvant équiper par exemple un caddie de golf. Le stator 1 est réalisé par injection, sous forme d'un disque annulaire dans lequel sont noyés trois inducteurs 2-4 et trois capteurs 17 (dont un seul est représenté). Ce stator 1 est boutonné a un porte-fusée 18, avec fusée 19. Le rotor 8, externe, est un élément annulaire dans lequel sont noyées en l'occurrence dix pièces polaires 13. I1 est doté d'une gorge périphérique 20 formant jante pour recevoir un pneu (non représenté). Le rotor 8 est fixé aux extrémités de branches 21 s'étendant en étoile a partir d'un moyeu 22 monté sur la fusée 19 a l'intervention de deux roulements 23 et de l'écrou de retenue 24. L'ensemble peut être monté tel quel sur un caddie par exemple. A remarquer que, vu les caractéristiques du moteur selon l'invention, aucun réducteur de vitesse n'est requis. Le circuit d'alimentation/commutation de ce moteur est du type schématisé à la figure 6. Une batterie 25 fournit le courant nécessaire. Les signaux provenant de chaque capteur 17 (optique, de proximité ou autre) sont amplifiés par l'amplificateur 26, protégé par un limiteur d'intensité 27. De par son principe, un moteur selon l'invention ne peut accepter les circuits classiques de suppression des surtensions aux bornes des inducteurs, car ceux-ci augmenteraient les constantes de temps de façon inacceptable. C'est pourquoi, selon une caractéristique de l'invention, le circuit de suppression est principalement constitué par une résistance V.D.R. 23 (du type utilise dans les téléviseurs). Le circuit sus-décrit se répète pour les inducteurs 3 et 4. Un rhéostat 29 permet de faire varier l'intensité du courant d'alimentation. I1 est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées à ce circuit, décrit à titre indicatif. L'invention se prête particulièrement à une construction modulaire. En effet, on peut aisément réaliser une série d'ensemblés stator-rotor d'une puissance nominale unitaire, et caler un nombre voulu de tels ensembles sur un axe commun afin de réaliser un moteur de puissance voulue. Un même circuit intégré peut alors servir pour tous les moteurs, quel que soit le nombre de modules qu'ils contiennent. Chacun desdits modules peut être constitué par exemple par deux inducteurs diamétralement opposés sur une partie fixe externe, et par une pièce polaire s'étendant selon le diamètre de la partie mobile interne (moteur circulaire), lesdits inducteurs étant simultanément alimentés. Dans ce cas, une isolation magnétique est à prévoir entre les modules. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Machine à réluctance variable, du type constitué par : une partie fixe ; une partie mobile sur l'une de ces parties, des inducteurs et sur l'autre, au moins une pièce polaire ; et un circuit d'alimentation séquentielles desdits inducteurs, ces derniers étant à tout moment magnetiquement isolés l'un de l'autre quelles que soient la position de la pièce polaire et l'alimentation, caractérisée en ce que le déplacement de la pièce mobile s'effectue dans la direction des vecteurs induction, eux-mêmes orthogonaux à l'axe de la machine. 2) Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie fixe ou stator est cylindrique, porte lesdits inducteurs et est entourée par ladite partie mobile ou rotor. 3) Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la quantité de fer qu'elle contient est minimum, ce minimum étant déterminé par la section magnétique désirée, d'une part, et par le fait qu'il faut pouvoir entourer le cuivre nécessairement présent, d'autre part. 4) Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit cirucuit d'alimentation comprend au moins un détecteur de positionnement des inducteurs par rapport à la ou les pièces polaires ou vice-versa un amplificateur de courant provenant dudit détecteur un limiteur d'intensité du courant d'alimentation du circuit et un limiteur de surtension aux bornes des enroulements des inducteurs. 5) Machines selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisée en ce que les parties fixes et mobiles, avec les éléments qu'elles portent, sont réalisées sous forme d'un ensemble modulaire, deux ou plusieurs tels ensembles pouvant être calés sur un même arbre afin de constituer un moteur de la puissance requise.