Brevet FR2443760A1 — publié le 19800704

La présente invention concerne un alternateur sans balais, plus particulièrement, l'invention a trait à un alternateur destiné à être installé à bord de véhicules automobiles pour alimenter divers appareils auxiliaires tels que : essui-glaces, installations d'éclairage et de signalisation, etc., sans exclure pour autant l'allumage du moteur à combustion interne du véhicule. Les alternateurs sans balais sont principalement utilisés sur des véhicules industriels soumis à d'éprouvantes conditions de fonctionnement qui comportent fréquemment des conditions d'ambiance difficiles dues à la présence de poussière, d'eau, de boue et autres agents atmosphériques, ce qui n'exclut pas non plus l'éventualité d'explosions. Par conséquent, il est indispensable que la réalisation de ces alternateurs tienne compte de ces exigences et, en particulier, il faut éviter l'usage de contacts à frottement entre stator et rotor de l'alternateur, car de tels contacts sont sujets à usure et exigent un entretien et une surveillance continus, afin d'assurer la continuité de la conductivité électrique entre les parties fixes et les parties tournantes des contacts à frottement. Le but de l'invention est de réaliser un alternateur sans balais dans lequel, selon le mode connu, les enroulements d'excitation sont logés dans le stator afin l'éliminer les balais, la fabrication, surtout pour ce qui concerne l'usinage mécanique et tout particulièrement les tolérances exigées pour l'usinage entre le rotor et le stator, étant facilitée tout en garantissant par ailleurs une constante des caractéristiques magnétiques du circuit d'excitation de l'alternateur. Dans l'alternateur suivant l'invention, l'enroulement d'excitation, qui comporte comme il est dit plus haut un stator, est combiné avec un circuit magnétique qui comprend des couronnes dentées rotatives, solidaires de l'arbre de l'alternateur, afin de constituer ainsi la couronne polaire dudit alternateur, celui-ci étant caractérisé en outre par le fait que le circuit magnétique d'excitation comporte, en combinaison avec l'enroulement inducteur y relatif, au moins un aimant permanent, ce qui permet de réaliser un alternateur à excitation hybride dans lequel le flux magnétique obtenu par les enroulements est combiné avec le flux magnétique constant de l'aimant permanent. Il est avantageux que l'aimant permanent soit intercalé dans au moins une partie du circuit magnétique du rotor, et de préférence entre les éléments qui constituent la roue polaire. Suivant une forme particulièrement avantageuse de réalisation dudit alternateur, le stator comporte un tambour dans lequel se loge l'enroulement d'excitation et qui se termine à son extrémité par des surfaces annulaires coaxiales qui coopèrent, à travers des entrefers radiaux, avec des surfaces périphériques formées sur un corps cylindrique solidaire du rotor et relié magnétiquement aux deux couronnes dentées qui constituent la couronne polaire de l'alternateur, un aimant permanent annulaire étant agencé entre ces couronnes. Pour pallier certains inconvénients que l'on constate lorsqu'on adopte l'excitation hybride, surtout pour ce qui concerne la nécessité d'annuler, dans des conditions particulières, le flux total qui parcourt le circuit magnétique et pour éviter, par conséquent, l'instabilité de l'excitation, l'invention prévoit de combiner l'enroulement d'excitation de l'alternateur avec un second enroulement de sens contraire qui constitue un enroulement de contre-excitation destiné à contrarier le flux engendré par l'aimant permanent. Il est évident qu'un tel enroulement de contre-excitation est pourvu d'un régulateur de tension correspondant placé en série avec l'enroulement inducteur de l'alternateur. L'invention sera maintenant expliquée au cours de la description détaillée qui suit, en se référant au dessin annexé, donné uniquement à titre d'illustration, non de limitation. Sur le dessin: La FIGURE 1 est une coupe axiale d'un mode préféré de réalisation de l'alternateur suivant l'invention; La FIGURE 2 est un schéma des circuits magnétiques et électriques de l'alternateur. Si l'on se réfère aux Figures du dessin, on voit que le stator A de l'alternateur est constitué par une carcasse annulaire 10 fermée à une extrémité par un fond ou paroi terminale 12 qui présente un logement pour recevoir un roulement à billes 14 qui supporte le rotor B, l'autre roulement à billes 16 pour l'arbre d'entraînement du rotor étant logé dans un couvercle 18 dont le bord extérieur présente un paulement permettant d'y loger une extrémité d'un empilage annulaire de toles magnétiques 20 qui constitue le stator proprement dit de l'alternateur, et qui porte selon le mode connu les enroulements qui engendrent le courant alternatif. Autre extrémité de l'empilage de tôles 20 se loge partiellement dans une feuillure annulaire formée dans le rebord 22 de la carcasse 10, tandis que des vis 24 qui traversent le couvercle 18 assurent le serrage nécessaire dudit empilage de tôles magnétiques 20 entre le couvercle 18 et la carcasse 10, ce qui garantit la coaxialité entre les composants du stator A, mentionnés ci-dessus, et ceux du rotor B. La paroi du fond 12 de la carcasse 10 présente un autre embrè vement central qui reçoit un anneau 26 en matériau magnétique à perméabilité magnétique élevé, lequel est associé à un tambour 28 également en matériau magnétique et à haute perméabilité magnétique. Il est évident que ces deux pièces pourraient constituer un seul élément pour satisfaire tour à tour les exigences d'utilisation. Le tambour 28 présente à ses extrémités d'un cté une bride de centrage 30 qui s'ajuste sur la périphérie de l'anneau 26 et du côté opposé une partie annulaire à section radiale biseautée 32; cette partie, comme on le verra par la suite, constitue une expansion polaire annulaire par rapport au rotor B, dont elle est concentrique. Entre un épaulement formé à l'intérieur du tambour 28 en regard de ladite expansion polaire 32 et l'anneau 26 sont disposés deux enroulements B1 et B2 retenus par une bobine 36 en matière électriquement isolante et dont les extrémités 38 font saillie à I'extérieur à travers la paroi du fond 12. Ces enroulements sont reliés aux régulateurs de tension correspondants R1 et R2, qui contrôlent le premier la tension d'excitation de l'alternateur et le second, comme on le verra plus loin, la tension de contre-excitation afin d'assurer un contrôle complet du flux magnétique total Fu qui circule dans la roue polaire de l'alternateur. En bref, cet alternateur comporte une excitation de type particulier, ainsi qu'il sera expliqué ultérieurement. Les différents composants que l'on vient d'indiquer et qui maintiennent en place les deux enroulements, à savoir un enroulement d'excitation B1 et un enroulement de contre-excitation'B2, sont réunis et rendus solidaires de la carcasse 10 grâce à deux vis 40 qui traversent le fond 12 de cette carcasse. Le rotor B de l'alternateur comprend un corps cylindrique ou noyau 42 en matériau à perméabilité magnétique élevée, lequel est calé sur l'arbre 44 de l'alternateur et se loge avec un jeu très limité à l'intérieur de l'anneau 26, pour former un premier entrefer T7, et avec un jeu plus important à l'intérieur de la bobine 36. Le noyau 42 qui s'étend en direction de l'empilage de tôles 20 présente un tronçon 45 de diamètre sensiblement inférieur et dont la surface est dentée ou crenelée afin de permettre un calage énergique d'une bague 46 en matériau amagnétique, par exemple en bronze, aluminium ou similaire, dans un but qui sera exposé ci-après. A l'intérieur de l'empilage de toles 20 est placé, avec un jeu minimal, le rotor ou roue polaire de l'alternateur, constitué par deux parties tournantes en matériau à haute perméabilité magnétique, l'une, désignée en 48, étant calée sur l'arbre 44 afin qu'elle porte avec l'une de ses faces avec un contact métal sur métal contre la face en regard du tronçon crénelé 45, tandis que l'autre partie, désignée en 50, est calée sur le rotor par l'intermédiaire de la bague 46. Plus précisément, la face interne de la partie tournante 50 présente un collet 52 calé sur cette bague amagnétique 46 et pénètre avec un jeu extrêmement limité dans l'expansion polaire 32 du tambour 28 pour former un second entrefer T2.Les bords périphériques des pièces rotatives 48 et 50 constituent des couronnes dentées de manière à former alternativement les paires de pâles de l'alternateur qui sont placés en regard et séparés par un jeu limité de la surface périphérique interne de l'empilage de tôles 20 afin de former un troisième entrefer T3. Pour réaliser les buts qui seront exposés ci-après, les deux parties tournantes 48 et 50 sont calées de telle sorte que leur distance relative soit correctement fixée par un élément annulaire 58 enfilé sur la bague 46 et serré entre les deux parties tournantes 48 et 50, cet élément annulaire 58 étant constitué par un aimant permanent annulaire capable, en raison de sa position particulière, de créer à la périphérie du rotor une succession de polarités N et S. Si l'on tient compte de ce qui précède et suivant la présente invention, l'alternateur décrit peut être défini comme étant un alternateur à excitation hybride du fait qu'il utilise deux systèmes concordants d'excitation, à savoir un système variable engendré par l'enroulement B7 et contralé par le régulateur de tension R1, et un système constant engendré par l'aimant permanent 58. L'enroulement d'excitation B1, porté par le stator A de l'alternateur, est alimenté selon le mode connu par l'intermédiaire du régulateur R1. En revanche, l'aimant permanent 58 est porté par le rotor B. L'excitation hybride vise à compenser, grâce à l'aimant permanent 58, la perte de flux magnétique qui se produit dans les entrefers supplémentaires T1 et T2, afin de conférer à l'alternateur sans balais des rendements comparables à ceux des alternateurs traditionnels correspondants mais équipés de balais. En outre, en raison de-la présence constante du flux engendré par l'aimant permanent 58, on obtient une diminution sensible de la vitesse de fonctionnement à partir de laquelle l'alternateur commence à fournir un courant utilisable pour assurer l'alimentation en courant du ou des appareils qu'il doit alimenter, ce qui augmente singulièrement le domaine d'utilisation de l'alternateur suivant l'invention en comparaison des alternateurs traditionnels correspondants équipés de balais. D'autre part, l'excitation hybride peut rendre critique en particulier la régulation de la tension électrique produite par l'alternateur, qui s'effectue selon le système connu ON-OFF(système interrupteur ou système "en-circuit"/"hors-circuit"), du fait qu' une régulation agit uniquement sur un flux, en l'espèce celui F1 engendré par l'enroulement B1, même s'il s'agit du flux ayant la plus grande importance, mais sans pouvoir influencer d'aucune façon le flux ajouté F3 (variable de 20% à 30% du flux total utile Fu) lequel, étant engendré par l'aimant permanent 58, est constamment présent, quelles que soient les conditions de fonctionnement de l'alternateur.Il s'ensuit que la régulation de la tension débitée par l'alternateur peut devenir instable et même chuter par défaut en présence de grandes vitesses de rotation et d'une demande limitée d'énergie électrique. La présente invention prévoit, pour obvier à de tels inconvénients, un second système de régulation lequel, grâce à un second enroulement B2 dont l'alimentation est controlée par le régulateur de tension R2, intervient, lorsque se présentent lesdites conditions critiques de fonctionnement de l'alternateur, par l'entremise d'un flux de contre-excitation F2 de façon à s'opposer au flux de l'aimant permanent 58. Le flux inducteur utile dans le circuit magnétique décrit ci-dessus est donc déterminé par Fu/F1-F2+F3, où F1,F2 et F3 correspondent respectivement au flux engendré par l'enroulement B1, au flux engendré par l'enroulement B2 et au flux engendré par l'aimant permanent 58. il résulte donc que le flux Fu peut ainsi atteindre des valeurs plus adéquates et opportunes pour assurer un fonctionnement correct de l'alternateur. En réalité, il convient de souligner le fait que la valeur de F3, qui apparat dans la formule sus-indiquée, n1 est pas constante. En effet, le flux engendré par l'aimant permanent 58 est confronté à deux circuits magnétiques en parallèles, représentés Figure 2, à savoir : le circuit comprenant l'induit 20 et le circuit comprenant l'inducteur B. Le circuit magnétique de l'inducteur B a cependant des dimensions telles qu'il est à la limite de la saturation lorsque le flux F1 atteint sa valeur maximale (condition d'excitation maximale), ce circuit magnétique offrant dans cette condition une réluctance maximale au flux F3 de l'aimant permanent 58 dont la presque totalité s'applique au circuit d'induit 20. Lorsque le flux F1 diminue par suite de la régulation assurée par le régulateur R1, la réluctance diminue tandis qu'augmente la partie du flux F3 de l'aimant permanent qui est dérivée vers le circuit de l'inducteur 20, ce qui facilite la régulation proprement dite. La partie du flux F3 atteint sa valeur maximale lorsque F1 est égal à zéro, et ce maximum peut atteindre la valeur-limite égale à F3 en supposant qu'il y a une égalité parfaite (difficilement réalisable en pratique) entre les réluctances respectives des deux circuits magnétiques mis en parallèle. Cela explique comment, pour contrôler la partie résiduelle de flux qui concerne le flux F3 de l'aimant permanent et qui intéresse le circuit d'induit 20, il suffit d'avoir une force magnéto-motrice antagoniste de valeur limitée engendrée dans l'enroule- ment de contre-excitation B2. Il est ainsi possible de réaliser des rendements qui résultent être de 70% par rapport à ceux que l'on peut obtenir avec les alternateurs usuels. De plus, étant donné la structure du circuit magnétique de l'alternateur suivant l'invention, les entrefers T1, T2 et T3 de ce circuit sont tous du type radial et constitués par des surfaces cylindriques coaxiales ou concentriques à l'axe de l'inducteur B, ce qui non seulement supprime les poussées magnétiques axiales mais permet d'obtenir des tolérances d'usinage mécanique très poussées qui, dans l'application pratique, peuvent atteindre jusqu'à quelques dixièmes de millimètre. Grâce à ces caractéristiques, il est possible d'appliquer, dans la réalisation de l'alternateur suivant l'invention, des critères d'usinage et de fabrication à la fois rationnels et satisfaisants; par exemple, on peut soumettre tant le rotor que le stator à des opérations de finition (par exemple de rectification) alors que les divers composants sont déjà montés et assemblés, ce qui confère une coaxialité parfaite entre le rotor et le stator. Bien entendu, diverses variantes et modifications pourront être apportées à l'alternateur suivant l'invention, en tenant compte des exigences imposées selon les cas. Par exemple, la roue polaire 48, 50 peut être combinée avec deux enroulements de champ disposés de chaque côté de cette roue pour obtenir ainsi une structure symétrique, tandis que les deux groupes d'enroulements B1 et B2 devront être disposés de façon à engendrer des flux magnétiques de sens contraire En outre, l'inducteur B pourra etre muni d'aimants permanents ayant des caractéristiques appropriées, par exemple des aimants permanents à base de ferrite, de terres rares eut de cobalt, etc. Ces variantes et modifications, et d'autres encore qui pourraient venir à l'esprit des spécialistes dans l'art, ne s'écartent pas des 1 principes de base de l'invention et restent donc dans le domaine de protection de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Alternateur sans balais, dans lequel l'enroulement d'excitation est porté par le stator et combiné avec un circuit magnétique comprenant des couronnes dentées qui constituent la roue polaire de l'alternateur, caractérisé en ce que son circuit magnétique d'excitation comprend, en combinaison avec l'enroulement correspondant d'excitation (B1), au moins un aimant permanent (58) afin de réaliser une excitation hybride dans laquelle le flux magnétique engendré par ledit enroulement (B1) est combiné avec le flux magnétique constant dû à l'aimant permanent. 2. Alternateur selon la Revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie au moins des aimants permanents (58) est intercalée dans le circuit magnétique du rotor (B). 3. Alternateur selon l'une quelconque des Revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un tambour (28) dans lequel se loge l'enroulement d'excitation (B1) et qui se termine à une extrémité par des surfaces annulaires coaxiales (26, 32) qui coopèrent magnétiquement à travers des entrefers du type radial (T1 et T2) avec des surfaces périphériques d'un corps cylindrique (42, 45) solidaire du rotor (B) et relié magnétiquement à ses couronnes dentées (48, 50) qui constituent la roue polaire de l'alternateur, couronnes entre lesquelles est disposé au moins un élément séparateur constitué par un aimant permanent de forme annulaire (58). 4. Alternateur selon 1 'une quelconque des Revendications 1 à 3, caractérisé en ce que son circuit magnétique présente un entrefer (46) de valeur considérable, compris entre l'extrémité périphérique du corps cylindrique précité (42, 45) du rotor (B) et un corps annulaire (52) en matière à haute perméabilité magnétique, accouplé avec contact métal sur métal à une (50) des couronnes dentées (48, 50) de la roue polaire de l'alternateur, ce corps annulaire délimitant avec l'extrémité annulaire (32) dudit tambour (28) un des entrefers (T2) du circuit magnétique de l'alternateur. 5. Alternateur selon la Revendication 4, caractérisé par une bague (46) en matériau amagnétique, calée sur une des extrémités du corps annulaire (42, 45) et qui maintient avec un calage énergique un corps annulaire (52) solidaire d'une (50) des couronnes dentées (48, 50) de la roue polaire, de façon que ces pièces délimitent entre elles et successivement deux entrefers du type radial dont le premier (T2) a une faible épaisseur tandis que le second (46) a une épaisseur importante par rapport au premier. 6. Alternateur selon l'une quelconque des Revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tambour (28) prévu pour l'enroulement a'excitation (24) est fermé à son extrémité opposée par un anneau (26) a haute perméabilité magnétique, cet anneau et la couronne dentée (32), ue présente l'autre extrémité dudit tambour, retenant conjointement enroulement de champ et délimitant entre eux les deux entrefers (T1 t T2) prévus entre le rotor (B) et le stator (A). 7. Alternateur selon l'une quelconque des Revendications 1 6, caractérisé en ce que l'une des couronnes dentées (48) est calée -rectement sur l'arbre (44) de l'alternateur et retient magnétiquement L'extremité du corps cylindrique (42 45a solidaire dudit arbre, tandis mle autre couronne polaire (50) présente latéralement un corps annulaire (52) calé par l'intemédiaire de la bague (46) en matériau amagnétique sur le corps cylindrique (42, 45) du rotor. 8. Alternateur selon l'une quelconque des Revendications 1 N 7, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison avec au moins une partie de l'enroulement d'excitation, un enroulement supplémentaire de contre-excitation (R2) destiné à contrôler le flux magnétique résultant dudit circuit magnétique. 9. Alternateur selon l'une quelconque des Revendications 1 à 8, caractérisé en ce que son circuit magnétique est double et disposé rymetriquement de part et d'autre des couronnes dentées (48, 50) de la roue polaire, tandis que les enroulements d'excitation (B1) sont disposés de façon à engendrer, dans ladite couronne dentée, des flux manoétiques concordants, les enroulements de contre-excitation (B2) étant placés d'un seul caté ou symétriquement sur les deux côtés, de façon à engendrer dans tous les cas un flux constamment antagoniste par rapport à celui engendré par les enroulements