Brevet FR2456407A1 — publié le 19801205

La présente invention est relative à un moteur électrique à courant continu, asynchrone à cage d'écureuil, à vitesse réglable sans discontinuité dans une large plage, pouvant travailler en immersion dans les Océans jusqu'aux plus grandes profondeurs, conçu principalement pour entraînerod'une part, les pompes, les centrales hydrauliques, les treuils et toute autre machine qui opèrent dans l'eau ou dans les environnements les plus difficultueux, d'autre part1 les systèmes de propulsion, dans la mer ou sur le fond, des engins sous-marins de grande profondeur. En l'état actuel de la technique, les sources d'energie utilisées pour alimenter les engins sous-marins autonomes sont constituées pratiquement par des batteries d'accumulateurs. Pour transformer l'énergie fournie.par cellesci en énergie mécanique, le moyen le plus simple est le moteur à courant continu à balais. Le fonctionnement en immersion de ce moteur, les balais étant plongés dans un liquide isolant neutre en équipression avec le milieu extérieur, n'est plus satisfaisant à grande profondeur. L'utilisateur est alors naturellement conduit à employer des moteurs sans balais, c'est-à-dire pratiquement des moteurs asynchrones triphasés à cage d'écureuil. Mais comme la source d'énergie fournit du courant continu, il est nécessaire pour alimenter les moteurs de faire appel à des convertisseurs courant continu- courant alternatif triphasé. Les convertisseurs tournants ( groupe moteur-générateur, commutatrice), lourds et devant être installés dans une enceinte résistant à la pression hydrostatique omnidirectionnelle, peuvent être difficilement utilisés. En plus des traversées de coque relatives aux c bless, toujours délicates, ils conduiraient à un devis de poids prohibitif. I1 est donc pratiquement fait appel à des convertisseurs statiques à thyristors. Les batteries d'accumulateurs et les moteurs étant à l'extérieur, il est logique de placer ces convertisseurs électroniques également à l'exté- rieur, sous liquide neutre isolant en équipression avec le milieu ambiant, afin de limiter les traversées de coque aux seules télécommandes, tout en minimisant le devis de poids. Alimenté par des tensions de fréquence f, le moteur triphasé à cage d'écureuil, ayant 2 p pâles, tourne normalement à une vitesse N' = / (1-g) , g étant le glissement. Cette relation montre que, pour changer la vitesse, à f donnée, il faut changer le nombre de p8les. Pour obtenir une variation continue de N', il faut faire varier sans discontinuité le glissement g, la fréquence ne changeant pas, ce qui conduit pratiquement, dans le cas d'un rotor à cage d'écureuil, à réduire la valeur des tensions d'alimentation. Mais alors, pour qu'à la vitesse où les échauffements du stator sont les plus forts ces derniers restent tolérable il faut surdimensionner le moteur. On peut encore, ce qui est préférable, faire varier la fréquence d'ali mentation. Or, en l'état actuel de la technique, le rendement du convertiss statique courant continu-courant alternatif triphasé à thyristors à fréquen réglable, diminue considérablement en même temps que la fréquence de sortie De plus, des difficultés de construction, qui augmentent avec la puissa ce de l'appareil envisagé, apparaissent.En effet, le convertisseur doit pré ter les caractéristiques suivantes - encombrement et densité aussi réduits que possible. - diffusion correcte des calories engendrées. - bonne compatibilité entre les organes de puissance à haute intensité et 1 informations de commande à courants très faibles. - composants à fort coefficient de sécurité. - réalisation modulaire très accessible, permettant une maintenance aisée. Enfin, le même appareil, auto-résistant à la pression, placé dans un co fre sous liquide neutre en équipression avec le milieu ambiant, devient encombrant. Le but de la présente invention est d'éliminer tous les inconvénients qui viennent d'être rappelés ci-dessus, en faisant appel à un moteur électr que de conception nouvelle. En effet, le moteur à courant continu, asynchrone à cage d'écureuil, à vitesse réglable sans discontinuité dans une large plage, pouvant travaille en immersion dans les Océans jusqutaux plus grandes profondeurs, est alimen té directement par une source de courant continu, une batterie d'accumulate par exemple. Dans ces conditions, non seulement il supprime l'emploi du convertisseu et tous ses inconvénients, y compris les pertes d'énergie, mais encore il présente, par rapport au moteur asynchrone triphasé à cage d'écureuil, des avantages importants dans le domaine de la conduite. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui sus9. Des modes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentés, à titre d'exemples non limitatifs, par les dessins annexés. La figure 1 est un plan schématique d'ensemble de l'invention, donnant en particulier la distribution des courants électriques dans les différents circuits du moteur à un instant donné. Pour faciliter les raisonnements, le bobinage du stator du moteur M est supposé réalisé selon la disposition en " anneau ". La figure 2 est une perspective schématique vue suivant l'axe de l'arbr du moteur, avec les mêmes conventions que dans la figure 1 pour le bobinage du stator. La figure 3 est une perspective schématique du rotor et du stator avec un bobinage correspondant à la réalisation pratique selon le mode en " tambour " ou SIEMENS La figure 4 donne une vue générale de coté et de face dlune forme de réalisation du moteur. La figure 1 montre que, à partir de la source de courant continu E , E le cible d'alimentation en courant continu S traverse en A, par un disposition tronconique à joint étanche, la plaque de fermeture d'un cylindre métallique B, à extrèmité hémisphérique, pouvant résister à des pressions extérieures hydrostatiques omnidirectionnelles dont la valeur est fixée en principe par la profondeur océanique de travail du moteur, de l'ordre de 600 bars par exemple, compte non tenu du coefficient de sécurité, Si le moteur doit normalement travailler en immersion à 6.000 mètres de profondeur. Le cylindre B recouvre et protège du milieu ambiant nn petit moteur m à courant continu ou " moteur-pilote ", fixé sur la plaque de fermeture par des tiges métalliques et dont l'arbre porte - deux bagues collectrices c et c sur lesquelles viennent s'appuyer deux balais b et b'. - en bout d'arbre, un manchon cylindrique sur lequel sont fixés, aux extrèmités d'un même diamètre, deux balais b1 et b'1 reliés électriquement respectivement aux bagues collectrices c et c' Les balais b1 et b'1 , entrainés en rotation par le moteur m, sont appliqués sur un collecteur à lames cylindrique t ou 1 distributeur ", dont l'axe coïncide avec celui de l'arbre du moteur d'entrainement. Ce distributeur est réalisé exactement comme le collecteur à lames de l'induit d'une dynamo bipolaire à courant continu. Chaque lame est reliée à un conducteur. L'ensemble de ces conducteurs forme un cible qui sort du volume étanche limité par le cylindre B à travers le dispositif tronconique à joint étanche A Chaque conducteur aboutit à une section déterminée du bobinage fermé sur lui-même du stator du moteur asynchrone proprement dit M, travaillant dans le milieu ambiant, en appelant " section 1l l'ensemble des conducteurs du stator rencontrés successivement pour aller d'une lame du distributeur à la suivante le long de l'enroulement. Ainsi qu'il a déjà été dit, ce bobinage est réalisé comme celui d'un induit de dynamo à courant continu selon le mode en " tambour 1t ou SIEMENS. Dans celui-ci, comme il est connu, il y a, en gros, deux types d'enroulement 1' " enroulement imbriqué " ou " en boucles ", l'enroulement ondulé " ou " en ondes ", les conducteurs étant logés, dans le cas du present moteur, dans des encoches réparties à la périphérie d'entrefer et taillées suivant des génératrices du cylindre que représente la surface interne du stator, ainsi que le montre la figure 3 Cependant, comme il a déjà été dit, il est commode pour l'étude de ce type de bobinage, de supposer qu'il est réalisé selon la disposition en ll anneau ": hélice enroulée sur un circuit magnétique en forme de tore cy lindrique ( figures 1 et 2 ). C'est là une représentation conventionnelle simple qui facilite les raisonnements et n'altère pas la façon dont on re: compte des phénomènes. Dans ces conditions, le raccord du conducteur qui part d'une lame du distributeur à la section concernéeJdu bobinage du statoi e fait exactemen suivant la m8me procédure que celle qui serait suivie dans une dynamo bip laire à courant continu à induit bobiné en " anneau " pour relier les lam du collecteur au bobinage fermé sur lui-même de l'induit. Pour plus de simplicité dans l'éxécution du schéma de la figure 2, le distributeur représenté ne comporte que huit lames. En réalité et comme le montre la figure 1, le distributeur en comport davantage, en nombre pair bien entendu et de telle sorte que la commutati d'une section, c'est-à-dire son passage d'une voie de l'enroulementodu st tor dans la suivante, s'effectue dans de bonnes conditions, compte-tenu d la largeur des balais. A partir du balai b'1 , après être passé par le balai b' et la bague collectrice c' , le courant I en provenance de la source E emprunte la la du distributeur avec laquelle le balai b't est en contact puis le conduct qui le mène au raccord avec l'enroulement du stator. De là, le courant I se divise en deux autres, égal chacun à 1/2, qui passent dans les bobines du stator respectivement à droite et à gauche de la lignes'l b1 pour pour s réunir à la lame du distributeur avec laquelle le balai b1 est en contact D'où, par la bague cqllectrice c et le balai b, le courant I revient à la source E Or, considérons la partie du stator à droite de la ligne b'1 b1 .Le courant 1/2 transforme ce demi-stator en un électro-aimant dont les pales n et s sont sur la ligne b'1 b1 . De même, le demi-stator à gauche de la ligne b'1 b1 est transformé par le courant 1/2 en un électro-aimant de p8 n' et 6' . Tout se passe alors comme s'il y avait un seul p81e nord en n' n et u seul p81e sud en s' s . Ces pôles créent au centre du stator un champ mag: tique H ( figures 1 et 3 ) . Comme ces pales sont toujours situés sur la ligne des balais b'1 b1 ils tournent donc avec celle-ci et par suite, i en est de meme du champ H Ce dernier est donc un champ magnétique tournant dont la vitesse de rotation est, à tout instant, égale à celle de la ligne des balais b'1 b1 c'est-à-dire à celle du petit moteur-pilote à courant continu m Supposons qu'un rotor R ( figures 1 et 3 ), mobile bien entendu autour de son axe, soit placé au centre du stator, de telle sorte que son axe et celui du stator colncident. Ce rotor est constitué, par exemple, par un cylindre fait de tôles empilées. Des encoches sont percées dans les tôles près de la surface extérieure du cylindre. Une tige de cuivre passe dans chaque encoche. Toutes ces tiges sont réunies entre elles par une couronne de cuivre à chaque extrèmité du rotor. L'ensemble des conducteurs, considéré sans la carcasse, a ainsi l'aspect d'une cage d'écureuil. L'entrefer entre le stator et le rotor est très faible. Les conducteurs du rotor, balayés par le champ tournant dtentrefer, sont le siège d'une force-électromotrice induite. Le rotor étant en court-circuit, ces forces électro-motrices produisent des courants induits. Ces courants, placés dans le champ tournant, sont soumis à des forces électro-magnétiques. Ces forces produisent un couple qui fait tourner le rotor. Le sens de rotation est tel que, d'après la loi de LENZ, la rotation s'oppose à la cause qui lui donne naissance. Cette cause est le déplacement du champ par rapport aux conducteurs du rot or. Le rot or tourne donc pour rattraper le champ, soit dans le même sens que celui-ci. Mais il ne peut tourner aussi vite car il n'y aurait plus déplacement du champ par rapport au rotor, donc plus de courant induit et plus de couple moteur. C'est parce que le mouvement du rotor n'est pas synchrone de celui du champ que ce moteur est dit asynchrone. I1 peut être remarqué qu'il serait possible d'imaginer d'autres dispositions de balais sur le manchon tournant autour du distributeur à lames, par exemple, deux paires de balais diamétralement opposés dont les lignes se coupent à angle droit. En réunissant par un conducteur les balais de même polarité, il n'y aurait que deux bornes à relier respectivement aux bagues collectrices c et c' . Cette disposition ferait naître dans le sta tor deux polies nord et deux pôles sud à 900 les uns des autres et tournant en synchronisme avec les deux lignes de balais. Gomme précédemment, les champs tournants qui en résulteraient, entraîneraient en rotation le rotor en cage d'écureuil. Ajoutons encore que le distributeur à lames, au lieu d'être cylindrique, peut être plan. Les lames sont alors disposées suivant les rayons d'un cercle quiF pour centre le point où l'axe de l'arbre qui entraîne les balais tournants diamétralement opposés, rencontre le plan du cercle. Dans ce cas, les axes des balais, fixés aux extrèmités d'un bras perpendiculaire à l'arbre, sont parallèles à ce dernier. Le moteur est équipé, bien entendu, d'un dispositif de démarrage, électrique ou électronique, comportant un relais de surcharge à déclenchement ultra-rapide. Les bornes 1,2,3,4 de la figure 1 correspondent respectivement aux cond, teurs d'alimentation de l'induit et de l'inducteur du moteur-pilote m à cou rant continu. La mise en marche, l'arrêt, la variation de vitesse à l'aide d'un varia teur électronique par exemple, le changement du sens de rotation du moteurpilote m en inversant les connexions de l'induit, entrainent, avec les dispositifs de protection convenables bien entendu, les mêmes actions sur le moteur asynchrone M Le moteur- pilote m est, comme il a déjà été dit, renfermé dans un cylindre métallique étanche B, sous atmosphère gazeuse, normalement de l'air. Le moteur asynchrone M, placé sous carter, est rempli d'huile neutre en équipression avec le milieu ambiant avec un système P de compensation de effets des variations de température et de pression. I1 est muni d'un dispositif de récupération de l'huile qui peut s'échapper. I1 comporte une chemise d'entrefer. Les enroulements statoriques sont logés dans une carcasse étanche en acier inoxydable. Ils sont enrobés sous vide dans une résine spéciale. Les fils sont donc maintenus solidement et une dissipation thermique élevée est assurée. L'arbre du rotor est en acier inoxydable. Il utilise des roulements à billes appropriés et peut travailler dans n'importe quelle direction. I1 est refroidi par le milieu dans lequel il travaille et dont la température, lorsqu'il s'agit des Océans, est toujours basse à grande profondeur. A 6.000 mètres de profondeur par exemple, on sai que la température. de l'eau de mer est toujours peu éloignée de 0 C Il est muni de connecteurs électriques étanches K ( figure 4 ) et peut travailler sous une pression extérieure hydrostatique omnidirectionnelle correspondant à celle des plus grandes profondeurs océaniques. Il est possible de construire toute une gamme de ces moteurs d'une puissance allant de quelques centaines de watts à une vingtaine de kilowatt par exemple, 1e nombre de tours par minute en régime normal pouvant être relativement bas ou au contraire élevé, sous une tension d'alimentation en courant continu d'une centaine de volts, ou moins ou davantage . Les donnée indiquées ci-dessus n'ont aucun caractère limitatif. Elles représentent simplement un ordre de grandeur pour les emplois cites. Il n'est pas impératif que le moteur pilote m soit fixé sur le moteur asynchrone M . Il peut fort bien, dans certains cas, être installés à distance et de plus, commander plusieurs moteurs M Le moteur à courant continu, asynchrone à cage d'écureuil, à vitesse réglable sans discontinuité, pouvant travailler en immersion dans les Océans jusqu'aulx plus grandes profondeurs, ou dans les environnements les plus difficultueux, peut être mis en oeuvre dans un très grand nombre d'applications, aussi bien en milieu sous-marin qu'en milieu terrestre. L'invention n'est pas limitée aux exemples d'emplois cités et à l'exemple de réalisation décrit, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. -REVENDICATIONS- 1.- Moteur électrique à courant continu, asynchrone à cage d'écureuil, à vitesse réglable sans discontinuité dans une large plage, pouvant travailler en immersion dans les Océans jusqu'aux plus grandes profondeurs, conçu principalement pour entraîner, d'une part, les pompes, les centrales hydrauliques, les treuils et toute autre machine qui opèrent dans l'eau ou dans les environnements les plus difficultueux, d'autre part, les systèmes de propulsion, dans la mer ou sur le fond, des engins sous-marins de grand profondeur, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un distributeur fixe cylindrique à lames sur lesquelles sont appliqués deux balais diamétraleme opposés fixés sur un manchon cylindrique ayant même axe que celui du distr buteur et situé en bout d'un arbre portant deux bagues collectrices reliée électriquement aux balais précédents et sur lesquelles appuient deux balai fixes raccordés aux bornes d'une source de courant continu, lequel arbre e entralné en rotation par un petit moteur à courant continu, ou moteur-pilo 2.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque lame du distributeur, ce dernier étant réalisé comme le collecteur à lames de l'induit d'une dynamo bipolaire à courant continu, est reliée par un condu teur à la section concernée du bobinage fermé sur lui-mssme du stator du moteur proprement dit, lequel bobinage est réalisé comme celui d'un induit de dynamo à courant continu selon le mode en t' tambour " ou SIEMENS, de te sorte que, à chaque instant, les courants qui circulent dans ce bobinage donnent naissance au centre du stator à un champ magnétique radial dont l'orientation dépend de celle de la ligne des balais diamétralement opposé 3.- Moteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la ligne des balais diamétralement opposés étant entraînée en rotation par le moteur-pilote, il en est de même du champ magnétique qui tourne alors en synchronisme avec ledit moteur et entraîne en rotation asynchrone, par le jeu des forces électromagnétiques créées, un rotor en cage d'écureuil dont l'axe concise avec celui du stator. 4.-Moteur selon les revendications 1,2,3, le moteur-pilote et le distr buteur étant placés près du moteur asynchrone ou à distance de celui-ci se enceinte étanche résistant à la pression extérieure, enceinte qui peut êtr celle réservée au personnel dans le cas d'un engin sous-marin habité par exemple, et le moteur asynchrone équipé de roulements à billes appropriés étant disposé dans un carter sous huile neutre en équipression avec le milieu ambiant par un système de compensation des effets des variations de température et de pression et un dispositif de récupération de l'huile qui peut s'échapper, pouvant travailler dans toutes les directions aussi bien en milieu sous-marin qu'en milieu terrestre, caractérisé en ce que la mise en marche, l'arrêt, la variation de vitesse, l'inversion du sens de rotation du moteur-pilote entraînent respectivement, avec les dispositifs de démarrage, de réglage de la vitesse, d'inversion du sens de rotation et de protection convenables, les mêmes actions sur lui-même, la conduite du moteurpilote commandé électroniquement nécessitant peu d'énergie et étant très souple, cellé du moteur asynchrone l'est également dans une large étendue de réglage de la vitesse, une grande simplicité de l'appareillage de commande et une grande fiabilité