Brevet FR2452817A1 — publié le 19801024

La présente invention se rapporte à une machine électrique tournante - moteur ou générateur - à courant continu ,permettant la conversion de forces électromagnétiques en mouvement rotatif, ou inversement la production d'énergie électrique à partir d'un mouvement d'entrainement en rotation. L'invention vise, plus particulièrement, la réalisation d'un moteur électrique de construction simple, notamment en ce qui concerne les bobinages, et qui possède de bonnes qualités en tant que moteur pour la traction de véhicules. A cet effet, l'invention a pour objet une machine tournante à courant continu qui comprend essentiellement un rotor dont les pôles1 en nombre pair, ont des polarités invariables, alternativement "Nord" et "Sud", un stator dont les pôles, en nombre supérieur à ceux du rotor, sont magnétisés par des bobines toutes connectées en série, la sortie d'une bobine d'un pôle statorique étant branchée à l'entrée de la bobine du pôle statorique suivant, et un dispositif de commutation formé, d'une part, par un ensemble de lamelles conductrices alternativement positives et négatives, en même nombre que les pôles rotoriques, séparées et isolées électriquement les unes des autres par des lamelles neutres et portées par l'arbre du rotor, et d'autre part, par un ensemble de balais en même nombre que les pôles statoriques et coopérant avec les lamelles précitées, chaque balai étant relié électriquement au point de connexion entre les bobines magnétisantes en série de deux pôles consécutifs du stator. On réalise ainsi un moteur dont les bobinages n'ont pas à être réalisés "in situ", mais peuvent être au contraire réalisés sous la forme de simples bobines préalablement fabriquées et facilement interchangeables. Le dispositif de commutation permet d'avoir au stator des champs magnétiques tournants qui créent des forces tangentielles d'attraction et de répulsion des pôles rotoriques; en cours de fonctionnement, un pôle statorique a sa bobine alternativement parcourue par un courant positif, mise en court-circuit, parcourue par un courant négatif, remise en court-circuit, parcourue par un courant positif, etc , et chaque bobine est alimentée tantôt directement, tantôt en série avec la bobine d'un pôle statorique voisin.Avantageusement, le point de connexion entre les bobines magnétisantes de deux pôles consécutifs du- stator est relié au balai correspondant par l'intermédiaire d'une résistance. De préférence, les balais du dispositif de commutation sont portés par un disque monté tournant et associé à des moyens permettant de modifier sa position angulaire, ce qui permet de faire varier la vitesse et le sens de rotation dans l'utilisation en moteur. Suivant une forme de réalisation de l'invention, les pales du rotor sont constitués par des masses polaires entourées par des bobines magnétisantes,alimentées à partir de bagues collectrices portées par l'arbre et reliées également aux lamelles conductrices du dispositif de commutation. Dans ce cas, les pôles statoriques et rotoriques peuvent être tous constitués par des masses polaires complémentaires ayant un profil en "U" ou en "E", parallèlement à l'axe de la machine, les branches de ces masses polaires statoriques et rotoriques, toutes isolées entre elles magnétiquement, étant entourées par les bobines magnétisantes. En variante, le rotor peut être aussi du type à aimants permanents. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, une forme de réalisation de cette machine électrique tournante à courant continu, ainsi qu'une variante Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un moteur électrique conforme à l'invention; Figure 2 est une vue en coupe transversale, très simplifiée, de ce moteur; Figures 3 et 4 sont des vues similaires à figure 2, mais dans d'autres positions, expliquant le fonctionnement du moteur; Figure 5 constitue le schéma électrique du moteur selon les figures 1 à 4; Figure 6 est une vue très schématique similaire à figure 2, montrant une variante de ce moteur électrique; Figures 7 et 8 montrent deux formes possibles de masses polaires;; Le moteur électrique visible sur la figure 1 comprend, de façon générale, un rotor multipolaire 1 calé sur un arbre amagnétique 2, et tournant à l'intérieur d'un stator 2 Ce dernier comprend une carcasse amagnétique 4 de forme cylindrique, fermée à ses deux extrémités par des flasques 5. La carcasse 4 comporte un socle de fixation 6, permettant le montage du moteur sur un support non représenté. Les flasques 5 portent les deux paliers 7 dans lesquels tourne l'arbre 2, dont les extrémités dépassent à l'extérieur. Le rotor 1 comprend, dans l'exemple des figures 1 à 5, quatre pales en forme de "U", constitués par des bobines 8 qui entourent des masses polaires 9 en matériau magnétique, convenablement profilées. Les quatre pôles rotoriques sont espacés régulièrement, autour de l'arbre 2, par des intervalles angulaires de 900, et sont isolés magnétiquement les uns des autres. Les rapports de dimensions à respecter pour les masses polaires 9 en "U" sont avantageusement les suivants - hauteur égale au triple de l'épaisseur de la branche polaire; - longueur égale au quadruple de la hauteur; - intervalle entre deux branches égal au double de la hauteur. Ces masses magnétiques polaires peuvent être réalisées, par exemple, à partir de tôles de ferro-silicium, assemblées entre elles et munies d'épanouissements polaires amovibles. Le stator 2 comprend ici six pôles, répartis à intervalles angulaires réguliers de 600 à l'intérieur de la carcasse amagnétique 4, et isolés magnétiquement les uns des autres. Comice les pôles rotoriques, ces pôles statoriques en forme de "U" sont constitués par des bobines 10 qui entourent des masses polaires Il en matériau magnétique, de même profil que celles du rotor, et possédant avantageusement les mêmes rapports de dimensions que ceux précédemment indiqués pour les pôles rotoriques. Les masses polaires 11, munies d'épanouissements polaires démontables, peuvent être construites avec des tôles de ferro-silicium, ou en ferrite moulée à faible cycle d'hystérésis et à grande perméabilité magnétique. Les masses polaires 2 du rotor 1 et 11 du stator 2 possèdent des profils complémentaires, permettant au flux magnétique de se refermer sur lui-même dans la position de coincidence de deux de ces masses polaires, tout en ménageant un entrefer 12 de un à deux millimètres entre les pôles rotoriques et statoriques. Les deux bobines 8 ou 10 de chaque pôle créent sur celui-ci une branche "Nord" et une branche "Sud11. L'arbre 2 porte près de l'une de ses extrémités, entre le rotor 1 et l'un des flasques 5, trois bagues collectrices ç , 14 et li Les deux premières bagues 13 et 14 sont alimentées directement en courant continu, avec les polarités respectives "plus" et "moins"; la troisième bague 15 est reliée à la polarité "moins", alimentant la bague 14, par l'intermédiaire d'un rhéostat 16 (voir figure 3). Les extrémités de l'enroulement du rotor 1 aboutissent aux bagues li et 15, de sorte que le rhéostat précité 16 permet de faire varier le flux des champs polaires du rotor. Comme le montre la figure 2, ainsi que le schéma développé de la figure 5, les six bobines magnétisantes 10 du stator 2 sont toutes connectées en série, et forment une sorte de couronne en court-circuit sur elle-même, la sortie d'une bobine 10 étant branchée à l'entrée de la bobine suivante. Chaque point 17 de connexion entre deux bobines 10 est relié à une borne d'une résistance 18, dont l'autre borne est reliée au porte-charbon d'un balai 19, appartenant à un dispositif de commutation 20 disposé entre le rotor 1 et le flasque 5 situé du côté opposé aux bagues 13, 14 et li Le commutateur 20 comprend des lamelles conductrices 21, isolées électriquement les unes des autres et réparties coaxialement à l'arbre 2 du rotor 1, ces lamelles 21 étant montées sur un support commun calé sur l'arbre 2. Deux premières lamelles 21 sont reliées électriquement à la bague collectrice "plus" 12; les deux autres lamelles 21, situées entre les premières, sont reliées électriquement à la bague collectrice moins 14. Le commutateur 20 possède ainsi une alternance de lamelles 21 positives et négatives, séparées les unes des autres, mécaniquement et électriquement, par quatre lamelles neutres 22. Chaque lamelle positive 21 correspond à une polarité "Nord" du rotor 1, et chaque lamelle négative 21 correspond à une polarité "Sud" du rotor 1. Les balais 19, qui coopèrent avec les lamelles 21 et 22 précitées pour constituer le dispositif de commutation, sont répartis à intervalles angulaires réguliers de 600, coaxialement aux lamelles. Les porte-charbon de ces balais li sont portés par un disque 23 en matière isolante, et chaque charbon d'un balai, monté coulissant à l'intérieur du porte-charbon correspondant, est appliqué par un ressort non visible au dessin contre les lamelles 21 et 22 du commutateur 20.Le disque 23 est monté tournant sur une bague 24 (voir figure 1), fixée sur la face interne de l'un des flasques 2. Une tige radiale 25, solidaire du disque 23, traverse la carcasse 4 du stator 2 par une lumière 26 et se termine, à l'extérieur, par une poignée 27, ce qui permet de modifier la position angulaire relative des balais 19 et des pôles statoriques, par exemple sur une plage de 1200, pour obtenir des vitesses variables ainsi que le changement de sens de rotation du moteur. Le dispositif de commutation 20, précédemment décrit, alimente en courant continu, mais avec des sens alternés, les bobines 10 des pôles statoriques créant ainsi des flux magnétiques dans ces pôles. En cours de fonctionnement, on obtient donc au stator 2 une couronne de champs magnétiques tournants, qui attirent et repoussènt successivement les champs magnétiques stables issus des pôles du rotor; les forces électrodynamiques créées de cette façon, qui agissent tangentiellement sur le rotor 1, produisent finalement un couple moteur sur l'arbre 2. Ce principe de fonctionnement est décrit ci-après de façon plus détaillée, en référence aux figures 2 à 4, donc toujours dans le cas pris ici pour exemple d'un moteur à quatre pôles au rotor 1 et six pôles au stator 2 Dès que l'arbre 2 du moteur se met à tourner, par exemple dans le sens indiqué par la flèche 28, les balais 19 sont en contact successivement avec une lamelle conductrice 21 positive, une lamelle neutre 22 , une lamelle conductrice 21 négative, une autre lamelle neutre 22, de nouveau une lamelle conductrice 21 positive, et ainsi de suite, les diverses lamelles conductrices fournissant du courant continu alterné aux bobines 10 des pôles statoriques, ce qui détermine les champs tournants.Les six pôles du stator 2 sont désignés, dans la suite, par les chiffres romains I à VI,pourpouvoir être distingués les uns des autres. A un instant donné, correspondant à la position de la figure 2, la disposition des lamelles du commutateur 20 par rapport aux balais 19 est telle que le balai situé entre les pôles III et IV, de même que le balai situé entre les pôles VI et I, sont en contact seulement avec une lamelle neutre 22. Les autres balais 19 sont alors en contact avec les lamelles conductrices 21, suivant les polarités visibles au dessin.Il en résulte que les bobines 10 des pôles VI et I d'une part, les bobines 10 des pôles III et IV d'autre part, sont alimentées deux par deux en série de sorte que ces quatre pôles ont une même polarité "Nord". Les bobines 10 des deuxautres pôles II et V sont alimentées directement par deux lamelles conductrices 21 de signes opposés, et ces pôles II et V sont "Sud". Si l'on tient compte des positions des quatre pôles du rotor 1, On constate que celui-ci est soumis, de la part des pôles du stator 3, à un ensemble de forces d'attraction et de répulsion, qui entretiennent le couple d'entraînement en rotation suivant la flèche 28.On comprend que parmi toutes ces forces, celles engendrées par les pôles II et VX alimentés sous la tension continue maximale, sont les plus élevées. Le commutateur 20 se déplaçant en même temps que le rotor 1, à un moment donné, correspondant à la position de la figure 3, les deux lamelles 21 négatives viennent court-circuiter les bobines 10 des pôles statoriques III et VI. Les bobines des pôles I et IV sont alors alimentées de façon que ces pôles restent "Nord", et les bobines des pôles II et V sont alimentées de façon que ces pôles restent "Sud", mais les bobines 10 des quatre pôles ici indiqués sont toutes alimentées directement, c'est-à-dire que l'on n'a pas de bobines alimentées en série deux par deux. Au moment où les bobines statoriques 10 des pôles III et VI sont "shuntées" par les lamelles 21 négatives, leurs polarités deviennent 'tSud", suivant la loi de Lenz, et leurs flux électrodynamiques sont en opposition avec ceux résultant des polarités "Sud" de deux des pôles du rotor 1. Le couple moteur développé par ce phénomène de réactance magnétique est presque nul. Des courants de haute tension sont produits à ce moment par les effets de self-induction. Les résistances 18 de valeur suffisamment importante, s'ajoutant aux résistances propres des balais 19, établissent un "barrage" pour ces courants, de sorte que les courants de surtension dans les bobines 10 des pôles commutés alimentent les bobines statoriques, montées en série, des pôles voisins, ces courants étant de cette manière utilement"récupérés"dans les autres pôles. Des condensateurs 29, avantageusement montés entre deux balais 12 consécutifs, en parallèle avec chaque bobine 10 (voir figure 5), absorbent en outre les courants de crête. Ainsi le dispositif 20, en réinjectant dans les autres bobines statoriques 10 les courants de self-induction, assure une commutation parfaite aux contacts des balais 19 avec les lamelles 21 - 22. La rotation se poursuivant dans le même sens, les bobi nes 10 des pôlesstatoriques III et E sont de nouveau "commu- tées", et elles sont alimentées de façon à rester de polarité "Sud" pour un certain angle de rotation. Le moteur se retrouve, après cette commutation, dans un état où quatre pôles sont d'une polarité, et où les deux autres sont d'une autre polarité, soit plus précisément ici quatre pôles "Sud" II, III, V et VI, et deux pôles "Nord't I et IV (voir figure 4). On comprend que le fonctionnement peut se poursuivre indéfiniment, suivant le même principe. Pour une vitesse de rotation donnée, la modification du calage des balais 19 permet de corriger les déformations du champ tournant du stator 3, ainsi que des flux magnétiques du rotor 1. Il est rappelé qu'en déplaçant par la poignée 27 la position angulaire de l'ensemble des balais 19, on peut modifier la vitesse de rotation ainsi que les sens de rotation de l'arbre 2. En outre, le rhéostat 16 monté en série avec les bobines 8 du rotor 1 permet d'ajuster la valeur du couple moteur, à une vitesse donnée. On notera encore que les champs magnétiques tournants sont parfaitement contrôlés angulairement, ce qui évite tout glissement et tout décrochement du rotor et que les bobines restent froides. En raison de son bon couple, de démarrage, de sa commutation parfaite et de sa vitesse variable, le moteur précédemment décrit convient très bien à la traction de véhicules électriques (application dans laquelle il peut être commodément alimenté sous basse tension continue pardes batteries d'accumulateurs), aux stations de pompage, etc... Dans le cas de pôles tatoriques avec masses magnétiques polaires en ferrite moulée, la tension alternée aux bobines 10 du stator a une forme en créneaux pouvant être mise en évidence à l'oscilloscope, et le moteur est alors à rotation très rapide, avec un couple de démarrage moyen.Dans le cas de pôles statoriques avec masses magnétiques polaires en tôle feuilletée ou ferro-silicium, la tension alternée aux bobines 10 du stator a unqkorme sensiblement sinusoldale, ce qui, donne un couple élevé au démarrage, du à la perméabilité élevée de ces tôles, mais la croissance de l'impédance limite la vitesse de rotation du moteur sous une tension donnée. La simplicité de réalisation de ce moteur permet une fabrication en série aisée poui ses parties mécaniques et électriques, en vue de ce genre d'application. Le moteur considéré jusqu'ici peut aussi fonctionnei inversement en générateur,son arbre 2 étant alors accouplé à une source de mouvement. Comme il va de soi , l'invention ne se limite pas à la seule forme de réalisation de cette machine électrique-moteur ou générateur-qui a été décrite ci-dessus à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes relevant du même prlncipe, et c'est ainsi, notamment, que l'on peut envisager les modifications suivantes - A la place de pôles en forme de "U" (figure 7), magnétisés par deux bobines, il peut être prévu des pôles en forme de "E" (figure 8), magnétisés par une ou trois bobines, au rotor comme au stator. Dans les deux cas, lorsque les masses polaires 9 ou il sont réalisées en tôles, elles sont avantageusement formées pour l'assemblage d'une âme centrale 30 et de deux parties latérales opposées 31 et 32 qui constituent les épanouissements polaires. - Les masses magnétiques polaires du rotor, dont les polarités sont invariables en cours de fonctionnement, peuvent être constituées par des aimants permanents, ce qui supprime tout l'enroulement rotorique. - Surtout l'invention n'est pas limitée à une machine électrique tournante ayant quatre pôles au rotor et six pôles au stator. Ainsi, on peut réalisér par exemple, sur le même principe, un moteur à rotor bipolaire, dont le stator, comporte trois pôles, comme le montre la figure 6 où les mêmes références désignent les parties correspondant à celles précédemment décrites ; dans ce cas, le commutateur 20 ne possède que deux lamelles conductrices 21, l'une positive et l'autre négative, séparées par une unique lamelle isolante 22, ces lamelles coopérant avec trois balais li rellés aux bobines 10 des trois pôles statoriques. Onpeut aussi envisager un nombre de pôles plus élevé que quatre au rotor et six au stator... REVENDICATIONS 1.- Machine électrique tournante à courant continu, caractérisée en ce qu'elle comprend essentiellement un rotor dont les pôles, en nombre pair, ont des polarités ivpriab?es, alternativement "Nord" et "Sud", un stator dont les pôles, en nombre supérieur à ceux du rotor, sont magnétisés par des bobines toutes connectées en série, la sortie d'une bobine d'un pôle statorique étant branchée à l'entrée de la bobine du pôle statorique suivant, et un dispositif de commutation formé, d'une part, par un ensemble de lamelles conductrices alternativement positives et négatives, en même nombre que les pôles rotoriques, séparées et isolées électriquement les unes des autres par des lamelles neutres et portées par l'arbre du rotor, et d'autre part, par un ensemble de balais en même nombre que les pôles statoriques et coopérant avec les lamelles précitées, chaque balai étant relié électriquement au point de connexion entre les bobines magnétisantes en série de deux pôles consécutifs du stator. 2.- Machine électrique tournante à courant continu selon la revendication 1, caractérisée en ce que le point de connexion entre les bobines magnétisantes de deux pôles consécutifs du stator est relié au balai correspondant par l'intermédiaire d'une résistance. 3.- Machine électrique tournante à courant continu selon la revendication 2, caractérisée en ce que des condensateurs sont montés entre deux balais consécutifs, en parallèle avec chaque bobine statorique. 4.- Machine électrique tournante à courant continu selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractériSée en ce que les balais du dispositif de commutation sont portés par un disque monté tournant et associé à des moyens permettant de modifier sa position angulaire. 5.- Machine électrique tournante à courant continu selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pôles du rotor sont constitués par des masses polaires entourées par des bobines magnétisantes, alimentées à partir de bagues collectrices portées par l'arbre et reliées également aux lamelles conductrices du dispositif de commutation. 6.- Machine électrique tournante à courant continu selon la revendication 5, caractérisée en ce que les bobines magnétisantes rotoriques sont alimentées par l'intermédiaire d'un rhéostat. 7.- Machine électrique tournante à courant continu selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les pôles statoriques et rotoriques sont tous constitués par des masses polaires complémentaires ayant un profil en "U" ou en "E", parallèlement à l'axe de la machine1 les branches de ces masses polaires statoriques et rotoriques, toutes isolées entre elles magnétiquement, étant entourées par les bobines magnétisantes. 8.- Machine électrique tournante à courant continu selon l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisée en ce que son rotor est du type à aimants permanents. 9.- Machine électrique tournante à courant continu selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un rotor à quatre pôles, un stator à six pôles, et un dispositif de commutation avec deux lamelles conductrices positives, deux lamelles conductrices négatives et quatre lamelles neutres, qui coopèrent avec six balais1 la disposition étant telle qu'une bobine statorique puisse être soit alimentée directement, soit alimentée en série avec la bobine d'un pôle statorique voisin, soit mise en court-circuit.