Brevet FR2504992A1 — publié le 19821105

I Comme on le sait, l'accouplement d'une turbo- machine de compression ou de détente et d'un moteur électrique présente des difficultés techniques En effet, la turbo-machine d'une part et le moteur électrique d'autre part ont chacun leurs paliers, réalisés d'ailleurs avec précision pour ajuster les entrefers et les réduire au minimum en ce qui concerne le moteur électri- que La solution consistant à aligner les arbres des deux machines pour les accoupler directement est à rejeter car il faudrait aligner exactement plus de deux paliers, ce qui est irréalisable dans la pratique industrielle. On est donc conduit à prévoir des mécanismes de transmis- sion de mouvement cofteux et lourds. On connaît, d'autre part, les moteurs électri- ques à courant continu sans collecteur dont le rotor comporte des aimants permanents tandis que les bobinages du stator sont commutés par un dispositif à transistors actionné en synchronisme avec la rotation du rotor. Le moteur dérive du moteur synchrone, mais, au lieu d'avoir la fréquence fixe d'un réseau de distribu- tion électrique, le champ tournant créé par les bobines du stator est engendré, avec la fréquence même de la rotation du rotor, par le jeu d'un détecteur de la vites- se du rotor et du dispositif à transistors contr 8 lé par ce détecteur, appelé capteur. Un tel moteur peut 9 tre agencé pour avoir un couple de démarrage et ne peut décrocher Il est auto- synchrone. De tels moteurs mettant en oeuvre la commutation Lavet à six transistors, moteurs réversibles et d'excel- lent rendement, ont été décrits dans le certificat d'addition NO 69 19106 du 10 Juin 1969, déposé par MEN de Valroger et Lavet (brevet US correspondant NO 3 806 785). Ces moteurs peuvent atteindre de très grandes vitesses de rotation et ce qui est assez surprenant a priori non seulement tolèrent des entrefers beaucoup plus élevés que les autres moteurs électriques, mais, même, exigent des entrefers importants pour avoir un bon fonctionnement. Le groupe turbo-machine de compression ou de détente et moteur électrique qui fait l'objet de la présente invention se caractérise en ce que le moteur électrique est un moteur électrique à courant continu sans collecteur du type considéré ci-dessus et en ce que le rotor de ce moteur est intégré à l'arbre de la turbo-machine, de sorte que le moteur électrique utilise les paliers & roulement de celle-ci. Cette combinaison très simple et peu cotteuse, qui supprime le problème des roulements du moteur électrique, n'était pas évidente pour les techniciens d'ailleurs différents, des turbo-machines d'une part et des moteurs électriques d'autre part. On doit ajouter que cette combinaison est à l'inverse de celle consistant & monter sur l'arbre d'un moteur électrique une turbine de ventilation de ce moteur, comme cela se pratique couramment Elle donne en effet la préférence à la turbine et à ses paliers, ce qui est essentiel dans le cas de turbomachines Cela permet de réduire les jeux dans ces turbo- machines et de ne pas sacrifier leur rendement, alors que des jeux relativement importants peuvent être tolérés entre le rotor et le stator du moteur auto-synchrone, jeux qui sont mime essentiels au bon rendement du moteur électrique en question, comme on l'a déjà noté. L'invention est susceptible de nombreuses applications pratiques. Une première application vise le démarrage des turbo-machines Il faut, pour les démarrer, faire tour- ner assez rapidement les turbines de compression ou de détente On a employé, à cet effet, des moteurs à col- lecteur, mais il faut alors des trains d'engrenages mul- tiplicateurs On les évite avec la combinaison en cause et on diminue parallèlement les inerties, ce qui permet d'accélérer le démarrage. Une autre application vise le démarrage des moteurs à combustion interne à deux temps suralimentés. A froid, en l'absence de toute suralimentation, le moteur ne peut démarrer Un groupe turbo-électrique selon l'invention peut alors fournir aux cylindres l'air comprimé nécessaire au démarrage, à partir d'une alimentation électrique existante. Une application un peu différente vise la "reprise" d'un moteur à combustion interne alternatif suralimenté, spécialement sur voiture automobile Un appel momentané de courant à la batterie d'accumulateurs du véhicule permet de lancer ou relancer rapidement le turbo-compresseur et par suite le moteur alternatif. Ceci réduit le délai qui s'écoule entre le moment o le conducteur agit sur la pédale, dite d'accélérateur, de la voiture et le moment o le moteur a repris de la vitesse. Cette dernière application peut aussi concerner les moteurs à combustion alternatifs non suralimentés. Un groupe turbo-électrique autonome selon l'invention, cette fois alimenté exclusivement par la batterie rechargée par le moteur à combustion, sert à fournir une suralimentation momentanée du moteur, ce qui donne un rapide accroissement de sa vitesse et améliore donc les reprises. On remarquera que, dans ces applications, l'appel de puissance fournie par le moteur électrique au turbo-compresseur a un effet multiplicateur On recueille en effet sur l'arbre du moteur thermique alternatif une puissance très supérieure à celle prélevée sur la batterie. Par ailleurs, l'appoint de puissance ainsi apporté par une source d'énergie électrique extérieure, convenablement dosé à chaque régime, peut permettre de mieux exploiter la suralimentation des moteurs à combus- tion On a non seulement un accroissement de puissance, mais on peut avoir alors un bien meilleur rendement On sait, en effet, que les compresseurs de suralimentation actionnés seulement par les gaz d'échappement sont assez mal adaptés. Un tel accroissement de puissance et une amélio- ration de cette adaptation ont été faits dernièrement, en mettant en jeu une chambre de combustion auxiliaire agissant entre la turbine de compression et la turbine de détente, système appelé "Hyperbar" On en profite pour diminuer opportunément le rapport volumétrique du moteur alternatif, en général un moteur Diesel L'appli- cation de la présente invention doit permettre de sup- primer, en tout ou partie, la chambre extérieure de com- bustion, le moteur électrique auto-synchrone agissant alors en permanence pour donner à des vitesses de rota- tion dont il est capable ( 40 000 tr/mn, par exemple) l'appoint de puissance nécessaire pour que les turbo- machines et surtout le compresseur fonctionnent au régime de rendement optimum. Les moteurs électriques du type considéré étant réversibles, l'invention vise aussi leur applica- tion en tant que générateurs de courant, ce qui peut éviter le montage d'une dynamo spéciale. Mais les applications du moteur autosynchrone à l'entraînement des turbines de compression et de détente sont beaucoup plus vastes Elles visent toutes machines o de telles turbines sont employées C'est le cas notamment des groupes cryogéniques qui permettent d'obtenir, par paliers successifs, des températures voisines du zéro absolu C'est également le cas des pompes de chaleur employant des groupes turbo. Dans toutes ces applications, il convient que le moteur électrique utilisé ait un bon rendement et puisse tourner vite Les divers modes de réalisation qui seront décrits ci-après ont été conçus dans ce sens, tant en ce qui concerne la mécanique que l'élec- tronique On a donné ainsi, à titre d'exemple, un bran- chement applicable aux moteurs autossynchrones à capteur inductif alimentés en basse tension, ce qui est le cas des moteurs automobiles. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réali- sée, les particularités qui ressortent tant des dessins que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure 1 est un schéma d'un groupe turbo- électrique le plus simple selon l'invention. La figure 2 et la figure 3 sont des schémas de variantes. La figure 4 représente une coupe du moteur électrique. La figure 5 représente un rotor monobloc homo- gène, et la figure 6 un rotor à secteurs aimantés rapportés. La figure 7 représente un branchement électro- nique de commutation à capteur inductif comportant des enroulements de récupération et des inductances de Dlocage. On voit, sur la figure 1, la turbine de compres- sion 1, ici de type centrifuge, montée sur son arbre 2, qui tourillonne sur an palier unique 5 Le rotor 4 à aimants permanents d'un moteur électrique autosynchrone du type spécifié ci-dessus est monté sur cet arbre 2. Il est coiffé par le stator 5, stator triphasé classique. Le capteur inductif 6, actionnant l'électronique de commutation qui alimente le stator, est disposé en bout d'arbre On voit sur la figure 4 une coupe radiale du moteur électrique avec son rotor 4 supposé bipolaire et son stator 5 muni dans ce cas de figure de 12 pôles et des encoches classiques pour recevoir les bobinages non figurés qui sont alimentés en courant alternatif à partir d'une source continue grâce à l'action du capteur 6 et de bascules à transistors commandées par ce capteur. Tout ceci est d'ailleurs décrit en détail dans le cer- tificat d'addition sus-indiqué NI 69 19 106 Le capteur inductif 6 est constitué par un petit rotor aimanté bipolaire 8 semblable au rotor 4 du moteur électrique. Ce rotor 8, fixé en bout d'arbre, est coiffé par un petit stator triphasé 9 dont on peut régler le cala- ge angulaire Les trois enroulements du stator du capteur sont désignés par bel, bc 2, bc 3 sur la figure 7 qui montre leur montage, alors que les bobines du stator du moteur sont désignées par BMJ, M 2 et ^M^. a Contrairement à ce qui se passe avec les moteurs/synchrones habituels, l'adaptation du compresseur 1 est facile, en raison des caractéristiques de fonction- nement du moteur autosynchrone du type considéré, dont le couple croit quand la vitesse diminue D'autre part, les plus grandes vitesses sont possibles du fait des temps de commutation réduitades transistors. Sur la figure 1, on a supposé que l'invention était appliquée à la suralimentation momentanée d'un moteur à combustion alternatif, moteur d'automobile par exemple, figuré schématiquement en a Une vanne c est placée dans la position représentée en trait plein en dehors des périodes de suralimentation du moteur a qui aspire alors l'air atmosphérique à travers la manche à air d librement ouverte, le compresseur 1 étant arrêté. Quand on veut suralimenter le moteur alternatif a, par exemple pour une reprise, on met le compresseur 1 en rotation Pour cela on place la manette de l'in- terrupteur e dans la position de marche M pour alimenter les bobinages du stator 5 du moteur électrique par la batterie d'accumulateur principale f du véhicule En même temps, on place la vanne c dans la position repré- sentée en pointillés o elle ferme la manche à air d et relie le refoulement du compresseur 1 à l'alimentation du moteur a. Dans une telle application, l'invention permet de réaliser une combinaison mécanique très simple puis- qu'aucun palier n'est ajouté au palier unique du compresseur. Dans le cas d'emploi d'un moteur électrique autosynchrone à capteur inductif, le couple de démarrage sera obtenu au moyen d'un dispositif électronique, dénommé permutateur, tel que décrit dans le brevet fran- çais NO 74 10824 déposé le 28 Mars 1974 (notamment figures 3 et 8) aux noms de MM de Valroger et Lavet (brevet US correspondant NI 4 027 213) On fera de même dans toutes les autres applications o il est nécessaire que le moteur à capteur inductif ait un couple de démarrage. Le permutateur, qui fonctionne au moyen de bascules électroniques à transistors associées aux bobi- nages statoriques respectifs du moteur comme décrit dans ledit brevet, permet de commuter le courant dans ces bobinages et par conséquent de créer un champ alternatif qui fait démarrer le moteur Dès qu'un certain seuil de vitesse est atteint, l'action du capteur inductif se manifeste, mais le permutateur peut rester en circuit pour contr 8 ler les transistors de puissance qui alimentent les bobinages du moteur électrique, avec cet avantage que l'interrupteur e servant à la mise en route et à l'arrgt du moteur électrique peut agir sur l'alimentation du permutateur, c'est-à-dire sur des courants faibles. Sur la figure 2, on a représenté deux turbines, l'une de compression 1 de type centrifuge, l'autre de détente 7 de type axial L'arbre commun aux deux turbi- nes tourillonne dans un palier unique 3 placé entre les turbines Le rotor 4 du moteur électrique est à une extrémité de cet arbre et le rotor du capteur 6 à l'extrémité opposée. On a supposé aussi, dans cet exemple, que le groupe est appliqué à la suralimentation d'un moteur thermique alternatif deux temps à injection et balayage, la turbine 7 recevant les gaz d'échappement de ce moteur, tandis que le compresseur 1 refoule l'air sous pression dans la tubulure d'admission dudit moteur. Dans la disposition de la figure 3, l'arbre commun 2 à la turbine de compression 1 supposée du type centrifuge et à la turbine de détente 7 supposée du type axial, tourillonne dans deux paliers 3 a et 3 b Le rotor 4 du moteur électrique entouré par le stator 5 est calé sur cet arbre entre les deux turbines, le capteur inductif 6 étant en bout d'arbre. On a supposé dans cet exemple que l'invention est appliquée à un groupe turbine à gaz du type utilisé par exemple en aéronautique et comportant une chambre de combustion ú qui chauffe l'air sous pression venant du compresseur 1 avant son admission dans la turbine de détente 7. Le moteur électrique permet le démarrage du groupe 1-7 et peut servir de générateur une fois le démarrage effectué. La figure 5 représente schématiquement un rotor monobloc en ferrite orientée, ou en un autre produit à champ coercitif élevé, ce rotor étant aimanté diamétra- lement et comportant une paire de p 8 les Avec un tel rotor de 22 mm de diamètre et de 40 mm de long, on a obtenu une puissance effective de 500 watts à 40.000 tr/mn. La figure 6 représente un autre rotor aimanté diamétralement, à une paire de pales, constitué de deux secteurs en samarium cobalt fritté 10 a et l Ob, collés sur deux plats aménagés sur l'arbre des turbines 2. La figure 7 donne, à titre d'exemple, un bran- chement mis en oeuvre en cas d'utilisation de transistors complémentaires, dont la disposition de principe a fait l'objet du brevet 73 03636 déposé le 2 Février 1973 par MM de Valroger et Lavet. Les trois enroulements du stator du moteur B Ml, BM 2 et BM 3, branchés en étoile sur un neutre N sont con- nectés aux collecteurs communs des transistors de puissan- ce Tl, T'1, T 2,T'2 lf 3, T'3, dont les bases sont alimen- tées par les transistors driver tl, t'1, t 2, t'2, t 3 et t'3 Les bases communes des transistors driver sont attaquées par les trois enroulements du capteur be 1, bc 2 et bc 3, connectés en étoile sur le neutre n, tandis que leurs émetteurs communs el, e 2 et e 3 sont branchés sur trois résistances bal, bm 2 et bm 3, connectées en étoile sur un neutre n'. En faisant varier ces trois résistances, on peut régler la valeur de l'intensité du courant alimen- tant les bases des six transistors T et T'. Mais l'invention prévoit de remplacer ces trois résistances par des enroulements de récupération bal, bm 2 et bm 3, enroulements en fil relativement fin, mis en parallèle avec les enroulements moteur à gros fil EM 1, BM 2 et SE 3, dans le stator du moteur Lorsque la vitesse du moteur crolt, la tension du courant généré par les trois enroulements capteurs be 1, bc 2 et bc 3 augmente et tend à sursaturer les transistors T et T' Mais la tension contre électromotrice développée alors dans les enroulements de récupération bml, bm 2 et bm 3 croit parallèlement Il se produit ainsi -ne compensation qui a pour effet d'alimenter de façon régulière les bases des transistors de puissance, TI, Tét 1, T 2, T'2, T 3, TV 3. En outre, les courants de base ne sont plus perdus, comme c'est le cas quand on branche trois résis- tances Les courants qui circulent dans ces enroulements compensateurs ont in effet moteur accessoires qui s'ajoute opportunément à l'effet moteur principal. Par ailleurs, l'invention prévoit, en combinai- son avec les autres dispositions, de brancher entre les émetteurs et les collecteurs des six transistors de puissance T 1, T'1, T 2, T'2, T 3 et T'3, six diodes rapides Dl, D'1, D 2, D'2, D 3 et D'3 qui permettent au moteur de fonctionner en réversibilité, c'est-à-dire en générateur, sans nuire aux transistors Cela permet de renvoyer à l'alimentation le courant intense qui peut se développer quand on réduit rapidement le régime moteur, courant d'autant plus intense que l'inertie des organes entraînés par le moteur est plus grande. Mais l'invention prévoit aussi que ces diodes ont pour effet d'éviter toute surtension aux collec- teurs C 1, C 2 et C 3, lorsqu'on bloque un transistor. C'est ainsi que lorsque T'3 se trouve passer de la sa- turation au blocage, le courant qui circulait dans l'en- roulement BM 3, dans le sens de N à C 3, est coupé. L'énergie cinétique fl LI 2, accumulée dans l'enroulement BM 3 d'inductance L, va se transformer en énergie poten- tielle qui se manifeste sous forme d'une surtension qui appara 1 t en C 3 Mais, par le jeu des diodes D, ici de D 3, cette surtension va s'écouler vers l'alimentation de tension U, et la surtension en C 3 ne dépassera donc pas cette valeur. Enfin, l'invention prévoit de remplacer les six résistances, habituellement montées entre les émet- teurs des transistors de puissance et leurs bases, par des inductances 11, 1 '1, 12, 1 '2, 15 et 1 '3 Lorsqu'on sature un transistor T ou T', en alimentant sa base avec un courant d'intensité i, on emmagasine dans cette inductance une énergie cinétique X li 2 Lorsqu'on bloque le transistor en supprimant cette alimentation, l'énergie cinétique en question provoque une surtension sur la base du transistor Cette surtension, positive sur les transistors PNP et négative sur les transistors NPN, se trouve agir dans le bon sens pour bloquer plus rapidement le transistor. il REVENDICATIONS 1 Groupe moteur générateur mettant en oeuvre une turbo-machine de compression ou(et) de détente, à l'arbre de laquelle sont reliés les rotors moteur et capteur d'un moteur à courant continu et aimants permanents sans collecteur, caractérisé par le fait que ces rotors sont fixés sur cet arbre de telle sorte que ce sont les paliers ( 3 ou 3 a, 3 b) de la turbo- machine ( 1 ou 7) qui constituent aussi les paliers du moteur électrique. 2 Groupe moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour fournir du gaz comprimé à des moteurs thermiques, le plus souvent alternatifs, le moteur électrique entraînant alors une turbine de compression, ce qui permet notamment de démarrer un moteur deux temps à injection et balayage par turbo-compresseur. 3 Groupe moteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est monté sur un véhicule tel qu'une automobile pour suralimenter un moteur thermique alternatif, en vue notamment de faciliter les reprises, l'énergie électrique nécessaire au moteur électrique, bien plus faible que celle qu'elle permet de récupérer sur l'arbre du moteur alternatif, étant prélevée alors sur la batterie d'accumulateur principale du véhicule. 4 Groupe moteur générateur selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il comporte des turbines de compression et de détente, le moteur électrique servant au démarrage du groupe et pouvant servir aussi de générateur de courant, en raison de sa réversibilité. Groupe moteur générateur, selon la reven- dication 4, suralimentant un moteur alternatif, carac- térisé par le fait que le moteur électrique n'agit pas seulement momentanément, mais en permanence pour four- nir sur l'arbre des turbo-machines un appoint de puis- sance déterminé de façon que la turbine de détente et surtout celle de compression fonctionnent au meilleur régime de rendement. 6 Groupe moteur générateur selon la revendica- tion 1, utilisé comme groupe cryogénique ou comme élé- ment principal d'une pompe de chaleur. 7 Groupe moteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le rotor du moteur électrique est constitué d'un bloc aimanté diamétralement, en un matériau fritté ou usinable dans lequel est enfilé l'arbre de la turbo-machine, ou encore de deux secteurs aimantés, notamment en samarium cobalt, collés sur cet arbre. 8 Groupe moteur selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur électrique comporte une électronique de commutation, à six transistors de puissance (TI, T'1 T 3, T'3) et six transistors driver (tl, t'l t 3, t'3), avec trois résistances disposées sur les émetteurs communs des drivers pour ajuster les courants de base des transistors de puissance à leur valeur optimale. 9 Groupe moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les trois résistances sont rempla- cées par trois enroulements de récupération (bml, bm 2, bm 3), bobinés en parallèle avec les enroulements moteurs principaux (EM 1, BM 2, BM 3), ce qui permet de récupérer les courants de base et d'augmenter le rendement du moteur à courant continu sans collecteur. Groupe moteur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le branchement de six inductances ( 11, 1 '1 13, 1 '3) entre les émetteurs et les bases des transistors de puissance, qui facilitent le blocage des transistors en question quand il doit se produire. 11 Groupe moteur selon l'une des revendica- tions 8 à 10, caractérisé par le branchement de diodes rapides de puissance (Dl, D'1 D 5, D'3) entre les émetteurs et les collecteurs des transistors de puissance en vue de permettre le fonctionnement du moteur électri- que en réversibilité, c'est-à-dire en générateur, sans nuire à la bonne tenue de ces transistors.