Brevet FR2512602A1 — publié le 19830311

1. La présente invention concerne des perfectionne- ments aux machines électriques tournantes à courant continu, et plus particulièrement, des dispositifs d'aide à la com- mutation pour machines homopolaires et hétéropolaires. Les machines électriques à courant continu pré- sentent, en fonctionnement, un certain nombre de problèmes tenant aux phénomènes de commutation se manifestant au ni- veau de l'interface entre les contacts glissants et les conducteurs de l'induit Des progrès très nets ont été effec- tués au niveau de la réalisation des contacts glissants eux- mêmes, qui se sont traduits notamment par la mise au point de contacts glissants multi-filamentaires faisant par exem- ple l'objet de la demande de brevet français N O 77/29716 au nom de la demanderesse, dont le contenu est supposé intégré ici pour référence Ce nonobstant, des phénomènes de commu- tation apparaissent chaque fois qu'un conducteur d'induit entre sous les contacts glissants ou quitte ces contacts, ce type de phénomène intervenant par exemple à chaque instant sur l'ensemble des conducteurs d'induit dans les machines homopolaires à élévation de tension D'autre part, si la com- pensation de la réaction magnétique d'induit peut s'effectuer classiquement par le retour du courant induit à la surface des pôles inducteurs il faut prendre en outre garde aux cou- rants parasites qui peuvent être engendrés dans les conduc- 2. teurs d'induit du fait d'une non homogénéité du champ magné- tique dans les parties actives de la machine, c'est-à-dire dans les pôles inducteurs,à cet égard, le fonctionnement sous chaque pôle inducteur d'une machine hétéropolaire est similaire à celui d'une machine homopolaire traditionnelle. Les courants parasites peuvent ainsi circuler entre les dif- férents conducteurs adjacents de l'induit qui se retrouvent temporairement placés en parallèle par le biais des contacts glissants. En ce qui concerne les problèmes de commutation se manifestant au niveau de l'interface entre les contacts glissants et les conducteurs d'induit, il a été proposé d'adjoindre à des contacts ou balais principaux classiques chargés de transporter le courant d'induit en dehors des phases de commutation, des balais ou contacts auxiliaires d'une structure relativement complexe, constitués d'une succession de contacts glissants élémentaires adjoint à la zone de sortie d'un contact glissant principal, ces diffé- rents contacts auxiliaires élémentaires étant chacun reliés au conducteur du contact glissant principal par une résistan- ce, ces résistances en série avec les différents contacts élémentaires croissant dans la direction s'éloignant du con- tact principal Ces résistances ont pour objet d'augmenter le taux de décroissance du courant dans les conducteurs d'induit reliés aux différents contacts glissants Cette technique, outre sa complexité et son encombrement, présente l'inconvénient d'être dissipative et de ne pas paraltre véri- tablement efficace quant à la non apparition d'arcs de com- mutation dans toutes les conditions de fonctionnement selon le courant d'induit et la vitesse de rotation En outre,elle interdit les inversions de sens de rotation Ce système n'ap- porte par ailleurs aucune solution en ce qui concerne les courants de circulation parasites entre les différents con- ducteurs de l'induit. La présente invention a précisément pour objet de proposer des perfectionnements aux machines électriques tour- nantes à courant continu,permettant de résoudre grandement les problèmes fondamentaux liés aux phénomènes évoqués ci- 2 512602 3. dessus et qui limitent à l'heure actuelle le développement de ce type de machines,en proposant des moyens simples et efficaces adaptables à toutes les configurations de machi- nes et conduisant à une commutation sans arc et à une annu- lation substantielle des courants de circulation. La présente invention a pour autre objet de pro- poser des machines électriques tournantes perfectionnées offrant une puissance massique et un rendement améliorés, ou, pour une puissance massique égale, une tension induite supérieure à celle que l'on pourrait obtenir avec une ma- chine homopolaire traditionnelle Elle peut également être mise en oeuvre, selon les besoins, dans les machines à courant continu classiques. Pour ce faire, selon une caractéristique de la présente invention,la machine électrique tournante à cou- rant continu, comprenant un stator comportant une carcasse ferromagnétique, au moins un bobinage inducteur ou au moins un aimant permanent, au moins un pôle inducteur ayant un plan de symétrie azimuthal, et définissant un logement in- térieur cylindrique pour un rotor comprenant des conduc- teurs d'induit reliés, respectivement, à une première extré- mité du rotor, à un moyen d'anneau collecteur coopérant avec des contacts glissants montés sur le stator, comprend, associé au pôle inducteur, à au-moins une extrémité de ce- lui-ci, un pôle auxiliaire sensiblement de même plan de symétrie azimuthal que le pâle inducteur associé, et ali- menté par un courant asservi à au moins un courant de fonc- tionnement de la machine. Selon une autre caractéristique de la présente invention,le courant d'alimentation des pôles auxiliaires est asservi au courant d'induit et à la vitesse de rotation du rotor et/ou au courant inducteur. Avec cet agencement de pôles auxiliaires associés aux pôles inducteurs, et selon l'asservissement du courant d'alimentation de ces pbles auxiliaires, certains de ces pôles auxiliaires peuvent être destinés, dans les machines hétéropolaires, à assister la commutation, les autres pales auxiliaires étant alors destinés à annuler les courants de 4. circulation,tous les pâles auxiliaires servant par contre d'aide à la commutation dans les machines acycliques à élé- vation de tension On notera que, tant l'aménagement que l'alimentation et l'implantation de ces pâles auxiliaires permettent de distinguer ceux-ci des pôles auxiliaires par- fois proposés dans les implantations de machines électri- ques classiques à courant continu. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nulle- ment limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un stator et un rotor, respectivement, d'une machine bipolaire adaptée conformément à la présente invention (les pôles au- xiliaires étant omis); La figure 3 représente schématiquement, à plus grande échelle, l'aménagement, dans le prolongement d'un pô- le inducteur de la machine de la figure 1, d'un pôle auxi- liaire de commutation selon l'invention; La figure 4 est un diagramme représentant une machi- ne selon la présente invention et illustrant l'aménagement des pôles auxiliaires de commutation et de leurs moyens d'alimentation en courant électrique; La figure 5 est une vue schématique en bout d'une telle machine, au-droit d'un pôle inducteur, montrant les aménagements respectifs des pôles et des contacts glissants; La figure 6 est une vue schématique de côté d'une machine homopolaire à élévation de tension équipée de pôles auxiliaires conformément à l'invention; et La figure 7 est une vue schématique en bout d'un mode d'aménagement préféré des pôles auxiliaires dans la machine de la figure 6. Comme précédemment mentionné, dans une machine électrique à induction, lorsqu'un conducteur d'induit, si- tué sous un des pôles inducteurs, et donc soumis à la force électromotrice ou contre-électromotrice nominale, commence à quitter les balais ou contacts glissants,le courant I 5. qu'il transporte a une tendance naturelle à décroître en raison de l'augmentation progressive de la résistance de contact Cependant, lorsque la vitesse de défilement est élevée, et que, donc, le temps de commutation est bref au niveau de chaque conducteur d'induit, la décroissance du courant se révèle toutefois insuffisamment rapide en raison de l'inductance du circuit d'induit Ainsi, la densité de courant dans les balais ou contacts glissants en cours de commutation augmente considérablement et des arcs électri- ques, tant redoutés, apparaissent systématiquement Ce phé- nomène est d'autant plus marqué que la résistance de contact des balais est faible, ce qui se révèle pourtant fortement souhaitable du point de vue du rendement de la machine électrique A titre d'exemple, dans le cas particulier d'une machine génératrice, si la force électromotrice indui- te dans le conducteur qui quitte les balais ou contacts glissants est inférieure à celle qui existe aux bornes des autres conducteurs adjacents (qui sont momentanément tous réunis en parallèle par l'intermédiaire des balais ou con- tacts glissants), la décroissance du courant s'en trouvera facilitée A l'inverse, il est souhaitable de s'attacher à faciliter la montée du courant dans le conducteur d'induit qui entre sous les contacts glissants en augmentant sa force électromotrice Les inventeurs ont effectué des études très détaillées sur la croissance et la décroissance de ces cou- rants dans les conducteurs d'induit par des méthodes numéri- ques, et ont mis au point une technique, objet de la présen- te invention, rendant possible la réalisation d'une commu- tation sensiblement parfaite (croissance et décroissance du courant linéaires, de même qu'à vitesse de défilement infi- niment lente), quels que soient le courant nominal de mise en oeuvre de la machine et sa vitesse de défilement, en as- servissant convenablement les forces électromotrices additi- ves et soustractives dans les conducteurs d'induit qui commu- tent au droit des contacts glissants au moyen des pôles au- xiliaires additionnels Il faut noter que l'ordre de gran- deur des forces électromotrices auxiliaires est faible (ty- 6. piquement de l'ordre de la chute de tension aux balais ou contacts glissants) et qu'il est donc aisé de générer ces forces électromotrices de compensation à l'aide de pôles auxiliaires de faibles dimensions, lesquels peuvent donc être aménagés sans problèmes, quel que soit le nombre de pôles des machines multipolaires. Comme représenté sur les figures 1 à 5, une machi- ne électrique tournante à courant continu selon l'invention (en l'espèce bipolaire, à titre d'exemple) comprend dn sta- tor 1 et un rotor 2 La structure de stator 1 (figure 1) comprend une carcasse 3 en matériau magnétique, typiquement ferromagnétique, de forme générale cylindrique, formant, diamétralement opposés, des pôles inducteurs 4, ayant chacun un angle d'ouverture a, auxquels sont associés des bobinages inducteurs 5 Sur une des faces de la carcasse 3 sont rap- portés, en départ axial par rapport à cette face, des con- tacts glissants 6, en l'espèce des contacts multifilamen- taires, couvrant un angle y inférieur à l'angle d'ouverture a du pôle inducteur adjacent et de même axe de symétrie ra- dial que ce dernier La structure de rotor 2 comprend un corps de rotor cylindrique 7 comportant, sur sa périphérie, une pluralité d'encoches longitudinales régulièrement angu- lairement réparties, chaque encoche renfermant un seul con- ducteur d'induit 8, isolé de la carcasse magnétique consti- tuant le rotor Les encoches renfermant les conducteurs sont convenablement inclinées par rapport à l'axe longitudinal pour éliminer les effets de réluctance Ces conducteurs peuvent être massifs pour les machines de faible puissance, ou du type dit "ROEBEL" pour les machines de puissance élevée Cha- que conducteur 8 est rendu solidaire, à une première extré- mité 9 du rotor 2, d'une plaquette de collection plane rap- portée sur la face frontale 11 de la première extrémité 9 du rotor 2, ces plaquettes ayant une forme trapézoïdale et étant agencées les unes à côté des autres, conformément au motif des conducteurs d'induit 8, pour former un anneau collecteur 12 en regard des faces internes d'appui des contacts glis- sants 6 Il est bien évident que le collecteur, au lieu 7. d'être du type frontal plan, peut être de tout autre type convenable, par exemple cylindrique ou conique, les plaquet- tes étant conformées en conséquence Sur la figure 5, les pla- quettes de collection hachurées sont celles en contact avec les contacts glissants associés au pôle inducteur 4 Avec le sens de rotation N indiqué, la plaquette Xi et son conduc- teur d'induit associé commencent à entrer sous les contacts, tandis que la plaquette X 2 et son conducteur associé commen- cent à quitter les contacts A la seconde extrémité du rotor îo 2, les différents conducteurs d'induit longitudinaux 8 sont réunis mutuellement en parallèle par un anneau de court-cir- cuit 13 (figure 2), puisque la machine décrite est bipolaire. Dans le cas d'une machine multipolaire, l'anneau de court- circuit serait remplacé par un deuxième collecteur Conformé- ment à un aspect de l'invention, le corps de rotor 7 présen- te une légère sur-longueur axiale 6 par rapport à la longueur L de la carcasse 3 du stator 1, pour faire légèrement saillie par rapport à au moins une des faces frontales de la carcasse 3 en vue de l'aménagement des pâles auxiliaires devant inté- resser les zones d'extrémités des conducteurs d'induit 8 de cette portion en saillie du corps de rotor, ainsi qu'on le verra ci-dessous. Comme représenté sur les figures 3 à 5, sur ladite face d'extrémité de la carcasse 3 est disposé, dans le pro- longement axial de chaque pôle inducteur 4, un pôle auxiliai- re de petites dimensions 14, comprenant un circuit magnétique , réalisé en matériau ferro-magnétique feuilleté à faible hystérésis, se présentant sous la forme d'un étrier arrondi dont les pâles Nord et Sud présentent un profil interne épou- sant celui du pôle inducteur 4, et d'angle d'ouverture S lé- gèrement inférieur à l'angle d'ouverture a du pâle inducteur, en partageant, dans le cas de cette machine multipolairesen- siblement le même plan de symétrie azimuthale que le pôle in- ducteur adjacent Le plan de symétrie azimuthale du circuit magnétique 140 du pâle auxiliaire peut former, avec celui du pâle inducteur, un dièdre d'angle X compris entre O et (a-$), pour tenir compte notamment de l'inclinaison des 8. extrémités des filaments des balais Sur la partie centrale du circuit magnétique du pôle auxiliaire 14 est bobiné un conducteur d'alimentation de pôle auxiliaire 15, parcouru par un courant d'intensité i régulé en fonction d'un cou- rant de fonctionnement de la machine L'aménagement des pô- les auxiliaires 14 sur la périphérie de la partie en sur- longueur à du corps de rotor 2 permet donc d'avoir les con- ducteurs d'induit en commutation intéressés par le flux ma- gnétique des pôles auxiliaires qui induit, dans les conduc- teurs d'induit en commutation, la force électromotrice ou contre-électromotrice k de compensation. Comme susmentionné, dans le cas de machines hétéro- polaires, au moins certains des pôles auxiliaires sont pré- férentiellement assignés à une assistance à la commutation. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 4, les conduc- teurs d'alimentation de pôles auxiliaires 15 sont reliés à un dispositif d'alimentation et d'asservissement 16 recevant les signaux provenant d'une part, d'un détecteur 17 de cou- rant d'induit I circulant dans les lignes 18 connectées aux contacts glissants 6, et, d'autre part, d'un détecteur 19 de la vitesse de rotation N du rotor 2 pour alimenter les pôles auxiliaires 14 avec un courant de compensation i asser- vi, par le dispositif 16, au courant d'induit I et à la vites- se de rotation N et réaliser ainsi, dans les conducteurs qui commutent, un équilibrage parfait entre les forces électro- motrices additives et soustractives La technologie du dis- positif d'alimentation et d'asservissement 16, du type ana- logique ou numérique, est à la portée de tout technicien moyennement averti, de sorte qu'on en omettra ici le dé- tail. A titre d'exemple, pour une génénatrice, dont la résistance de charge R (purement résistive) est égàle à la résistance interne Ro (correspondant à la résistance élec- trique au niveau des contacts, la résistance r des enrou- lements étant supposée négligeable, ainsi que l'inductance mutuelle entre deux conducteurs d'induit adjacents),en appe- lant At le temps de commutation (c'est-à-dire le temps de 9. parcours, fonction de la vitesse de rotation, d'une pla- quette de collecteur 10 sous un balai), E la différence de potentiel aux bornes des contacts glissants, et T la cons- tante de temps de la machine (T = L o L est l'inductan- ce propre de la machine),on a la relation suivante, détermi- nant la force électromotrice de compensation e (et donc le courant de compensation i) 0,5 x - E = 055 x At Comme également susmentionné, les pâles auxiliai- res peuvent également servir, dans les machines hétéropolai- res, à une autre fonction qu'à l'assistance à la commutation, en l'espèce à l'annulation des courants de circulation dans les conducteurs d'induit Dans une machine électrique du type considéré, il est à peu près inévitable que l'induc- tion sous les pôles inducteurs 4 soit légèrement non-homogè- ne lorsqu'on se déplace azimuthalement sous ces pôles Cette non-homogénéité peut atteindre quelques pourcents si les pré- cisions de fabrication et de montage de la machine ne sont pas d'excellente qualité, ou surtout si le matériau ferro- magnétique du stator se trouve très saturé Dans ces condi- tions, il est possible que des courants de circulation no- tables, voire très intenses,soient mis en jeu dans les con- ducteurs d'induit 8 sous les pôles inducteurs, conduisant ainsi à des dissipations prohibitives En plaçant, comme dé- crit précédemment, dans le prolongement axial de certains pôles inducteurs 4 de la machine des pâles auxiliaires 14 de même constitution générale que celle décrite en relation avec les figures 3 à 5, on peut arriver également à homogé- néiser convenablement, par expérimentation, les forces élec- tromotrices ou contre-électromotrices aux bornes de chaque conducteur d'induit sous les pôles Dans ce cas, toutefois, les pôles auxiliaires sont alimentés en un courant i' asser- vi cette fois au courant inducteur au moyen d'un dispositif d'alimentation et d'asservissement (non représenté) sembla- ble au dispositif 16 de la figure 4, associé à un détecteur de courant du type du détecteur 17 ainsi qu'à un détecteur d'induction magnétique pour les machines à excitation sépa 12602 10. rée Dans la pratique, notamment pour les grosses machines de forte puissance, à chaque pôle inducteur sera associé un pôle auxiliaire d'assistance à la commutation et au moins un pôle d'annulation des courants de circulation, disposé dans l'écartement CP entre les pôles Nord et Sud du pôle 14 d'assistance à la commutation. On notera que les circuits électro-magnétiques additionnels d'assistance à la commutation ou d'annulation des courants de circulation sont absolument indépendants du circuit magnétique inducteur de la machine, et ne sont donc en aucune façon affectés par la saturation de ce der- nier. On a représenté sur les figures 6 et 7 un mode de réalisation d'une machine homopolaire à élévation de ten- sion conformément à la présente invention Dans une telle machine homopolaire, les conducteurs d'induit sont reliés, à leurs extrémités longitudinales, à des anneaux collecteurs coopérant avec des contacts glissants reliés électriquement deux par deux et croisés, de façon à faire coopérer en sé- rie les conducteurs situés dans les deux demi-parties actives. En effet, dans le mode de réalisation de la figure 6, le ro- tor 2 est décomposé en deux demi-parties longitudinales dont les conducteurs d'induit parallèles 8 ' et 8 " sont chacun re- liés à des paires d'anneaux collecteurs frontaux 110 ' et 110 " coopérant avec des paires croisées de contacts glissants multifilamentaires 60 ' et 60 " Dans ce type de machine, le rotor 8 est disposé dans un circuit magnétique principal, formant pièce polaire 30 équipé d'un bobinage inducteur 5. Comme dans le mode de réalisation précédent, le corps de ro- tor 2 fait saillie axialement, mais de part et d'autre, du circuit magnétique 30 d'une distance d' et d", respective- ment Egalement,comme dans le mode de réalisation précédent, sur la périphérie de ces parties en saillie d' et d" du ro- tor sont disposés des pôles auxiliaires 140 ( 140 ' pour la partie gauche de la machine, 140 " pour la partie droite) alimentés par des conducteurs 15 ' et 15 " en courant i asser- vi au courant d'induit I et à la vitesse de rotation N 11. du rotor Ici, à chaque face frontale du circuit magnétique principal 30 est associée une série de pâles auxiliaires angulairement répartis et alimentés en série par les conducteurs 15, comme on le voit sur la figure 7 Les con- ducteurs fixes, situés à la périphérie interne du pôle in- ducteur annulaire et servant notamment à la compensation de réaction d'induit, ont également pour objet d'assurer convenablement la mise en série des conducteurs d'induit de chaque demi-partie active. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est-au contraire susceptible de modifications et de variantes Elle peut en effet s'ap- pliquer de façon tout à fait similaire tant aux machines multipolaires qu'aux machines acycliques a élévation de tension, la circulation du flux auxiliaire de compensation pouvants 'effectuer de différentes manières suivant la mor- phologie des machines, en fonction des impératifs technolo- giques On notera que pour certaines machines à utilisation particulière, on peut remplacer les pôles auxiliaires par des aimants permanents ou combiner ces derniers avec des éléments de pôles auxiliaires simplifiés Les machines selon l'invention peuvent trouver leur utilisation en raison de leur puissance massique et de leur rendement élevés, dans des domaines très divers tels que la traction, la propul- sion ou les variateurs électromagnétiques, les machines impulsionnelles ou les lanceurs électromagnétiques. 12. REVENDICATIONS 1 Machine électrique tournante à courant con- tinu, comprenant un stator comportant une carcasse ferroma- gnétique, au moins un bobinage inducteur, et au moins un pôle inducteur ayant un axe de symétrie radial, et définissant un logement intérieur cylindrique pour un rotor comprenant une pluralité de conducteurs d'induit reliés, à une premiè- re extrémité du rotor,à un moyen d'anneau collecteur coopé- rant avec au moins un contact glissant monté sur le stator au voisinage du pôle inducteur, caractérisée en ce qu'elle comprend, associée au pôle inducteur ( 4; 30),à au moins une extrémité de celui-ci, un pôle auxiliaire ( 14; 140) sensible- ment de même plan de symétrie azimuthale que le pôle induc- teur et alimenté par un courant (i, i') asservi au moins à un courant de fonctionnement de la machine. 2 Machine selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que le rotor ( 2) fait saillie longitudinalement par rapport à au moins ladite extrémité du stator ( 1), le pôle auxiliaire ( 14; 140) étant disposé axialement en bout du pôle inducteur adjacent pour intéresser la périphérie de la partie en saillie ( 5) du rotor ( 2). 3 Machine selon la revendication 1, ou la re- vendication 2, caractérisée en ce que le moyen d'anneau col- lecteur ( 12) est disposé sur la face frontale ( 11) de la première extrémité ( 9) du rotor ( 2). 4 Machine selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que les contacts glissants ( 6) sont du type multi- filamentaire et sont disposés pour s'étendre suivant un arc de cercle (y) ayant sensiblement le même plan de symétrie azimuthale que le pôle inducteur ( 4). Machine selon la revendication 3 ou la reven- dication 4, caractérisée en ce que'le rotor ( 2) comprend des encoches angulairement réparties, un conducteur d'induit ( 8) disposé dans chaque encoche, et un anneau de court-cir- cuit ( 13) des conducteurs d'induit ( 8) à la seconde extré- mité du rotor. 6 Machine selon l'une des revendications précé- 13. dentes,caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif ( 16) pour asservir le courant d'alimentation (i) du pôle auxiliaire ( 14; 140) au courant d'induit (I). 7 Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif ( 16) est prévu pour asservir éga- lement le courant d'alimentation (i) du pôle auxiliaire ( 14; ) à la vitesse de rotation (N) du rotor ( 2) - 8 Machine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'ellecomprend un dispositif pour as- servir le courant (i') du pôle auxiliaire ( 14) au courant inducteur. 9 Machine électrique selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle est une ma- chine hétéropolaire. 10 Machine selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est une machine homopolaire à élévation de tension.