Brevet FR2523780A1 — publié le 19830923

Génératrice de courant électrique La présente invention concerne une génératrice de courant électrique. Par exemple, dans un véhicule automobile, il est prévu une génératrice de courant électrique entraînée par un moteur à combustion interne et qui délivre le courant éLectrique qu'elle produit à une batterie d'accumulateurs ou autres dispositifs à alinienter. La Figure 1 est une coupe d'une génératrice ou machine dynamo-électrique courante de véhicule automobile, dans laquelle un stator 1 est constitué par une culasse de fer montée sur un flasque 2 comportant des trous 2a de ventilation et un enroulement induit triphasé lb bobiné autour de la culasse de fer la. L'ar'ore tournant 3 est supporté par le flasque 2, au moyen de paliers 4.Un rotor 5 est constitué par un noyau de rotor 5a en fer mont8 sur l'arbre 3 avec un enroulement inducteur 5b enrouLé autour du noyau de rotor 5a. Le rotor 5 comporte plusieurs pales magnétiques, faisant face au stator 1 à un court intervaLle dans la direction radiale. Une poulie 6 est fixée sur l'arbre 3. Des pales de refroi dissent 7 sont fixées sur L'arbre, solidairement de la poulie 6. Un régulateur de tension 8 maintient constante la tension de sortie de l'enroulenient d'induit lb. Un redresseur 9 redresse le courant alternatif de sortie induit dans l'enroulement d'induit lb. Avec cette disposition'courante, l'arbre 3 est mis en rotation par la poulie 6 sous l'effet de la rotation du moteur, de sorte que le rotor 5 tourne, induisant une tension alternative triphasée dans l'enroulement dtinduit lb. La tension alternative est redressée par le redresseur 9 et elle est maintenue constantepar le réula- teur de tension 8 pour être appliquée à la batterie d'ac- cumulateurs (non représentée) ou autres dispositifs à alimenter. Par ailleurs, les ailettes de refroidissement 7 sont mises en rotation avec l'arbre 3 pour que de l'air de refroidissement circule par les trous de ventilation 2a à intérieur de la génératrice afin de la refroifir.Mais étant donné que le débit d'air des pales de refroidissement 7 est proportionnel à La vitesse de rotation des ailettes et que la vitesse de rotation de ces ailettes 7 est faible dans le domaine où le moteur fonctionne à basse vitesse, un débit satisfaisant d'air de refroidissement ne peut autre obtenu. il est donc impossible de réaliser une génératrice de petite dimension. Pour pallier ce défaut, la tendance est d'augmenter le rapport de vitesse de rotation entre la génératrice et le moteur. Dans ce cas, le débit d'air de refroidissement peut être accru à faible vitesse du moteur, mais la vitesse de rotation des pales de refroidissement 7 devient excessive quand le moteur tourne à grande vitesse, ce dont il résulte 1'inconvénient d'une augmentation des bruits produits. Dans le but d'éliminer ce défaut, une génératri- ce connue de véhicule automobile représentée sur la Fig. 2 a été proposée. Dans cet exemple, les pales de refroidissement 7 sont supportées pour pouvoir tourner sur l'arbre 3 par des paliers 10 et des inducteurs 11 d'un accouplement magnétique comprenant un airant permanent à l'extérieur des pales 7 sont prévus avec plusieurs pôles. Les pales voisins ont chacun des polarités diffé- rentes et sont disposés sur un cercle.A l'intérieur de la poulie 6 sont montes des éléments induits constitués par des plaques magnétiques qui font face aux inducteurs 11 à un court intervalledins la direction radiale Dans ce cas, les inducteurs 11 forment le champ magnéti- que tournant par rapport aux éléments induits 12, de sorte que les inducteurs Il sont oouplés magnétiquement avec les éléments induits 12 pour former l'accouplement maRnétique. Par conséquent, quand la poulie 6 est mise en rotation par le fonctionnement du moteur, les pales de refroidissement 7 peuvent suivre la rotation de la poulie et ensuite, quand la vitesse de rotation augmente, la résistance aérodynamique que subissent les pales 17 augmente progressivement. Il en rdsulte que lorsque le couple de l'accouplement magnétique s'équilibre avec cette résistance aérodynamique, les pales 7 tournent à une vitesse constante. Ainsi, étant donné que les pales de refroidissement ne dépassent pas une vitesse de rotation constante, les bruits produits à une grande vitesse de rotation du moteur peuvent être réduits mais & faible vitesse, le débit d'air soufflé équivalent à celui de la Fig. 1 peut seulement ttre obtenus ce qui n'est pas suffisant pour refroidir la génératrice. Par ailleurs, l aimant permanent constituant les inducteurs doit ttre agrandi pour répondre aux conditions de accouplement magnétique. Il en résulte que les dimensions de l'accou- plement magnétique sont également augmentées. Dans le but d'éviter les inconvénients précités inhérents avec la génératrice antérieure, l'invention a donc pour objet essentiel de proposer une généra- trice comprenant un stator fixé sur un flasque fixe, portant un enroulement d'induit pour produire un courant al- ternatif de sortie, un rotor supporté par le flasque fixe et monté de fagon fixe sur un arbre tournante le rotor portant un enroulement inducteur en regard. du stator, des pales de refroidissement montées pour pouvoir tourner sur l'arbre, un dispositif inducteur comprenant un enroulement d'excitation connecté à l'enrouLement d'induit et un nombre de pales inférieurs au nombre des pâles du rotoret un dispositif induit prévu sur les pales de refroidissement, faisant face au dispositif inducteur et constituant un accouplement magnétique avec de dispositif inducteur. Selon un aspect de l'invention, l'enroulement d'excitation est connecté à une phase de l'enroulement d' induit Selon un autre aspect de l'invention, l'enroulement d'excitation est connecté à chacune des phases de l'enroulement d'induit. D'autres caractéristiques et avantages de l1in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre de plusieurs exeu pies de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La Figure 1 est -une coupe d'une génératrice ou machine dynamo-électrique de véhicule automobile selon la technique antérieure, la Figure 2 est une coupe partielle d' une autre génératrice de véhicule automobile selon la technique antérieure, la Figure 3 est une coupe d'une génératrice de véhicule automobile selon l'invention, la Figure 4 est un schéma utilise pour la génd- ratrice de la Figure 3, la Figure 5 est une coupe d'une autre génératri ce de véhicule automobile selon l'invention, la Figure 6 est une coupe suivant la ligne VI-VI de la Figure 5 et la Figure 7 est un schéma sutilisé pour la géné- ratrice de la Figure 5. Dans le mode de réalisation représenté sur les Figures 3 et 4, les pales de refroidissement 7 sont montées pour pouvoir tourner sur l'arbre 3 au moyen des paliers 10. Plusieurs inducteurs 13 de 11 accouplement mag noétique sont fixés à l'extérieur du flasque 2, le long d'un cercle. L'enroulement monophasé d'excitation 13a connecté à l'une des phasse d'enroulement induit 1b est bobiné de manière que des inducteurs voisins 13 soient de polarités différentes. Le nombre des pôles magnéti- ques des inducteurs 13 est inférieur à celui des pâles Magnétiques du rotor 5. Des éléments induits 14 sont montés à l'intérieur des pales de refroidissement 7 et constituent l'accouplement magnétique, formés par des plaques d'aluminium. Les éléments induits 14. font face aux inducteurs 13 à de courts intervalles dans la direction radiale. Sur la Figure 4, la référence numérique 15 désigne une batterie d'accumyulateurs, et la référence le un contact. Les autres éléments sont disposés de la même manière que selon la Figure 1. Avec cette disposition, quand la poulie 6 est mise en rotation par le fonctionnement du moteur, le rotor 5 tourne avec l'arbre 3, de sorte que l'enroulement d'induit lb produit un courant alternatif triphasé. Etant donné que l'enroulement d'excitation monophase 13a des inducteurs 13 est connecté à l'une des phases de ltenroulement d'induit lb, la fréquence des courant alternatif du stator 1 et la fréquence du courant alternatif appliqué aux inducteurs 13 sont dans la relation suivante: fréquence du courant alternatif nombre de pâles magnédes inducteurs 13 = tiques du rotor 5 fréquence du courant alternatif nombre de pâles magnë- du stator 1 ' tiques des inducteurs 13 Par ailleurs, les inducteurs 13 et les éléments d'induit 14 constituent un accouplement magnétique comme une génératrice monophasée.Dans un moteur à induction monophasé de type courant, étant donné qu'aucun champ magnétique tournant n'est produit au démarrage du moteur, un dispositif de démarrage comme un enroulement en court-circuit ou un condensateur de déphasage est n- cessaire. Riais dans le mode de réalisation représenté, étant donné que l'arbre 3 est mis en rotation, un couple est développé sur les pales de refroidissement 7 par la viscosité du lubrifiant, de sorte que les éléments induits peuvent tourner. Autrement dit, et selon l'inven- tion, ce dispositif de démarrage peut astre supprime. Ainsi, un champ magnétique tournant est développé entre les inducteurs 13 et les éléments ir,duits 14 de sorte qu'un couple est produit dans les éléments induits 14 faisant tourner les pales de refroidissement 7. Le nom- bre des pôles magnétiques du rotor j est établi de manié- re à autre par exemple plusieurs fois supérieur à celui des pales magnétiques des inducteurs 13. Selon la relation ci-dessus, la fréquence du courant alternatif des inducteurs 13 est plusieurs fois superieure à celle du stator 1.A une faible vitesse de la génératrice, étant donné que le couple produit par la résistance aéro- dynamique des pales de refroidissement 7 fixées sur des éléments d'induit 14 est faibLe, bien qu'un léger glissement soit produit, les pales 7 tournent à une vitesse de rotation qui est déterminée en riuttipliant la vitesse de rotation de la génératrice par un multiple de la fréquence des inducteurs 13, selon la relation ci-dessus Ainsi, un débit plusieurs ois supérieur à celui de la génératrice courante peut autre ootenu selon l'invention. De plus, à une vitesse élevée de la génératrice, bien que la vitesse de rotation des pales de refroidissement 7 sit augmentée, le coupLe de résistance aérodynamique de ces pales 7 est augmenté. il en résulte que lorsqu'il s'établit un équilibre avec le couple des éléments induits 14, la vitesse de rotation des pales de refroidissement 7 ne dépasse pas la valeur d'équiLibre. Conne ceia a été decrit ci-dessus dans ce mode de réalisation de l'invention, étant donné que les pales de refroidissement comprenant les inducteurs de l'accouplement magnégique sont montées pour pouvoir tourner sur l'arbre tournant; que les inducteurs de l'accouplement magnétique comprenant l1 enroulement d'excitation mono- phasme connecté à une phase de l'enroulement induit sont montés sur le flasque 6; et que le nombre des pales des inducteurs est inférieur à celui des pries du rotor, à une vitesse réduite de la génératrice, les pales de refroidissement tournent à une vitesse de rotation plusiaurs fois supérieure à celle de ia génératrice.Le multiple- de la vitesse de rotation peut être déterminé par la rapport du nombre des pales. Egalel.lent à grande vitesse de la génératrice, la vitesse de rotation des paies de re froidissement ne dépasse pas une valeur constante, en raison du couple de résistance aérodynamique . Par conséquent, une grande quantitd d'air peut ttre soufflé sur la génératrice ce qui conduit à une réduction des dimensions de cette dernière et une augmentation de la puissance de sortie, avec un fonctionnerlent peu bruyant à grande vitesse.En outre, étant donné que les inducteurs et les éléments induits de l'accouplement magnétique constituent un moteur à induction monophasé, les pales de refroidissement démarrent avec l'aide de a viscosité du lubrifiant. Par conséquent, aucun dispositif de démarrage indépendant n'est nécessaire. Cela simplifie la conception et la réalisation de la génératrice. Dans ce w.ode de réalisation, l'enroulement d'excitation mopnophasé est connecté à l'une des phases de l'enroulement d'induit. Mais il est possible de connecter trds phases de l'enroulement d'excitation respectivement aux trois phases del'enroulement d'induit, Cette modification de l1 invention sera maintenant expliquée en regard des figures j à 7. La génératrice représentée sur les figures 5 à 7 est réalisée pratiquement de la même manière que celle du mode précédent de réalisation. Les paies de refroidissement 7 sont montées pour pouvoir tourner sur l'arbre 3 par des paliers 10. Plusieurs inducteurs 13 de l'accouplement magnétique sont fixés à l'extérieur du flasque 2, le long d'un cercle. Un enroulement dlexcita- tion triphase 13a connecté à chaque phase de l'enroule- ment induit lb est prévu sur les inducteurs 13. Un élément induit 14 de l'accouplement magnétique en forme de cuvette est monté à l'intérieur des pa'es de refroidissement 7 pour être en regard des inducteurs 13 à un court intervalle dans la direction radiale. t'élément induit 14 est constitué par une partie conductrice l4a en forte de cuvette et un noyau de fer 140. Avec cettc disposition quand la poulie d est tnise en rotation par le moteur, le rotor j tourne de sorte que l'enroulement induit lb produit un courant aLternatif triphasé. Sa vitesse synchrone N1 est égale à la vitesse de rotation du rotor j. Si t'on suppose que le nom- bre des pôles du rotor 3 peut être représenté par P1, la fréquence synchrone f est représentée par l'équation suivante: P1 X N1 (ez) (1) f 1120 (nz) Etant donné que les trois phases de 1'enroule- ment d'excitation 13a sont connectées chacune à l'enroulement d'induit 1b, la fréquence synchrone est representée par f (Hz) comme suit:: f-P2 x N2 (Hz) 120 où il est le nosore des piles des inducteurs 13 et N@ est la vitesse synchrone. La relation ci-apres peut être établie à partir des équations 1 et 2: Ainsi par exemple, si le noubre des pâles du stator 1 (rotor 5) est douze et si le nombre des pries des inducteurs 13 est quatre, le chawp magnétique tournant développé dans les inducteurs 13 tourne à une vitesse synchrone trois fois supérieure à celle de la vitesse de rotation du rotor 5, de sorte que l'élément induit 14 estmis en rotation par le couple développé.A une faible vitesse du moteur, c'est-à-dire de la génd- ratrice, étant donné que le couple développé par la résistance aérodynamique des pal-es de refroidissement 7 est faible, bien qu'un léger glissement puisse se produire, les pales 7 tournent pratiquement à la vitesse synchrone des inducteurs 13. En outre, quand la vitesse de rotation du rotor 5 augmente et que la vitesse de rotation des pales de refroidissement 7 augmente, la résistance aérodynamique supportée par les pales 7 augmente égale Ment. Ensuite, quand le couple développé par la résistance aérodynamique est égal à celui des éléments induits 14, la vitesse de rotation des pales de refroidissement 7 est maintenue constante, comme décrit ci-dessus.Ainsi, même si le rotor j tourne à une vitesse élevée, les bruits provoqués par des palis de refroidissement ne sont pas accrus pour dépasser le niveau constant. Par ailleurs, l'élément induit 14 a la forme d'une canette de sorte que faccouplement magnétique peut être réalisé sous de petites dimensions avec un rendement élevé. Par ailleurs, dans le mode de xéalixsation dd- crit ci-dessus, l'élément induit 14 est monté sur les pales de refroidissement 7. Mais ces dernières peuvent Titre formées solidiarenent des parties conductrices 14 de l'élément induit L4 en utilisant de t'aluminium ou similaire , et les parties de noyaux de fer 14b peuvent être fixées à l'unité intégrale. L'invention peut s'appliquer à d'autres génératrices que des géné- ratricen de véhicules automobiles. Comme cela est décrit ci-dessus, dans ce mode de réalisation de l'invention, les pales de refroidissement sont montées pour pouvoir tourner sur l'arbre tournant, l'enroulement d'excitation triphasé connecté à chaque phase de l'enroulement induit est prévu sur le flasque et le nombre des pales d'inducteurs est in trieur à celui des pales du rotor. Un élément induit en forme de cuvette est fixé sur les pales de refroi- dissement et le champ magnétique tournant des inducteurs tourne à une vitesse plusieurs fois supérieure à celle du rotor, sur la base du multiple du rapport entre le rotor et les inducteurs. Pour cette raison, et de la m8me manière que dans Le premier mode de réalisationt il est possible de réaliser la génératrice sous de petites dimensions et d'augmenter sa puissance de sortie. En outre, la vitesse des pales de refroidissement est limitée au-dessous d'une certaine vitesse constante. La vitesse de rotation des pales derefro9idissement est variable librement en changeant le rapport entre le nambre des pôles du rotor et le nombre des pâles inducteurs. REVEVDICATIONS 1 - Génératrice de courant électrique, carac téri8ée en ce quelle comporte un stator (1) fixé sur un flasque fixe (2), portant un enroulement d'induit (lb) pour produire un courant alternatif de sortie, un rotor (5) supporté par ledit flasque (6) et fixé dune façon fixe sur un arbre tournant (3), ledit rotor comportant un enrouiement (jb) de champ magnétique en regard dudit stator, des pales de refroidissement (7) montées pour pouvoir tourner sur ledit arbre tournant, un dispositif inducteur (13) comportant un enroulement d'ex- citation -(13a) connecté audit enrouletuent d'induit et dont le nombre de pâles est inférieur au nombres des pê- les dudit rotor et un dispositif induit (14) prévu sur lesdites pales de refroidissement pour être en regard dudit dispositif inducteur et constituant un accouplement magnétique avec ledit dispositif d'inducteur. 2 - Génératrice selon la revendication 1 > Ca- ractérisoe' en ce que ledit enroulement d'excitation (13a) est connecté à une phase dudit enroulement d'induit. 2 - Génératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit enroulement d'excitation (13a) est connecté à chacune des phases dudit enroulement d'induit. 4 - Génératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif d'induit (14) comporte une partie conductrice en forme de cuvette faite en aluminium, et une partie de noyau de fer.