Brevet FR2529724A1 — publié le 19840106

La pressente invention se rapporte à une machine tournante électrique, constituée de façon habituelle d'un stator et d'un rotor monté sur un arbre tournant dans des paliers, le stator étant séparé du rotor par un entrefer cylindrique, cette machine pouvant fonctionner soit en moteur, soit en générateur. Les moteurs electriques actuels sont généralement limités en vitesse, la vitesse de rotation synchrone du rotor étant de 3000 tours/minutes pour un moteur alimenté en courant alternatif de fréquence courante égale à 50 Hz. Or des applications industrielles de plus en plus nombreuses exigent des moteurs électriques à vitesse de rotation élevée. Dans ce but, l'on utilise actuellement des moteurs électriques classiques, alimentés en courant périodique par l'intermédiaire de changeurs de fréquence qui sont des dispositifs coûteux en raison de leur partie électronique, dont la fiabilité est assez mauvaise, et qui délivrent au moteur un courant dont les caractéristiques sont imparfaites, ce courant n'étant pas véritablement sinusoïdal et étant la cause d'effets parasites, se traduisant notamment par des vibrations. La présente invention remédie à ces inconvénients, en fournissant une machine tournante électrique, et plus particulièrement un moteur conservant tous les avantages des moteurs synchrones ou asynchrones actuels, qui peut tourner à une vitesse plus élevée et pratiquement doublée, sans nécessité d'aucun équipement electro- nique spécial. A cet effet, dans la machine tournante électrique objet de la présente invention, les deux piles de chaque paire de pâles associés du stator ne sont pas disposés directement en regard l'un de l'autre mais sont décalés l'un par rapport à l'autre suivant la direction de l'axe de rotation du rotor, et les deux piles de chaque paire de pâles associés du rotor sont eux aussi décalés l'un par rapport à l'autre suivant la direction de l'axe de rotation de ce rotor, de manière à pouvoir se retrouver directement en regard, respectivement, des deux pâles d'une paire de piles associes du stator. t Le de calage axial des deux pâles de chaque paire de pâles associés, au stator et au rotor, est de préférence choisi sensiblement égal à la longueur dun pâle. Ce décalage axial peut aussi,selon les perforniances rederchees, être supérieur à la longueur d'un pâle, ou encore inférieur à la longueur d'un pûle auquel cas il existe un chevauchement partiel des deux pilles associés, dans la direction de l'axe de la machine. Les deux piles de chaque paire de pâles associes du stator, ainsi que de chaque paire de pâles associes du rotor, peuvent être disposes notamment suivant des génératrices diamétralement opposé respectivement du stator et du rotor. Ces deux piles associés peuvent aussi être disposés suivant une même génératrice du stator ou du rotor. Dans tous les cas, les bobinages du stator ont un sens d'enroulement tel qu'il crée, pour chaque paire de pâles statoriques associés, des polarités Nord 5ud correspondantes. Dans le cas d'une machine à rotor bobiné, le bobinage du rotor est tel que, pour chaque paire de pâles rotoriques associés, les boucles de courant enveloppent le champ magnétique induit suivant le même rotationnel. Pour un stator inducteur ou un rotor inducteur, la circulation du champ magnétique créé par une paire de pâles associes est radiale dans les pâles statoriques, dans l'entrefer et dans les pâles rotoriques, et axiale entre les deux pâles rotoriques ; le bouclage du champ magnétique se fait par la carcasse de maintien des pâles statoriques, axialement ou en spirale selon que les pales statoriques associés sont situés sur une même génératrice ou non. La circulation du champ magnétique suivant les directions indiquees ci-dessus est facilitée très simplement par le sens d'empilage traditionnel des tôles constituant les pâles statoriques et rotoriques, pour la circulation radiale, et par l'arbre du rotor pour la circulation axiale du champ.On note que, contrairement aux machines tournantes électriques classiques dans lesquelles le champ est plan, la machine objet de l'invention se caractérise par un champ spatial. Pour une machine monophasée à une paire de pâles et avec un stator inducteur par exemple, le systeme réduit à son centre est assimilable, sur le plan magnétique et électrique, à - un champ magnétique à deux composantes, l'une radiale, l'autre axiale, alternatives et de même période suivant l'alimentation en courant ou la commutation des pâles statoriques inducteurs - un paire de pâles rotoriques constituant un dipôle dont l'axe n'est pas perpendiculaire à l'axe de rotation, ni confondu avec cet axe. Ainsi, si le champ inducteur est périodique et de fréquence f, la vitesse de rotation synchrone du rotor correspondra à un angle de rotation de fréquence double 2f. En effet, chaque changement de polarité d'un ple statorique, soit une demi-période, correspond à un tour complet du pûle rotsrxque correspondant. Pour une machine à plusieurs paires de pâles, alimentée en courant polyphasé et par exemple à stator inducteur,lile système réduit à son centre est assimilable à : - un champ magnétique qui est la résultante d'un champ tournant radial et d'un champ alternatif axial de même pulsation - une association de paires de pâles rotorique constituant une association de diples dont les axes ne sont ni perpendiculaires à l'axe de rotation, ni confondus avec cet axe, et sont superposables l'un à l'autre par rotation autour de l'axe suivant un angle multiple de 21top ,p désignant le nombre de paires de pâles. Ainsi, si le champ inducteur polyphasé est de fréquence f, et pour une seule paire de piles par phase, la vitesse de rotation synchrone du rotor correspondra à un angle de rotation de fréquence double 2f. De la même manière que précédemment, chaque changement de polarité d'un pôle statorique, soit une demi-periode, correspond à un tour complet du pBle rotorique correspondant. Pour une fréquence habituelle f égale à 50 Hz, la vitesse de synchronisme devient égale à 6000 tours/ minute, et est par conséquent doublé. Même dans le cas d'une machine asynchrone, admettant un certain glissement, on obtient donc une augmentation importante de la vitesse de rotation, tout en conservant une machine réalisable par des techniques très courantes, donc de fabrication et d'entretien économiques. En plus des avantages liés à la grande vitesse synchrone des machines conformes à l'invention, il faut noter que le décalage axial des pâles associés permet de doubler l'angle maximal occupé par chaque ple, donc de doubler la surface d'entrefer pour une machine ayant un diamètre de rotor donné, ce qui permet soit d'augmenter la puissance, soit de réduire les tolérances de fabrication : en effet, pour une puissance donnée, l'épaisseur de l'entrefer est augmentée, d'où une réalisation plus facile et plus économique. Enfin, à puissance donnée et épaisseur d'entrefer fixée, on peut aussi réduire le diamètre du rotor, ce qui permet un meilleur refroidissement de la machine et est plus favorable aux vitesses élevées ici atteintes. 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, quelques formes de réalisation de cette machine tournante électrique Figure 1 est une vue en perspective d'une machine monophasée conforme à l'invention, avec deux piles statoriques et deux piles rotoriques décales axialement et situés sur des génératrices diamétraLement opposées Figure 2 est une vue en perspective du rotor seul de la machine monophasée de figure 1 Figure 3 est une vue en bout de cette machine Figure 4 en est une vue en coupe longitudinale, suivant 4-4 de figure 3 Figure 5 est une vue en perspective d'une machine monophasée conforme à l'invention, avec deux pâles statoriques et deux pâles rotoriques décalés axialement et situés sur une même génératrice Figure 6 est une vue en perspective du rotor seul de la machine monophasée de figure 5 Figure 7 est une vue en coupe longitudinale de la machinemonophasée de figure 5 Figure 8 est une vue en coupe longitudinale, très schématique, d'une machine triphasée conforme à la présente invention Figures 9 et 10 sont des vues en coupe transversale respectivement suivant 9-9 et 10-10 de figure 8, montrant la disposition des trois paires de piles statoriques de cette machine triphasée ; Figure 11 est une vue en coupe longitudinale relative à une dernière forme de réalisation de la machine tournante électrique selon l'invention. La machine tournante électrique monophasée, représentée aux figures 1 à 4, comprend une carcasse 1 à l'intérieur de laquelle sont maintenus deux piles statoriques associés 2a et Zb, et un rotor cylindrique 3 monté sur un arbre 4 qui tourne dans des paliers non représentés ; la carcasse 1 est représentée seulement partiellement sur la figure 1, afin de rendre visible les parties internes. Les deux pâles statoriques associés 2a et 2b sont formés de t8les empilées 5 entourées d'un bobinage 6, d'une manière classique permettant d'obtenir simulta nément une polarité Nord pour l'un des pâles et une polarite Sud pour l'autre pâle, et une densite de courant périphérique appropriée. Selon l'invention, ces deux pâles statoriques 2a et Z , situa sur des generatrices diamétralement opposees du stator nesont pas places directement en regard l'un de l'autre, mais sont au contraire décalés l'un par rapport à l'autre, suivant la direction de l'axe de rotation 7 du rotor 3.Comme le montre le figure 4, ie décalage axial d des deux pales 2a et 2b est pratiquement régal à la longueur de l'un de es pôles. Le rotor cylindrique 3 est formé d'un empilement de tôles 8, et il porte des conducteurs 9 en courtcircuit, dont l'un seulement est représenté et est bien visible, notamment, à la figure 3. Les enroulements formés par les conducteurs en boucle 9 définissent, sur le rotor 3, deux piles 10a et 10b qui, comme ceux du stator, sont situés sur des génératrices diamétralement opposées, et sont décalés l'un par rapport à l'autre, suivant la direction de l'axe 7. Ainsi, à un instant donné, les deux pâles rotoriques 10a et 10b se retrouvent directement en regard, respectivement, des deux piles statoriques 2a et 2b, comme le montrent les figures 3 et 4. La circulation du champ magnétique 11, créé par les pâles statoriques 2a et 2b, se fait - radialement dans ces pales statoriques 2a et 2b, - radialement dans l'entrefer cylindrique 12 séparant les piles statoriques 2a et 2b des piles rotoriques 10a et 10b, - radialement dans ces piles rotoriques 10a et 10b, - axialement entre les deux piles rotoriques 10a et 10b, par l'arbre 4 du rotor 3, - enfin, en spirale dans la carcasse 1, entre les deux pales statoriques 2a et 2b. Les figures 5 à 7 concernent encore une machine monophasée, dont les diverses parties, correspondant à celle sécrites précédemment, sont désignées par les mêmes repères. Les deux pales statoriques associés 2e et 2b possé- dent toujours un décalage axial d, mais ils sont ici montés à l'intérieur de la carcasse 1 sur une même génératrice. Les conducteurs 9 des enroulements du rotor 3, toujours en court-circuit, forment des boucles "croisées" comme le montre la figure 6, de maniere à définir deux pales rotoriques 10e et 70b décalés axiale ment et situés, eux aussi, sur une méme génératrice, donc susceptibles à un instant donné de venir dixecte- ment en regard, respectivement, des deux piler statori ques 2a et 2b. Comme le montre la figure 7, la circulation du champ magnétique Il s'effectue suivant les mimes direc tions que précédemment, toutefois le champ se referme axialement à l'intérieur de la carcasse 1, ce qui permet d'envisager une carcasse n'entourant pas complu' tement le rotor 3, d'oU économie de matière et réduction d'encombrement. Les figures 8 à 10 représentent, de manière très schématique, une machine triphasée dont le stator possède trois paires de ples associés : 2a, 2b - 2'a, 2'b - Z"a, 2"b. Chaque pale statorique, tel que le pôle 2a, est décalé suivant l'axe 2 par rapport au pale associé tel que 2b, ces deux pâles étant situés sur des génératrices diamétralement opposées du stator. Comme le montrent les figures 9 et 10, chaque pale statorique peut occuper un angle de 1200 par exemple, au lieu de 600 dans une machine triphasée classique ce qui double la surface de l'entrefer 12 pour une machine ayant un rotor 3 de diamètre donné. Le rotor 3 comporte des enroulements en court circuit qui définissent, de façon correspondante, trois paires de pales associés avec, pour chaque paire, deux pales rotoriques, décalés axialement et diamétralement opposés. Pour la clarté du dessin, la figure 8 montre seulement un conducteur en boucle 9, appartenant à l'un des trois enroulements qui définissent chacun deux piles rotoriques associés 10e et lOb. Les principes de réalisation décrits ci-dessus et illustrés par le dessin s'adaptent à tous les types de machines tournantes électriques - machines synchrones, fonctionnant en générateur ou en moteur, la vitesse de rotation synchrone étant doublée par rapport à la vitesse habituelle, pour une fréquence donnée - machines monophaséf, pourvues de préférence d'un système de déphasage pour obtenir un sens déterminé de démarrage, et machines polyphasées - machines asynchrones à rotor en court-circuit, bobiné ou à cage simple ou multiple (la cage devant toutefois être divisée longitudinalement par un anneau intermédiaire, pour séparer des pales rotoriques décalés axialement); - machines multipolaires, tournant à de plus faibles vitesses. Une application plus particulière de l'invention, illustrée par la figure 11, est un moteur universel, c'est-à-dire pouvant être alimenté soit en courant continu, soit en courant alternatif. Le stator comprend encore, montés à l'intérieur de la carcasse 1, des pales décalés axialement 2a et 2b, avec leurs tales 5 et leurs bobinages 6, associés par leur circuit d'ali- mentation 13 de sorte que l'un des pales soit Nord et l'autre Sud, à tout instant. Le rotor 3 comprend des conducteurs 9 reliant entre elles deux bagues lisses collectrices extrêmes 14 et 15 et une bague lisse collectrice intermédiaire 16, qui coopèrent avec des balais respectifs 17,18 et 19. L'alimentation du rotor 3 s'effectue ainsi sans problèmes de commutation. Le champ magnétique Il se boucle, à llintérieur de ce moteur, suivant les directions de circulation déjà mises en évidence dans la description des precedentes formes de réalisation. Comme il va de soi, et comme il résulte aussi de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation de cette machine tournante électrique qui ont e été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes fondées sur le même principe. REVENDICATIONS 1. - Machine tournante électrique, constituée d'un stator et d'un rotor (3) monté sur un arbre (4) tournant dans des paliers, le stator étant séparé du rotor par un entrefer cylindrique (12), caractérisée en e que les deux pales de chaque paire de piles associés (2a, 2b ; 2'a,2'b ;; 2"a,2"b) du stator ne sont pas disposés directement en regard l'un de l'autre mais sont décalés l'un par rapport à l'autre suivant la direction de l'axe de rotation (7) du rotor (3), et en ce que les deux pales de chaque paire de pales associés (10a,10b) du rotor (3) sont eux aussi décalés l'un par rapport à l'autre suivant la direction de l'axe de rotation (7) de ce rotor (3), de manière à pouvoir se retrouver directement en regard, respectivement, des deux pales d'une paire de pales associés du stentor. 2. - Machine tournante électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le décalage axial (d) des deux pales de chaque paire de pales associés (2a,2b ; 2'a,2'b ; 2"a,2"b ; 10a,10b), au stator et au rotor (3), est sensiblement égal à la longueur d'un pale. 3. - Machine tournante électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le décalage axial (d) des deux pales de chaque paire de pales associés, au stator et au rotor, est supérieur à la longueur d'un pale. 4. - Machine tournante électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le décalage axial (d) des deux pales de chaque paire de pales associés, au stator et au rotor, est inférieur à la longueur d'un pale, les deux piles associés se chevauchant partiellement, dans la direction de l'axe (7) de la machine. 5. - Machine tournante électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les deux pales de chaque paire de pales associés (2a, 2b ; 2'a,2'b ; 2"a,2"b) du stator, ainsi que de chaque paire de pales associés (10a,10b) du rotor (3), sont disposes suivant des génératrices diamétralement opposées, respectivement du stator et du rotor. 6. - Machine tournante électrique monophasé selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend deux pales statoriques (2a,2b), montés à l'intérieur d'une-carcasse (1) suivant des génératrices diamétralement opposées et avec un décalage axial (d), et un rotor cylindrique (3) bobine en court-circuit, avec des conducteurs (9) en boucle définissant deux pales rotoriques (10a,10h) situés sur des genératrices diamétralement opposées et décalés axialement. 7. - Machine tournante électrique triphasée selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend, au stentor, trois paires de pales associés (2a,2b ; 2'a, 2'b ; 2a, 2"b}, chaque pale statorique pouvant occuper un angle maximal de 1200 étant décalé axialement par rapport au pale associé situé sur une génératrice dia métralement opposée, et au rotor (3), des conducteurs (9) en boucle formant trois enroulements qui définissent chacun deux pales rotoriques associés (10a,10b), décalés axialement et diamétralement opposes. 8. - Machine tournante électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les deux pales de chaque paire de pales associés (2a,2b 2'a,2'b ; 2a,2b) du stentor, ainsi que de chaque paire de pales associés (10a, 10b) du rotor (3), sont disposés suivant une m & e génératrice du stator ou du rotor. 9. - Machine tournante électriquemonflphesée selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend deux pales statoriques (2a,2b), montés à l'intérieur d'une carcasse (1) suivant une même génératrice et avec un décalage axial (d), et un rotor cylindrique (3) bobiné en court-circuit, avec des conducteurs (9) en boucle "croisée" définissant deux pales rotoriques (10a, 10b) décalés axialement et situés sur une mme génératrice. 10. - Machine tournante électrique universelle selon lune quelconque des revendications 1à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend, au stator, des pales décalés axialement (2a,2b), et au rotor (3), des conducteurs (9) reliant entre elles des bagues lisses collectrices extrêmes (74,15) et intermédiaire (16), coopérant avec des balais respectifs (17,18,19).