Brevet FR2545292A1 — publié le 19841102

La présente invention se rapporte à un petit moteur électrique synchrone réversible b démarrage automatique, comportant un rotor a magnétisation permanente et un stator dont l'enroulement se compose d'un brin principal et d'un brin auxiliaire présentant tous deux des valeurs résistives électriques appronimetivement égales, le brin auxiliaire étant branché en parallele ou en série avec un condensateur de de service. D'après le manuel Valvo intitulé "Motoren", novembre 1976, pages 23 a 29, on connaît la réalisation électrique et le mode de fonctionnement d un petit moteur synchrone réversible doté d'un rotor à magnétisation permanente consistant en un matériau magnétique de faible énergie. Ce petit moteur synchrone tourne toujours dans le même sens indépendamment de la valeur de la tension d' d'alimentation et de la charge. Son rendement est toutefois limité a 509 au maximum et il ne peut pas non plus excéder cette valeur par un renforcement de l'excitation. En revanche, les variations de vitesse angulaire augmentent au fur et a mesure que l'excitation croit. L'invention a par conséquent pour objet de dimensionner un petit moteur synchrone réversible, de telle sorte que le rendement augmente toujours lorsque l'excitation croît et que les variations de vitesse angulaire diminuent au moins lorsque ce petit moteur synchrone est chargé. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par le fait que le rotor consiste en un matériau magnétique de grande énergie et de faible rémanence et que, en cas de charge d'inversion et en présence de la tension nominale d'alimentation, la résistance effective de chaque brin statorique est au maximum égale d > 80% de l'inductance de ce brin. L'invention va â présent être décrite plus en détail a titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une représentation schématique d'un petit moteur synchrone réversible la figure 2 est un schéma électrique équivalent de ce petit moteur synchrone la figure 3 est un diagramme vectoriel des tensions et des intensités à l'intérieur dF-un petit moteur synchrone dont le rotor consiste en un matériau magnétique de faible énergie la figure 4 illustre des courbes caractéristiques du rendement, des variations de vitesse angulaire et du rapport résistance effective/inductance d'un brin statorique du petit moteur synchrone dont le rotor consiste en un matériau magnétique de faible énergie la figure 5 est un diagramme vectoriel des tensions et des intensités dans un petit moteur synchrone dont le rotor consiste en un matériau magnétique de grande énergie et la ligure 6 montre des courbes caractéristiques du rendement, des variations de vitesse angulaire et du rapport résistance effective inductance d'un brin statorique du petit moteur synchrone dont le rotor consiste en un matériau magnétique de grande énergie Sur toutes les figures des dessins, les mêmes références numériques désignent des éléments identiques. Conformément à la figure 1, le petit moteur synchrone réversible se compose d'un stator 1 dont l'enroulement comprend deux brins statoriques (un brin principal 2 et un brin auxiliaire 3), ainsi que d'un rotor 4 a magnétisation permanente. En vue de simplifier le dessin, on a admis que le rotor 4 possède seulement des polies N et S. Les considérations qui suivent s'appliquent naturellement aussi à un rotor 4 comportant plusieurs paires de pâles. On sait qu'un tel petit moteur synchrone peut être utilisé avec un montage en parallèle ou un montage en série des deux brins de son stator. Sur la figure 1, on a considéré le cas d'un montage en parallèle, c'est-à-dire qu'un condensateur de service C est branché en série avec le brin auxiliaire 3, puis ce branchement en série est ensuite monté en parallèle au brin principal 2. te montage en parallèle ainsi consti tué est alimenté, par l'intermédiaire d'un contact d'enclenchement 5, par une source d'alimentation 6 délivrant une tension alternative UN Dans le montage en série non représenté, le condensa teur-de service C serait branché an parallèle au brin auxiliaire 3 à l'aide du contact à , d'enclenchement 5 et ce branchement en parallèle serait raccordé an série au brin principal 2. Le montage en série ainsi formé serait directement alimenté par la source d'alimentation 6 Sur toutes les figures des dessins examinées ci-après, il s'agira toujours d'un montage an parallèle. Les deux brins statoriques 2 et 3 sont des enroulements massifs et se trouvent dans deux groupes statoriques identiques décalés électriquement de 90 . Les brins principal et auxiliaire engendrent des champs magnétiques alternatifs qui accusent un décalage de phase dans le temps et un décalage d'angle dans l'espace, et dont les effets qu'ils exercent sur le rotor se conjuguent pour former un champ tournant. Ainsi, le rotor 4 démarre automatiquement et tourne dans une direction prédéterminée. Le contact d'enclenchement 5 est réalisé sous la forme d'un commutateur. Il sert seulement à intervertir les rôles joués par le brin principal 2 et le brin auxiliaire 3, et donc à inverser le sens de rotation du petit moteur synchrone, du fait que l'un et l'autre des pâles du condensateur C sont alternativement reliés directement à la source d'alimentation 6. La figure 2 illustre'le schéma équivalent du petit moteur synchrone selon la figure 1. L'indice 2 designe toutes les grandeurs électriques du brin principal 2 et l'indice 3 s'applique à celles du brin auxiliaire 3. La réactance inductive principale X'2 ou X'3 de chacun des brins statoriques respectifs est branchée en série avec sa tension d'excitation UE2 ou UE3' , puis le montage en série ainsi obtenu est branché en parallèle avec la résistance respective RFe2 ou RFe3 à pertes dans le fer du brin statorique considéré. Le montage en parallèle ainsi obtenu est à son tour branché en série avec le montage en série de la résistance effective R2 ou R3 et de la réactance inductive de dispersion X"2 ou X"3 du brin statorique considéré. On admettra ci-aprds que les pertes dans le fer des deux brins statoriques sont négligemment petites, c'est-adire que RFe2 = RFe3 = @, Dans ce cas, les résistances à pertes dans le fer peuvent être supprimées de la représen- tation selon la figure 2, c'est pourquoi elles sont seulement illustrées par des pointillés sur cette figure. La réactance inductive principale X'2 ou X'3 et la réactance inductive de dispersion X"2 ou X"3 de chacun des brins statoriques respectifs sont alors directement branchées en série, ce qui donne X2 = X'2 + X"2 et X3 = X'3 + X"3' Où X2 ou X3 désigne respectivement l'inductance totale du brin statorique considéré. Etant donné que les deux brins statoriques sont géné- ralement de réalisations identiques, ils possèdent tous deux des valeurs résistives approximativement égales, ce qui donne en plus X2 X3 R2 = R3 = R et UE2 = UE3 Us Le rapport résistance effective/inductance d'un brin statorique est alors R/X. Les diagrammes vectoriels des figures 3 et 5 s'appliquent dans ces hypothèses. Les figures 3 à 6 vont à présent être commentées plus en détail en décrivant le fonctionnement. Les courbes caractéristiques des figures 4 et 6 ont été tracées en fonction de l'excitation relative UE/UN. Les petits moteurs synchrones sont dimensionnés de façon que la puissance réactive qu'ils absorbent soit négligemment petite. Tel est le cas lorsque dans les deux brins statoriques 2 et 3, le décalage de phase entre les courants est de O'. Par conséquent, dans le montage en parallèle des deux brins statoriques, î'inductance d brin principal 2 doit, de manière connue, être dimensionnée telle que l'angle de dephasage entre la tension d'alimentation et le courant soit de + 45 dans ce brin principal 2, tandis que la valeur du condensateur de service C doit être choisie telle que l'angle de déphasageentre la tension d'alimentation et le courant soit de -45 dans le brin auxiliaire 3.Comme il ressort aisément du diagramme vectoriel correspondant de la figure 3, cela se traduit, dans de petits moteurs synchrones munis de rotors 4 en matériau magnétique à faible énergie, par la condition de double dimensionnement selon laquelle - la résistance effective R et l'inductance X de chacun des brins statoriques doivent être choisies approximati vement égales et - l'inductance XC du condensateur C doit être choisie égale au double de l'inductance X de chacun des brins statoriques. En effet, avec des rotors 4 en un matériau magnétique de faible énergie, on obtient UE2 = UE2 = UE = O. Dans cette hypothèse et en négligeant les pertes dans le fer, on obtient pour la figure 2 les équations sui vantes IN = I2 + I3' (1) UN = R2I2 + jX2I2 = X 2 + UX2 (2) et UN = jXCI3 + R3I3 + jX313 =UC + UR3 + UX3 ' (3) En représentation complexe, les valeurs précitées sont les auivantes 12 ou I3 représente le courant électrique parcourant le brin principal 2 ou le brin auxiliaire 3, respectivement, IN désigne le courant d'alimentation délivré par la source 6, XC$désigne l'inductance 1/wC du condensateur de service C, UC correspond à la baisse de tension élèctrique au conden sateur C, UX2 ou UX3 représente la baisse de tension électrique dans l'inductance du brin principal 2 ou du brin auxiliaire 3, respectivement, et XR2 ou UR3 désigne la baisse de tension électrique dans la résistance effective dudit brin respectif principal 2 ou auxiliaire 3. Sur la figure 3, le triangle ABM, dans lequel AB = I3' BM = I2 et AM = IN, représente le diagramme vectoriel de l'équation (1). Le triangle AED correspond à l'équation (2), avec AE UR2' ED = i2 et AD = UN. Dans ce cas, AE est parallèle à BM et, à cause de l'inductance, ED est déphasé de 900 en avant par rapport à AE. La suite de vecteurs AFGD correspond à l'équation (3), avec AF = UR3' FG = Ux3 et GD = UC' AD étant toujours égal à UN. AF s'étend dans la même direction que AB et, à cause de l'inductance, FG est déphasé de 900 en avant par rapport à AF, tandis que, du fait de la capacitance, GD est décalé de 1800 en arrière par rapport à FG, cela en négligeant la résistance effective du condensateur de service C. Il ressort directement de la figure 3 que la puissance réactive absorbée par l'enroulement statorique est nulle lorsque les vecteurs UN = AD et IN = M4 sont en phase, c'est-à-dire lorsque le point M se trouve sur la droite AD. Comme mentionné ci-dessus, tel est le cas lorsque l'angle ABM est égal à 90C, c'est-à-dire lorsque BM(et donc également AE) est parallèle à CD et que AF est parallèle à ED. Lorsque l'angle EAD est en outre égal à 45 , AEDF est un carré et il existe une identité absolue entre les valeurs de AE, AF, FD et ED, d'une part, et de AB et BM, d'autre part. Cela implique les deux conditions de dimensionnement précitées. Ensuite, du fait que les deux brins statoriques sont de réalisations identiques, on obtient R2 = R3 = R et X2 = X3 = L'identité AE = ED donne : UR2 = UX2' c'est-à-dire que R2 12 = X2 12 ou que R2 = X2 ce qui fait que R3 =X3. l'équation AF = FD = GD - FG donne : UR3 = UC - UX3' c'est-à-dire que : R3. I3 = XC . I3 - X3 . I3' ou bien R3 = XC - X3' et l'identité R3 = X3 donne : X3 = XC - X3 ou bien X3 = XC/2, et donc X2 = XC/2. Lors du branchement en série du petit moteur synchrone, on obtient de la même manière les deux conditions de dimensionnement suivantes R2 = R3 = R = X2 = X3 = X et X2 = X3 = X = Ainsi, la première de ces deux conditions est identique à la première condition de dimensionnement du branchement en parallèle. Les petits moteurs synchrones ainsi dimensionnés possèdent, en fonction de UE/UN' les courbes caractéristiques représentées sur la figure 4 et concernant le rendement , la variation S de vitesse angulaire et le rapport d = R/X = 1 entre la résistance effective et l'inductance d'un brin statorique. Cette dernière courbe caractéristique est ainsi une ligne horizontale tracée à 100%. La courbe caractéristique S croft en permanence au fur et à mesure que UE/UN augmente et, lorsque UE/UN = 70 %, la courbe caractéristique n accuse un maximum de 50%. Cette valeur maximale de ri n'est jamais atteinte dans la pratique et, dans tous les cas, elle ne peut jamais être dépassée avec de petits moteurs synchrones ainsi dimensionnés. Pour obtenir néanmoins un rendement accru, il faut, d'une part, augmenter UE/Ug par le choix dun rotor 4 en un matériau magnétique de grande énergie et de faible rémanence, par exemple un matériau magnétique du type métal des terres rares-cobalt ou du type manganèse-alu minium-carbone ; d'autre part, il faut modifier au moins l'une des deux conditions de dimensionnement La figure 5 est un diagramme vectoriel illustrant le petit moteur synchrone modifié. Dans ce cas, en plus de l'équation (1) susmentionnée, on obtient les équations suivantes UN = R2I2 + jX2I2 + UE2 = UR2 + UX2 + Ue (4) et UN = UC + R3I3 + JX3I3 + UE3 = UC + UR3 + UX3 + UE' (5) car, du fait que le rotor 4 consiste en un matériau magnétique de grande énergie, la valeur UE2 = UE3 = UE ne peut plus etre négligée, mais est au moins égale à 20% de la valeur UX2 ou UX3 en présence de la tension nominale d'alimentation et d'une charge d'inversion. Par :charge d'inversion", il faut comprendre la charge en présence de laquelle le petit moteur perd son synchronisme. Le diagramme vectoriel de la figure 5 présente une structure analogue à celui de la figure 3, à cette différence qu'on y a ajoute les vecteurs EH = UE2 et FK = UE3 et ces deux vecteurs possèdent certes la même valeur UE' mais, en présence de la charge d'inversion, EH = UE2 est approximativement en phase avec UR2 et FK = UE3 est approximativement en phase avec UR3' Le triangle AHD et la suite de vecteurs AFKGD correspondent respectivement à l'équation (4) et à l'équation (5) Cette fois, AKDH est un carré et, avec R2 = R3 = R et X2 = X3 = X, on obtient les deux conditions de dimensionnement a) et b) ci-après a) AH = AE + EH = HD, c'est-à-dire que UR2 + UEs = UX2 ou UR2 = UX2 - UE2 il en résulte que UR2 # 80 % UX2 ou R2 etant donné que R2 = R3 = R et que X2 = X3 = on obtient de manière générale R b) AK = KD donne AF + FK = GD - KG ou UR3 + UE3 =UC Ux3 ou bien, respectivement, UC = UR3 + UE + Ux3. Etant donné que UR3 = UR2' UX2 = UX3' UR3 UX3 et UE # 20 % UX3' on obtient UC = 2UX3 ou XC = 2X3, ou bien X3 = X = Xc/2. En revanche, dans le cas du branchement en série du petit moteur synchrone, on obtient les deux conditions de dimensionnement suivantes R X = XC La première de ces deux conditions est ainsi de nouveau identique dans les deux types de branchements. Les petits moteurs synchrones présentant un tel dimensionnement modifié possèdent, en fonction de UE/UN, les courbes caractéristiques illustrées sur la figure 6 et concernant le rendement n , les variations S de vitesse angulaire et le rapport d = R/X entre la résistance effective et l'inductance d'un brin statorique. Dans ce cas, la courbe caractéristique S est une ligne horizontale de valeur O^, c'est-a-dire que ces variations sont pratiquement nulles. En revanche, le rendement n ne possède plus aucun maximum, mais croit en permanence jusqu'à la valeur 100 % au fur et à mesure que les valeurs de UE/UN augmentent, cette dernière valeur de 100 % n'étant cependant atteinte que lorsque la valeur d = R/X = O, ce qui n'est pas réalisable dans. la pratique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au moteur décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention REVENDICATIONS 1. Petit moteur synchrone réversible à démarrage automatique, comportant un rotor à magnétisation permanente et un stator dont l'enroulement se compose d'un brin principal et d'un brin auxiliaire possédant tous deux des valeurs résistives électriques approximativement égales, le brin auxiliaire étant branché en parallèle ou en série avec un condensateur de service, moteur caractérisé par le fait que ledit rotor (4) consiste'en un matériau magnétique de grande énergie et de faible rémanence , et par le fait que, en cas de charge d'inversion et en prd- sence de la tension nominale d'alimentation, 1a résistance effective (R) de chaque brin statorique (2 ; 3) est au maximum égale à 80 % de l'inductance (X) de ce brin 2. Petit moteur synchrone selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau magnétique de grande énergie et de faible rémanence est un matériau magnétique du type métal des terres rares-cobalt. 3. Petit moteur synchrone selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau magnétique de grande énergie et de faible rémanence est un matériau magnétique du type mangandse-aluminium-carbone.