Brevet FR2547123A1 — publié le 19841207

1, Machine tournante dynamo-électrique à réluctance variable La présente invention concerne les machines tournantes dynamo-électriques à réluctance variable du type comprenant un rotor à disques et un stator comportant des disques alter5 nés avec ceux du rotor et portés par une carcasse magnétique de fermeture d'un circuit magnétique, des moyens portés par le stator créant un champ alternatif dirigé axialement à travers les disques qui comportent des plots magnétiques régulièrement répartis angulairement autour de l'axe. Elle trouve une application importante, bien que non exclusive, dans le domaine des moteurs fonctionnant à une fréquence élevée, supérieure à la fréquence normale du réseau. Dans ces machines, souvent appelées "polydisco'des", le flux magnétique est maximal lorsque tous les plots sont alignés axialement Lorsqu'au contraire les plots du rotor sont en quinconce avec les plots du stator, le flux est minimal. Les machines tournantes à réluctance variable ont des caractéristiques intéressantes, surtout aux fréquences éle20 vées que permettent maintenant d'atteindre à un prix modéré les alimentations incorporant une électronique de puissance à composants solides Le rendement est élevé lorsque le nombre de plots magnétiques par disque est grand Le couple volumique est également élevé lorsque le nombre de disques 25 est important. Une machine simple à réluctance variable a l'inconvénient d'un couple instantané très variable suivant la position relative des disques rotoriques et statoriques Ce couple peut même s'inverser pour certaines positions Pour écarter cet inconvénient,on a déjà proposé (brevet US 3 992 641) de monter, sur un même arbre de machine, N groupes de disques rotoriques, chaque groupe étant associé à des bobinages alimentés par une des m phases d'une alimentation électrique. Si en théorie cette disposition est séduisante,-sa réa35 lisation pratique fait apparaître des problèmes dont l'ampleur peut conduire à rejeter cette approche. Un premier problème est lié à l'instabilité axiale inhérente à ce type de machine Lorsqu'un disque est plongé dans le champ magnétique créé par les moyens portés par le stator, il est soumis, non seulement aux forces azimutales utiles, mais aussi à des forces axiales (normales aux entrefers) dont la valeur varie avec la position et/ou les flexions du disque Or, les tolérances inévitables de fabrication et de montage des disques sur le rotor d'un bout à l'autre de l'empilement se cumulent et font qu'il est impossible de garantir un centrage satisfaisant des disques rotoriques entre les disques statoriques dans une machine à plusieurs couples 10 de disques successifs Et même si ces tolérances étaient respectées lors du montage, les dilatations différentielles intervenant lors de la montée à la température de fonctionnement se traduiraient par un décentrage source de forces axiales et d'instabilités La saillie radiale des disques 15 dans les machines envisagées jusqu'ici est telle que ces disques présentent fréquemment un voilage qui aggrave le problème En conséquence, il est nécessaire de prévoir des jeux axiaux inter-disques importants Or, la puissance par unité de masse qu'il est possible d'obtenir est une fonction 20 fortement décroissante de l'importance des jeux. Par ailleurs, on se heurte au problème de l'usure rapide par matage des moyens qui solidarisent en rotation les disques, généralement en matériau isolant, de l'arbre, généralement en acier, par suite de la-non uniformité du couple 25 transmis. On pourrait penser que le problème peut être résolu en scindant la machine en plusieurs unités complètes, dont les arbres sont accouplés Mais cette constitution conduit à une machine d'encombrement axial excessif et, au surplus, laisse 30 subsister le problème de centrage au sein d'une même unité, problème qui conduit à limiter pratiquement à trois le nombre de disques rotoriques d'une même unité, alors que la puissance par unité de masse qu'il est possible d'obtenir augmente avec le nombre de disques par groupe. L'invention vise à fournir une machine répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet de surmonter les problèmes cidessus. Dans ce but, l'invention propose notamment une machine du type ci-dessus défini, dont lesdits moyens de création du champ alternatif comprennent au moins trois bobinages alimentés par les différentes phases d'une alimentation polyphasée, les disques étant répartis en au moins trois groupes et étant associés avec lesdits moyens et le circuit magnétique de façon que chaque groupe soit traversé par le champ créé par une phase différente, caractérisée en ce que chaque groupe de disques rotoriques est individuellement centré axialement par rapport au groupe de disques statoriques correspondant par'des paliers de butée et des cales de réglage. Une mesure supplémentaire pour résoudre le problème du centrage consiste à donner une valeur élevée, typiquement supérieure à 0,5, au rapport entre le diamètre interne du disque, au niveau duquel est transmis le couple entre disques et arbre, et leur diamètre externe On réduit ainsi, à surface active égale, la saillie radiale et donc le risque de voilage On réduit en même temps les contraintes d'encastrement; ce qui évite l'usure prématurée par matage Enfin, 20 on diminue les masses des circuits de retour, ce qui est un élément supplémentaire favorable à une puissance massique élevée. Cette disposition, qui revient à fractionner la machine en modules, conduit habituellement à concevoir l'arbre rota25 tif en tronçons associés chacun à un module Etant donné la valeur élevée du rapport entre diamètre interne et diamètre externe des disques rotoriques,'on sera amené a utiliser des tronçons d'arbte creux dès que la machine est de taille suffisante De façon à donner une résistance structurelle élevée 30 à l'arbre, à résoudre les problèmes d'accouplement entre' tronçons et à réduire les phénomènes de torsion, on prévoira avantageusement un arbre interne (qui peut être l'arbre d'un des modules) sur lequel seront placés les arbres creux des autres modules On peut facilement obtenir une portée impor35 tante de chaque arbre creux par rapport a son diamètre, ce qui donne une grande rigidité à l'arbre composite finalement obtenu. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription qui suit de modes particuliers d'exécution de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et de la comparaison qui en est faite avec l'art antérieur La description se réfère aux figures qui l'accompagnent, dans lesquels: la Figure 1 est une vue schématique, en coupe suivant un plan passant par l'axe, d'une machine tournante suivant l'art antérieur, à un seul groupe de disques rotoriques; les Figures 2 et 3, similaires à la Figure 1, sont des 10 schémas montrant deux constitutions possibles de machines à plusieurs modules; la Figure 4 est un schéma de principe d'une machine suivant l'invention, utilisant un circuit magnétique dont la constitution est similaire a celle montrée en Figure 2 la Figure 5 montre, en coupe suivant un plan passant par l'axe, la constitution d'un des modules latéraux d'une machine construite sur le principe montré en Figure 4; les Figures 6 et 7 sont des vues de détail montrant un fragment de disque rotorique utilisable dans le module de 20 la Figure 5, respectivement en coupe suivant un plan passant par l'axe et en vue de face; la Figure 8, similaire à la Figure 4, montre une variante de réalisation dont le circuit magnétique correspond au schéma de principe de la Figure 3. Avant de décrire l'invention, on rappellera brièvement la constitution et les caractéristiques d'une machine tournante à réluctance variable de type classique. La machine 10 montrée en Figure 1 comporte un rotor 11 et un stator 12 Le stator 12 comprend une carcasse 13 for30 mant circuit magnétique, portant des moyens 14 de création d'un champ magnétique et une série de disques statoriques 17 traversés par le flux magnétique Le rotor 11 comporte une série de disques 16 alternés avec les disques 17 Entre les disques statoriques et rotoriques subsistent des entre35 fers 15 dans lesquels le champ magnétique est parallèle à l'axe Les disques 17 et 16 ont une constitution similaire. Ils comportent un même nombre de plots magnétiques fixés dans un plateau isolant Le nombre et la forme des plots régulièrement répartis angulairement autour de l'axe sont 2547 Â 23 les mêmes pour les disques statoriques 17 et rotoriques 16. Les plots magnétiques des disques statoriques 17 sont alignés De même, les plots des disques rotoriques sont alignés Lorsque tou-s les plots ont la même position angulaire, le flux magnétique est maximal Lorsque les plots sont en quinconce, le flux est minimal. Chacun des disques 17 et 16 plongés dans le champ créé par les moyens 14, constitués par un bobinage, est soumis à deux types de forces Les forces azimutales créent le couple 10 utile (couple d'entraînement dans le cas d'un moteur) Les forces axiales, c'est-à-dire normales à l'entrefer, sont nuisibles en ce qu'elles sont source d'instabilité axiale. L'un des inconvénients d'une machine du genre montré en Figure 1 est que le couple rotorique varie en fonction de la 15 position angulaire du rotor Pour écarter ce défaut, on a envisagé de fractionner la machine en plusieurs modules alimentés par des phases différentes d'une même source Les Figures 2 et 3 correspondent au cas o la machine 10 est triphasée Le rotor Il porte alors trois jeux ou groupes de disques 16 Chacun des jeux de disques est associé à un enroulement 141, 142 ou 143 constituant les moyens de création du flux magnétique Chacun des enroulements 141, 142 et 143 est alimenté par l'une des phases d'une source d'alimentation triphasée Les trois jeux de disques sont portés par le même 25 arbre, avantageusement d'une seule pièce pour plus de rigidité A chaque jeu de disques rotoriques 16 est associé un jeu correspondant de disques statoriques alternés avec eux, les deux disques terminaux étant en règle générale des disques statoriques. On voit qu'on constitue ainsi une machine à trois modules. Dans chaque module, les plots des disques sont décalés des plots des autres modules d'un intervalle angulaire égal au tiers de l'espacement angulaire des plots. Dans le mode de réalisation montré en Figure 2, les35 stators constitutifs des trois modules sont distincts et fixés rigidement l'un à l'autre par des liaisons 19 L'arbre est centré par rapport au stator par deux paliers 20 et 21. Dans le cas montré en Figure 3, on met en commun certaines parties des circuits magnétiques de retour des flux sur deux modules adjacents (parties 22 et 23). Pour que les performances d'une telle machine soient satisfaisantes, il est souhaitable de fonctionner en régime à saturation marquée et, pour cela, les moyens 14 l, 142, 143 sont avantageusement prévus de façon à permettre d'y faire circuler à la fois un courant continu et un courant alternatif. Dans un premier mode d'exécution de l'invention, schéma10 tisé en Figure 4, on constitue un arbre unique composite à partir d'un arbre interne creux 24 sur lequel est monté le groupe de disques rotoriques appartenant au module central et de deux tronçons d'arbre externe 251 et 253 La liaison entre chacun des tronçons 251 et 253 et l'arbre interne 24 15 est réalisée par un système de serrage à cône 26, par exemple du type couramment dénommé "grip disk" Le circuit magnétique associé à chaque groupe de disques statoriques constitue un ensemble individuellement centré par rapport aux disques rotoriques correspondants, les trois ensembles étant connectés par des liaisons souples schématisées en 19. Les tronçons 251 et 253 pourraient être solidarisés de l'arbre central 24 par d'autres moyens, par exemple à l'aide de cannelures, réalisées par brochage pour avoir une précision garantissant un bon contact et une transmission satisfaisante 25 du couple Grâce aux liaisons souples 19 entre les ensembles statoriques, on permet la dilatation thermique différentielle se traduisant par des modifications de l'intervalle entre ces ensembles statoriques. La Figure 5 montre un mode possible de réalisation 30 des moyens de réglage axial de la position relative des disques roteriques 16 par rapport aux disques statoriques 17 L'empilement des disques rotoriques 16 (chaque disque pouvant être du genre montré en Figures 6 et 7) est solidarisé de l'arbre creux 251 dans une position axiale bien 35 déterminée La transmission qui couple le mécanisme dans de bonnes conditions peut être obtenue en assurant un ciavetage des disques 16 à l'aide de cannelures 27 réalisées par brochage Le maintien axial des disques est assuré -7. par des écrous 28 munis d'un crantage extérieur de prise Les écrous sont vissés sur les parties terminales d'un renflement de l'arbre creux 251 jusqu'à ce qu'il vienne en appui contre un épaulement, de sorte que la position axiale de l'empile5 ment de disques est fixée par rapport à l'arbre avec une grande précision. Il faut remarquer au passage que l'arbre central 24 peut être positionné dans l'arbre creux 251 avec une grande précision, étant donné que les zones d'appui sont écartées d'une distance largement supérieure à deux fois le diamètre. L'arbre constitué par l'assemblage des trois tronçons est supporté dans le stator par des roulements Dans le cas illustré en Figure 5, ces roulements comportent non seulement deux paliers à bille d'extrémité dont un seul, 29, est 15 visible sur la Figure 5, mais aussi des paliers à bille intermédiaire de soutien 30 interposés chacun entre deux modules adjacents L'ensemble statorique de chaque module est centré, indépendamment des autres; sur l'arbre correspondant par deux roulements de butée 31, généralement cons20 titués par des roulements à aiguille, et des cales d'ajustage 32 Par diminution de l'épaisseur de l'une des cales 32 et augmentation-de l'épaisseur de la cale antagoniste, on peut modifier la position axiale du stator par rapport au rotor. On voit en effet que la distance entre chacun des épaulements 25 33 prévus sur l'arbre et une face en regard 34 du stator est fixée par l'épaisseur totale représentée par l'un des paliers de butée 31 et la cale d'ajustage 32 associée. Pour permettre les dilatations différentielles de l'arbre et des ensembles statoriques, les paliers d'appui 30 intermédiaires 30 seront prévus pour tolérer un léger débattement relatif des stators de deux modules adjacents l'un par rapport à l'autre. Pour monter l'ensemble qui vient d'être décrit, on commence par constituer l'arbre par assemblage des différents 35 tronçons Puis on met en place les stators en laissant entre eux un jeu (Figure 5)ou en prévoyant entre eux une liaison souple (Figure 4) Par un choix approprié des cales de réglage 32, on assure le centrage des disques rotoriq-ues 2547 '123 par rapport aux disques statoriques. Le mode de réalisation montré schématiquement en Figure 8 permet de constituer par une partie commune une fraction du circuit de retour de' flux magnétique des modules adjacents Ce mode de réalisation peut donc être plus compact que le-précédent Les disques statoriques 172 et les enroulements 142 du module central sont placés et encadrés par des pièces 22 et 23 portant les circuits magnétiques de retour La partie périphérique de ces pièces doit pré10 senter uen élasticité suffisante pour pouvoir absorber les dilatations différentielles Les jeux entre les disques statoriques 172 et les disques rotoriques 162 sont ajustés à l'aide de cales 342 interposées entre les pièces 22 et 23 d'une part, une butée à bille 312 portant sur l'arbre, 15 d'autre part. Le montage des modules latéraux s'effectue de la même façon sur les tronçons d'arbre 25 et 253 fixés sur l'arbre cehtral 24 par des moyens laissant subsister un jeu 36 (généralement de l'ordre du millimètre) autorisant 20 les dilatations différentielles lors de la montée en température. L'ensemble des stators est finalement serré entre deux flasques terminaux 37, par exemple par des tiges d'assemblage 38 réparties autour de l'axe Grâce à cette 25 disposition, les jeux entre disques sont réglés de façon indépendante sur les trois modules et la présence d'organes élastiques ou de jeux 36 autorise les dilatations. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation représentés et décrits à titre 30 d'exemples et il doit être bien entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. -9 REVENDICATIONS 1 Machine tournante dynamo-électrique à réluctance variable comprenant un rotor à disques ( 16) et un stator comportant des disques ( 18) alternés avec ceux du rotor 5 et portés par une carcasse magnétique de fermeture d'un circuit magnétique, des moyens ( 14) portés par le stator créant un champ alternatif dirigé axialement a travers les disques qui comportent des plots magnétiques, régulièrement répartis angulairement autour de l'axe, lesdits moyens de création du champ alternatif comprenant au moins trois bobinages ( 141, 142, 143) alimentés par les différentes phases d'une alimentation polyphasée, les disques étant répartis en au moins trois groupes et étant associés avec lesdits moyens et le circuit magnétique de façon que 15 chaque groupe soit traversé par le champ créé par une phase différente, caractérisée en ce que chaque groupe de disques rotoriques ( 16) est individuellement centré axialement par rapport au groupe de disques statoriques correspondant par des paliers de butée ( 31) et des cales 20 de réglage ( 32). 2 Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport entre le diamètre interne des disques rotoriques ( 16) et leur diamètre externe est supérieur à 0,5. 3 Machine suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'arbre rotatif est en tronçons associés chacun à un groupe, les tronçons ( 251, 253) des groupes latéraux au moins étant creux. 4 Machine suivant la revendication 3, caractérisée 30 en ce qu'elle comprend un tronçon interne ( 24) portant un groupe de disques rotoriques et sur lequel sont placés les tronçons creux portant les autres groupes.