Brevet FR2552260A1 — publié le 19850322

TRANSFORMATEUR ANNULAIRE ROTATIF MONOPHASE La présente invention concerne les machine électriques et plus particulièrement les transformateurs annulaires rotatifs monophasés. L'invention peut être utilisée pour réaliser une transmission sans contact de l'énergie électrique transportée à partir des parties fixes d'une machine électrique ou d'un autre dispositif électromécanique vers ses parties tournantes ou vice-versa. Un transformateur annulaire doté de secondaires rotatifs et d'entrefers radiaux principaux est connu (brevet Suisse nO 396131). Il comporte des circuits magnétiques empilés fixe et rotatif réalisés en tôles longitudinales rectangulaires et annulaires radiales fixées au corps et à l'arbre par des coins. Un autre transformateur annulaire est connu (cf. l'article de Kracke GUnther "Rotierende Stromrichtererregung von Synchronmotoren, Blindleistungsmaschinen und Stromrichtermotoren "Siemens-Z", 1970, 44, nO 5, pp. 305 a 309). Cette realisation comporte des empilements d'un circuit magnétique fixe réalisés en tôles longitudinales et un circuit magnétique rotatif empilé réalise en tôles longitudinales de coupe différente et en tôles semi-annulaires radiales identiques. Un tel transformateur a été utilisé pour une transmission sans contact de la puissance d'excitation sur un enroulement rotatif d'un moteur synchrone puissant. L'avantage des transformateurs connus réside dans une disposition radiale des entrefers qui leur assure une perméance pratiquement constante même pour de faibles déplacements axiaux de la partie tournante. Cependant, la présence aux extrémités des empilements longitudinaux et transversaux des circuits magnetiques de deux a quatre entrefers auxiliaires interposes sur le chemin du flux magnétique principal,entraSne l'augmentation du courant de marche à vide et exige une tres bonne isolation entre les tôles d'acier des parties annulaires du circuit magnétique. Il est ainsi nécess aire de pratiquer une fente radiale dans ces zones afin d'y affaiblir les courants de Foucault annulaires. La réalisation des empilements longitudinaux exige une technologie assez compliquée. Les circuits magnétiques des parties fixe et tournante sont realisés en tôles presentant des configuration différente ce qui exige l'emploi d'outils a découper differents. L'impossibilite de déposer les enroulements sans démonter le circuit magnétique provoque des variations importantes des paramètres électromagnétiques après son réassemblage. Les encoches annulaires pour les bobines des enroulements (primaire et secondaire) sont différentes ce qui complique la fabrication des bobines car il faut des outils différents pour le bobinage des enroulements. La realisation la plus proche du transformateur selon l'invention est un transformateur annulaire a entrefers axiaux (brevet Norvégien nO 120694 et article de Boyar-Sazonovitch S., Stamataki E. " Transformateur rotatif à entrefer axial pour alimenter l'enroulement d'excitation d'un générateur sans contact (a induction)", revue "Industrie électrotechnique", fascicule 261, 1966,pp. 12-13). qui comporte un circuit magnétique fixe (stator) et, sépare par des entrefers axiaux, un circuit magnétique tournant (rotor), realise en tles d'acier dequalite transformateur et identiques dans le sens longitudinal, ainsi que des encoches annulaires frontales identiques disposées face a face dans lesquelles viennent se placer des enroulements fixe (statorique) et tournant (rotorique) annulaires. Ce transformateur a été utilisé pour réaliser une transmission sans contact de la puissance électrique d'excitation dans le rotor d'une génér- atrice synchrone. Dans le transformateur connu, les tôles des circuits magnétiques fixe et rotatif sont standardisées, les entrefers auxiliaires dans le circuit magnétique sont éliminés et les enroulements sont stand ardisés. Le transformateur existant se revèle cependant incapable de résoudre certains problèmes: -il-est difficile de disposer régulièrement, de fixer et de-rigidifier en assemblage les tôles des circuits magnétiques fixe et tournant; -il est difficile d'assurer la stabilité des entrefers axiaux à la fabrication et a l'utilisation, surtout dans les machines fabriquées en série; -il persiste une forte réluctance des-entrefers axiaux due a la circulation de forts courants d'aimantation dans l'enroulement fixe.L'utili sation d'encoches semi-fermées nécessaire pour augmenter la perméance des entrefers provoque l'accroissement des flux de dissipation par encoche et des résistances inductives de dissipation des enroulements,ce qui provoque une baisse des performances energétiques du transformateur. Il est a noter que l'utilisation d'encoches semi-fermées ne permet de réaliser que les enroulements introduits fil a fil avec imprégnation après la mise en place,ce qui entratne l'impossibilité de désassembler les enroulements en cas de leur remplacement ou de leur réparation. Le but de l'invention est de créer un transformateur annulaire rotatif monophasé dont la conception des circuits magnétiques permette de diminuer le courant de la marche à vide en/cas d'utilisation d'encoches ouvertes ce qui rendrait plus simple la construction et les procède de fabrication, assurerait la stabilité des paramètres à la fabrication, a l'utilisation et a la réparation et améliorerait les performances énergétiques Ce but est obtenu du fait que dans un transformateur annulaire rota tif monophasé qui comporte un circuit magnétique fixe (stator) qui est se paré par des entrefers axiaux d'un circuit magnétique tournant (rotor), ces circuits étant constitués par des empilements de tôles identiques en acier pour transformateur doteesd'encoches annulaires frontales identiques disposées face a face et dans lesquelles se viennent se placer des enroulements annulaires respectivement fixe (statorique) et tournant (rotorique), selon la presente invention, les empilements de tôles pour les circuits magnétiques sont realisés en tôles découpées en L et disposées de façon que les bras long et court des tôles du circuit magnétique fixe se trouvent en face respectivement des bras court et long des tôles du circuit mag- nétique tournant et à des distances différentes par rapport à l'axe de rotation pour former deiix entrefers radiaux a haute perméance. D'autres buts , avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation faite à titre non limita- tif et en regard du dessin annexe où: -la figure 1 représente en coupe longitudinale, la structure d'un transformateur annulaire rotatif monophasé, selon l'invention; ; -la figure 2 représente en coupe transversale, la structure dDun transformateur annulaire rotatif monophasé selon 1 'invention Le transforelateur annulaire rotez monophasé comporte un circuit magnétique fixe servant de stator et un circuit magnétique tournant servant de rotor dont les empilements 1 et 2 so@ réalisé en tôles découpées en L, et disposées en éventail (figurs 1 c 2.Des enroulements annulaires 3 et 4,respectivement du stator et du rotor, réalisés si nécessaire à des dimensions identiques, sont placés dans des encoches annulaires respectives du stator et du rotor. Dans le sens radial, les empilements du stator sont fixés a un corps 5 et peuvent en outre être bridés par des procédés différents. Les empilements du rotor peuvent être fixés dans le sens radial à un moyeu 6 calé sur un arbre 7 et en outre être bridés. Entre le bras long des tôles 1 du stator et le bras court des tôles 2 du rotor,existe un entrefer 8à une grande distance de l'axe de rotation. Entre le bras court des tôles 1 du stator et le bras long des tôles 2 du rotor existe un entrefer radial 9 a une distance plus courte de l'axe de rotation.Les circuits magnétiques du stator et du rotor sont séparés,dans le sens axial, par des entrefers axiaux 10 et 11. Les entrefers radiaux 8 et 9 et les entrefers axiaux 10 et 11 permettent au rotor de tourner a l'intérieur du stator. Le flux magnétique 12 est unipolaire et se boucle axialement. La disposition frontale des encoches annulaires ouvertes pour les bobines assurant la séparation des enroulements 3 et 4 et l'utilisation de l'empilement radial des tôles 1 et 2 du stator et du rotor, permet de réaliser les parties fixe et tournante du circuit magnétique sous la -forme de blocs non séparables et sans jeux constructifs auxiliaires. Les dimensions des entrefers axiaux 10 et 11 sont plusieurs fois su périeures à celles des entrefers radiaux 8 et 9. C'est pourquoi leur participation à la perméance totale est insignifiante et les deplacements axiaux faibles de la partie tournante du transformateur avec l'arbre 7 (ce qui a lieu en cas de jeu dans les paliers et de dilatation de l'arbre) n'influent pratiquement pas sur la valeur totale de la permeance et, par conséquent, sur les paramètres du transformateur. Le transformateur annulaire fonctionne de la façon suivante. Lorsque l'un des enroulements, par exemple l'enroulement statorique 3 (figure 1), est alimente par un courant à fréquence fixe, il se forme un flux magnétique alternatif unipolaire 12 qui s'écoule axialement dans le circuit magnétique, traverse un autre enroulement, par exemple l'enroulement rotorique 4, et y induit une force électromotrice alternative. Cette situation ne dépend pas du sens et de la vitesse de rotation du rotor et existe dans tous les transformateurs annulaires. Si l'on branche une charge sur l'enroulement 4, cette charge est parcourue par un courant alternatif de même fréquence. Une composante pulsée peut apparaître dans la force électromotrice des enroulements au cours de la rotation par suite de l'existence d'une double denture sur l'entrefer 8. Cette composante pulsée peut être éliminée, si besoin est, par le choix de nombres premiers entre eux pour le nombre des empilements de tôles 1 et 2 du stator et du rotor. Grâce à la grande longueur axiale des entrefers 8 et 9 on observe une augmentation notable de leur perméance. Même en présence d'une denture double de l'entrefer 8, cette propriété entraîne la diminution du courant de marche à vide du transformateur dans un rapport de 2,5 à 3. L'utilisation des empilements de tôles (1 et 2) en L identiques pour les empilements du stator et du rotor permet de standardiser les découpes pour produire les tôles et les gabarits pour enrouler les bobines avant leur mise dans les encoches. Le soudage a l'assemblage du circuit magnétique du transformateur améliore sensiblement les procédés de construction, la qualité et le rapport qualité-prix du transformateur annulaire proposé. La diminution du courant à vide permet de réduire la consommation en matériaux de base (cuivre et, par suite de la réduction du volume du logement de l'enroulement, tôle en acier de qualité transformateur), d'augmenter le facteur de puissance et le rendement de 30 et 20% respectivement, ce qui donne un avantage économique notable en cas de production de masse. On a fabriqué et essayé un prototype d'un transformateur annulaire monophasé réalisé selon I'invention,à une puissance de 1 ka pour transmettre sans aucun contact la puissance d'excitation dans le rotor d'une génératrice synchrone de puissance 30 kW (n = 1500 tr/mn, U = 400 V, f = 50 Hz, excitation par autoexcitation à l'aide d'un enroulement auxiliaire du stator de la génératrice produisant le 3e harmonique du champ fg = 150 Hz). Le stator du transformateur à enroulement fixe 3 a été flasqué sur la génératrice et le rotor à enroulement tournant 4 a été calé en bout d'arbre(à la place des bagues de contact). En outre, les empilements de tôles 1 et 2 du stator et du rotor du transformateur ont été fixés par soudage sur des bagues d'acier assurant la rigidité dans les zones à faible couplage au flux magnétique principal (côté extérieur des tronçons radiaux des empilements du stator et du rotor du transformateur). Les bobines ont été fixées dans les encoches annulaires par des coins en matériau isolant non magnétique (textolithe). L'enroulement fixe 3 du transformateur était alimenté par l'enroule- ment auxiliaire de la génératrice,en courant alternatif du 3ème harmonique et l'enroulement rotatif 4 alimentait l'enroulement d'excitation de la génératrice via un pont redresseur monophasé installé sur le rotor tournant. La fabrication du prototype a confirmé que la technologie à mettre en oeuvre est simple. Les essais du prototype ont confirmé son bon fonctionnement et sa haute fiabilité aussi que la constance des paramètres après maints assemblages et désassemblages et leur correspondance avec les valeurs calculées, notamment en ce qui concerne les performances énergétiques et la puissance transmise. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentes et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATION 1.Transformateur annulaire rotatif monophasé compostant un circuit magnétique fixe qui est séparé par des entrefers axiaux d'un circuit magnétique tournant, les circuits étant constitués par des empilements de tôles identiques en acier pour transformateur dotees d'encoches frontales connu; ; laires disposées face a face et dans lesquelles viennent se placer des enroulements annulaires respectivement fixe et tournant, caractérisé en ce que les empilements de tôles pour les circuits magnetiques sont réalisés en tôles (1, 2) découpées en L et disposées de façon que les bras long et court des tôles (1) du circuit magnétique fixe se trouvent en face respectivement des bras court et long des tôles (2) du circuit magnétique tournant et à des distances différentes par rapport à l'axe de rotation pour former deux entre fers radiaux (8, 9) à haute perméance.