Brevet FR2605815A1 — publié le 19880429

La présente invention est relative à un alternateur auto-excité en régime de surexcitation. Les performances électriques d'un alternateur, pour un dimensionnement donné, sont étroitement liées à l'intensité de l'induction magnétique obtenue dans l'entrefer laquelle est elle-même directement liée à la tension d'alimentation de l'enroulement rotor. Habituellement, la tension d'alimentation du rotor, dans un alternateur auto-excité, est inférieure de 1,5 V maximum à la tension nominale de l'alternateur après redressement. A titre d'exemple, un alternateur auto-excité tel que utilisé dans le domaine de l'industrie automobile délivre habituellement une tension nominale après redressement de 14 volts et l'alimentation ou excitation du rotor est assurée par l'intermédiaire d'un régulateur délivrant des impulsions à rapport cyclique variable dont l'amplitude sensiblement constante est comprise entre 12,5 V et 13,3 V, la régulation du niveau d'excitation étant obtenue, en fonction du régime de l'alternateur, par modification de la valeur du rapport cyclique des impulsions.L'augmentation de puissance demandée aux alternateurs, notamment aux alternateurs de véhicules automobiles, a déjà conduit à un dimensionnement maximum de ces derniers en vue d'obtenir des débits de courant de plus en plus élevés. Ainsi, le champ magnétique maximum obtenu dans l'entrefer des alternateurs actuels, tels que précédemment décrits ne peut prétendre dépasser une valeur d'inducduction correspondat aumaximum à 1250 ampère-tours. Une solution permettant d'augmenter l'induction pourrait consister à augmenter le nombre de spires ou brins des enroulements ou le diamètre de ces derniers. Cette solution ne peut en fait convenir en raison de l'augmentation prohibitive du poids de cuivre nécessaire et de la modification correspondante du dimensionnement des circuits magnétiques et de l'alternateur consécutifs à ce type de modification. L'invention a pour but de remédier à l'inconvénient précité par la mise en oeuvre d'un alternateur auto-excité, en régime de surexcitation, dans lequel pour un dimensionnement et un poids sensiblement identiques au dimensionnement et au poids des alternateurs actuels de même type, une augmentation très importante des performances électriques est obtenue. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un alternateur auto-excité, en régime de surexcitation, dans lequel du fait de la surexcitation précitée le bruit magnétique est sensiblement réduit par une optimalisation du dimensionnement des circuits magnétiques et de l'entrefer. Un autre objet de la présente invention est enfin la mise en oeuvre d'un alternateur auto-excité, en régime de surexcitation, dans lequel une augmentation de débit de courant électrique substantielle peut être obtenue sur toute la plage de vitesse ou de régime de fonctionnement de l'alternateur. L'alternateur auto-excité destiné à délivrer une tension redressée, objet de l'invention, comprend un rotor, un stator et des enroulements rotor et stator correspondants, les enroulements stator étant normalement connectés à un pont redresseur double alternance permettant d'engendrer la tension redressée. Il est remarquable en ce que, en vue d'un fonctionnement en régime de surexcitation, les enroulements stator comportent un enroulement auxiliaire connecté en série avec chacun des enroulements stator et avec l'enroulement rotor par l'intermédiaire d'une diode, de façon à appliquer à l'enroulement rotor une tension de surexcitation développée après amorçage de l'alternateur par les enroulements auxiliaires. L'invention trouve application aux alternateurs auto-excités utilisés dans tout domaine de l'industrie et en particulier aux alternateurs montés en équipement des circuits électriques de véhicules automobiles ou analogues. Elle sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après et à l'observation des dessins donnés à titre d'illustration comme exemples de réalisation non limitatifs et dans lesquels - la figure 1 représente un premier mode de réalisation non limitatif de l'alternateur auto-excité en régime de surexcitation objet de l'invention, - la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation non limitatif de l'alternateur autoexcité en régime de surexcitation objet de l'invention. L'alternateur auto-excité en régime de surexcitation objet de l'invention, sera tout d'abord décrit en liaison avec la figure 1. De manière classique, l'alternateur comprend un rotor et. un stator, et des enroulements rotor notés R et stator notés S1, S2, S3 correspondants. Dans la suite de la description, l'alternateur objet de l'invention sera décrit dans un mode de réalisation non limitatif, dans lequel celui-ci comporte trois phases ou trois enroulemeits stator notés Si, S3. Il est bien entendu que tout alternateur comportant un nombre supérieur de phases, ne sort pas du cadre de l'objet de la présente invention. Les enroulements stator S1, S2 , S3, sont normalement connectés à un pont redresseur double alternance permettant d'engendrerla tension redressée délivrée par l'alternateur après redressement. Sur la figure 1, le pont redresseur double alternance est noté B+, B . Il comporte de manière classique des diodes notées BD11, BD12; BD21' BD 22 ; BD31, 32 associées à chaque enroulement stator respectivement S1 S2, S3. En vue d'assurer un fonctionnement en régime de surexcitation, conformément à l'objet de l'invention, les enroulements stator S1, S2, S3, comportent un enroulement auxiliaire noté A1, A2, A3, sur la figure 1. Chaque enroulement auxiliaire est connecté en série avec chacun des enroulements stator S1' respectivement S respectivement S3 et avec l'enroulement rotor R par l'intermédiaire d'une diode notée D1, D2, D3. Chaque enroulement auxiliaire A1, A2, A3 et la diode associée D1, D2, D3, permet d'appliquer à l'enroulement rotor R une tension de surexcitation développéeaprès amorçage de l'alternateur par les enroulements auxiliaires précités.Cette tension auxiliaire, laquelle correspond à une tension redressée par l'ensemble des diodes D1, D2, D3 est ainsi ajoutée à la tension d'alimentation de l'enroulement rotor R provoquant ainsi le régime de surexcitation de celui-ci. Une description plus complète de l'ensemble de l'alternateur auto-excité objet de l'invention, sera donnée conformément au mode de réalisation de la figure 1. Selon le mode de réalisation précité, non limitatif, l'enroulement rotor R est connecté à une borne B1 d'un demi-pont redresseur de détection d'amorçage de l'alternateur par l'intermédiaire d'un circuit régulateur d'excitation RE. La détection d'amorçage de l'alternateur est effectuée de la manière ci-après. Le demi-pont de redressement B est connecté à la borne positive de la batterie d'accumulateur notée BT et la demi-borne B de ce même demi-pont redresseur est connectée à la borne négative ou tension de référence de l'alternateur de la batterie BT. La charge d'utilisation notée C est bien entendu branchée en parallèle sur la batterie BT et sur la sortie alternateur. Une lampe témoin d'amorçage notée L sur la figure 1 est en outre connectée entre la sortie B du demi-pont redresseur constituant la sortie de l'alternateur et la sortie D1 du demi-pont redresseur de détection d'amorçage précédemment cité. Préalablement à l'amorçage de l'alternateur, les enroulements stator S1, S S3 de celui-ci ne sont pas excités, et sur fermeture du contact K, la lampe L alimentée par la batterie d'accumulateurs BT s'allume, les enroulements stator se comportant pratiquement comme un court-circuit. Après amorçage de l'alternateur, les enroulements stator sont excités et développent une tension, laquelle après redressement par le demi-pont redresseur de détection D+1 équilibre la tension d'alimentation de sortie du pont B et de la batterie BT provoquant ainsi l'extinction de la lampe témoin L. Le circuit régulateur d'excitation RE précité est par exemple un circuit de régulation tel que décrit précédemment, recevant sur une borne la référence de tension alternateur, par exemple la tension délivrée par le demi-pont redresseur de détection d'amorçage D1 et délivrant, par l'intermédiaire d'un transistor de commutation, des impulsions de commande et d'alimentation de l'enroulement rotor R, impulsions à rapport cyclique variable ainsi que précédemment mentionné. Conformément au mode de réalisation de la figure 1, la borne de l'enroulement rotor R commune aux diodes D1, D2, D3 est reliée à la tension de référence alternateur M, ou B , par l'intermédiaire d'une diode d'amorçage notée DA sur la figure 1. Les diodes D1, D2, D3 constituent ainsi un demi-pont redresseur noté D1 sur la figure 1, lequel permet d'ajouter la tension développée par les enroulements auxiliaires à la tension d'excitation du rotor. Le fonctionnement de l'alternateur autoexcité objet de l'invention tel que décrit précédemment en liaison avec la figure 1 est le suivant - avant amorçage de l'alternateur, l'enroulement rotor R est alimenté par la batterie BT. Le courant d'excitation traverse la lampe L, l'enrou- lement rotor R et la diode d'amorçage DA précédemment mentionnée, - lorsque l'amorçage de l'alternateur est intervenu, la force électromotrice induite dans les enroulements auxiliaires A1, A2, A3 est alors mise en série avec la force électromotrice induite dans chacun des enroulements stator correspondants S1, S2, S3. a tension négative obtenue après redressement par le demipont redresseur D1 constitué par les diodes D1, D2,D3 est alors plus élevée en valeur absolue que la tension négative B-, laquelle correspond par exemple à la tension de référence de l'alternateur, tension M précédemment définie,etle potentiel au point de sortie du demi-pont redresseur D1 est alors inférieur au potentiel B .La différence de tension correspondante entre la sortie du demi-pont redresseur D1 et le demipont redresseur B a pour effet de bloquer la diode d'amorçage DA, cette différence de tension étant alors ainsi ajoutée à la tension d'alimentation d'excitation du rotor délivré par le régulateur RE. Les enroulements auxiliaires A1, A2, A3, ayant pour seul objet d'appliquer une tension redressée par l'intermédiaire des diodes D1, D2, D3 à la borne commune de l'enroulement rotor R ne débite pratiquement aucun courant, la diode d'amorçage DA après amorçage de l'alternateur étant bloquée. En conséquence, selon un aspect particulièrement avantageux de l'objet de l'invention, chacun des enroulements auxiliaires A1, A2, A3 est constitué par un conducteur électrique fin. Par conducteur électrique fin, on entend un conducteur dont le diamètre est inférieur par exemple à 1/10 du diamètre des conducteurs constituant les enroulements stator S1 S2, S3. Afin d'obtenir les conditions de fonctionnement comparables du point de vue de la tension développée aux bornes des enroulements auxiliaires A1, A2, A3 à celle de la tension développée aux bornes des en 3 roulements stator correspondants, chacun des enroulements auxiliaires précités est avantageusement bobiné sur ltenroulement stator correspondant, de façon à augmenter la force électromotrice induite sur l'enroulement stator et sur l'enroulement auxiliaire par augmentation correspondante du nombre d'ampère tours.Ainsi, les forces électromotrices développéespar chacun des enroulements S1, S2, S3 et l'enroulement auxiliaire correspondant A1, A2, A3 s'ajoutent et la somme des tensions correspondantes est redressée par chacune des diodes D1, D2, D3, et appliquée de façon à être superposée à la tension d'alimentation d'excitation de l'enroulement rotor R. Sur la figure 1, on a représenté l'alternateur auto-excité objet de l'invention, dans lequel les enroulements stator sont connectés en triangle. Bien entendu, les enroulements stator précédemment cités peuvent également être connectés en étoile. Selon un autre aspect particulèrement avantageux de l'alternateur auto-excité objet de l'invention chacun des enroulements auxiliaires A1, A2, A3 comportent un nombre de spires compris entre 25/100 et 50/100 du nombre de spires de l'enroulement stator correspondant. La mise en oeuvre d'un alternateur autoexcité conformément au mode de réalisation de la figure 1 pour un alternateur destiné à un équipement d'automobile pour lequel la tension nominale est de 14 volts a permis, pour un nombre de spires ou brins des enroulements auxiliaires A1,A2,A3,compris entre 40 et 50 % du nombre de spires ou brins de l'enroulementstator S1 S2, S3 correspondant d'obtenir une tension d'excitation totale de l'enroulement rotor R de 21 volts sensiblement. L'augmentation de tension d'excitation voisine de 50 % a alors permis une augmentation de l'induction en nombre d'ampèretours, voisine de 25 %, le nombre d'ampère-tours ayant été porté à 2000 ampères tours, soit une augmentation de 750 ampères tours par rapport au modèle usuel. L'augmentation de débit de l'alternateur ainsi conformé, selon le mode de réalisation de la figure 1, a permis d'obtenir une augmentation de débit d'intensité de courant de 25 % sur toute la plage de vitesse ou de régime de fonctionnement de l'alternateur Un autre mode de réalisation non limitatif de l'alternateur auto-excité en régime de surexcitation objet de l'invention sera décrit en liaison avec la figure 2. Le mode de réalisation précité apparaît particulièrement avantageux, compte tenu du fait que, la diode d'amorçage DA est alors supprimée. Dans ce cas, l'enroulement rotor R est alors connecté directement à la tension de référence M ou à la borne B du demi-pont redresseur précédemment décrit. Bien entendu, dans la figure 2 les mêmes références désignent les mêmes éléments que ceux déjà décrits dans le mode de réalisation correspondant à la figure 1. La diode d'amorçage DA ayant été supprimée, les diodes D1, D2, D3, sont alors connectées en série à la borne commune du régulateur RE et de l'enroule- ment rotor R ainsi que représenté sur la figure 2. Ainsi, les diodes D1, D2, D3 constituent un demi-pont redresseur noté D2, lequel permet d'ajouter à la tension d'alimentation délivrée par le transistor du régulateur RE, la tension redressée développée par les enroulements auxiliaires A1, A2, A3. On remarquera bien sûr que dans le mode de réalisation représenté en figure 2, les diodes D1, D2, D3 sont connectées de façon à constituer un demi-pont redresseur D2 positif, alors qu'au contraire, dans le mode de réalisation de la figure 1, les diodes D1 D2, D3 sont connectées de façon à constituer un demi-pont redresseur D1 négatif. Les modes de réalisation des figures 1 et 2 sont du point de vue fonctionnement totalement équi valent s. En outre, l'alternateur auto-excité en régime de surexcitation objet de l'invention, peut faire l'objet de variantes de réalisation, lesquelles ne sortent pas du cadre de l'objet de la présente invention. En effet, de façon non limitative, le régulateur RE peut être connecté à l'alternateur D1 et à l'enroulement rotor R, de façon à réaliser une régu lation positive ainsi que représentée en figures 1 et 2, où une régulation négative, l'enroulement rotor, étant directement connectée à la borne positive de l'alternateur et le régulateur étant connecté à la borne libre du rotor et à la tension de référence de l'alternateur. On a ainsi décrit un alternateur auto-excité en régime de surexcitation permettant d'obtenir de nombreux avantages. Parmi ceux-ci, on peut citer l'augmentation des performances électriques de l'alternateur confor me à l'invention, celui-ci étant capable de délivrer un débit d'intensité en augmentation de 25 % par rapport au débit correspondant d'alternateurs de dimensionnement équivalent, ce sur toute la plage de vitesse ou de régime de fonctionnement de l'alternateur. En outre, l'alternateur objet de l'invention permet à performances égales, une réduction du poids et du volume de celui-ci, en particulier du poids de cuivre. L'alternateur auto-excité en régime de surexcitation objet de l'invention, permet également d'obtenir une réduction du bruit magnétique de l'alternateur, la suralimentation permettant d'augmenter l'entrefer, sans pour celà du fait du régime de surexcitation, réduire les performances électriques de celui-ci. REVENDICATIONS 1. Alternateur auto-excité destiné à délivrer une tension redressée, comprenant un rotor, un stator et des enroulements rotor (R) et stator S2, S3) correspondants, lesdits enroulements stator étant normalement connectés à un pont redresseur double alternance (B+, B ) permettant d'engendrer ladite tension redressée, caractérisé en ce que, en vue d'un fonctionnement en régime de surexcitation, lesdits enroulements stator (S1, S2' S3) comportent un enroulement auxiliaire (A , A2, A3) connecté en série 1 A21 et avec avec chacun des enroulements stator et avec ledit enroulement rotor (R) par l'intermédiaire d'une diode (D1, D2, D3) de façon à appliquer audit enroulement rotor (R) une tension de surexcitation développée après amorçage de l'alternateur par lesdits enroulements auxiliaires (A1, A2, A3). 2. Alternateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit enroulement rotor étant connecté à une borne (D+1) d'un demi-pont redresseur de détection d'amorçage de l'alternateur parl'intermédiaire d'un circuit régulateur d'excitation (RE), la borne dudit enroulement commune aux diodes (D1, D2, D3) est reliée à la tension de référence alternateur (M) par l'intermédiaire d'une diode d'amor çage (DA),les diodes (D1, D2, D3) constituant un demipont redresseur (D1). 3. Alternateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chacun des enroulements auxiliaires (A1, A2, A3) est constitué par un conducteur électrique fin, de diamètre inférieur à 1/10 du diamètre des conducteurs constituant les enroulements stator (S1, S2, S3). 4. Alternateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacun des enroulements auxiliaires (A1, A2, A3) est bobiné sur l'enroulement stator correspondant de façon à augmenter la force électromotrice induite sur l'enroulement stator et l'enroulement auxiliaire par augmentation correspondante du nombre d'ampère-tours. 5. Alternateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits enroulements stator (S1, S2' S3) sont connectés entriangle. 6. Alternateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits enroulements stator (S1, S2, S3) sont connectés en étoile. 7. Alternateur selon l'une des revendications là 4, caractérisé en ce que chacun des enroulements auxiliaires (A1, A2, A3) comporte un nombre de spires compris entre 25/100 et 50/100 du nombre de spires de l'enroulement stator correspondant. 8. Alternateur selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que ledit enroulement rotor (R) étant directement connecté à la tension de référence alternateur (M), la diode d'amorçage (DA) étant supprimée, lesdits diodes (D1, D21 D3) sont connectés en série à la borne commune du régulateur (RE) et de l'enroulement rotor (R), les diodes (D1, D2, D3) constituant un demi-pont redresseur(D2). 9. Alternateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit régulateur est connecté à l'alternateur (D+1) et à l'enroulement rotor (R) de façon à réaliser une régulation positive ou négative.