Brevet FR2612704A1 — publié le 19880923

DES CRIPTI ION Les matériels et les instailations qui utilisent des organes mobiles sont susceptibles de faire appel pour leur mise en oeuvre à des dispositifs d'entrainement à vitesse variable, afin de satisfaire aux éxigences des différents régimes de fonctionnement. Les solutions les plus pratiques apportées à ce problème font appel à des moteurs électriques à savoir: a) les moteurs à courant continu b) les moteurs asynchrones entrainant des variateurs et des boîtes de vitesses mécaniques c) les moteurs asynchrones à rotor bobiné avec bagues et rhéostats de réglage d) les moteurs synchrones et asynchrones alimentés à fréques variables par des dispositifs convertisseurs de courant continu et de courant alternatif e) les moteurs asynchrones à collecteurs Ces solutions,très largement utilisées, présentent cependant certains inconvénients provenant soit de leur complexité, de leur fragilité,de leur manque d'économie énergétique, de leur coût élevé. Le moteur asynchrone à double stator et à rotor à grilles,appelé "moteur à grilles",objet de la présente invention,propose une solution à ce problème,en apportant des aventages dans les domaines de la simplicité,de la robustesse et de l'économie. I1 comporte 3 éléments,à savoir:l stator fixe,l rotor, 1 stator pivotant assurant le réglage de la vitesse de rotation. Les parties actives de ces 3 organes sont constituées par des circuits magnétiques de forme cylindrique,de mêmes diamètres et dont les axes de révolution sont confondus avec l'axe de rotation du moteur. Ces 3 éléments sont séparés par 2 entrefers plans délimités par les bases des cylin dres et situés dans des pians perpendicuiaires à l'axe. Ces circuits magnétiques sont réalisés au moyen de tôles enroulées en spirale,constituant des armatures feuilletées. Elles sont découpées pour former des encoches radiales, c'est à dire situées dans des plans perpendiculaires à l'axe de rotation.En ce qui concerne les deux stators,ces encoches sont aménagées sur leurs faces internes.Elles re çoivent chacune un enroulement raccordé à une source d' énergie et disposé pour un champ tournant, le sens de rotation de ces deux champs étant la même,Les lignes de flux traversent les entrefers en suivant la direction des génératrices des cylindres,c'est à dire perpendiculairement au plan de ces entrefers.Les armatures feuilletées sont fixées sur des carcasses cylindriques.En ce qui concerne le rotor,2 groupes d'encoches radiales sont disposées sur les 2 bases de celui-ci,face aux stators,2 groupes d'enco ches radiales sont aménagées de part et d'autre du plan médian et 1 groupe d'encoches est placé dans ce plan médian. Les encoches des 4 premiers groupes reçoivent 4 jeux de barres reliés entre eux pour former 2 circuits polyphasés en parallèle,mis en court-circuit. Le groupe d'encoches radiales disposé dans le plan médian reçoit 1 jeu de barres mis en court circuit à ses 2 extrémités.L'ensemble de ces jeux de barres est appelé "grilies" d'où la désignation de "moteur à grilles".Le but de ce dispositif est de faire varier l'intensité- du flux magnétique résultant dans les circuits rotoriques en fonction de ia position du stator pivotant.Cette variation du flux résultant entraine la variation de la vitesse de rotation du moteur, selon la théorie des moteurs asynchrones.En régime de vitesse lente, les 2 stators doivent être positionnés de façon à présenter des polarités identiques.Les lignes de flux principales traversent alors le rotor suivant des directions axiales, se refermant dans les parties externes des stators,ne formant ainsi qu'un seul circuit magnétique parcourant les 3 armatures.Dans ce cas,la composition des flux magnétiques dans le rotor conduit à un flux résultant minimum,done à une vitesse minima (glissement maximum).En régime voisin de la vitesse de synchronisme, les 2 stators doivent être positionnés de façon à présenter des polarités inverses. Les lignes de flux principales se referment à l'intérieur de chacune des 2 moitiés du rotor suivant des trajets circulaires.Elles se referment de la même façon dans les par ties externes des stators,formant ainsi 2 circuits magnétiques séparés et opposés.Dans ce cas,la compositon des flux magnétiques dans le rotor conduit à un flux résultant maximum, donc à une vitesse maxima (glissement minimum). Le décalage entre ces 2 positions est légèrement supérieur à un angle égal à celui du pas polaire (c'est à dire p étant le nombre de paires de pôles).Les positions intermédiaires conduisant à des vitesses intermédiaires. La réalisation de ce moteur fait appel aux moyens classiques employés dans la construction des moteurs électriques en ce qui concerne la carcasse,l'arbre et les différentes parties mécaniques.Par contre, la fabrication des 3 armatures feuilletées nécessite un mode de réalisation particu lier.L'enroulement en spirale des tôles magnétiques implique la mise en oeuvre d'une ligne de découpage automatique en continu utilisant des matériels en usage dans ce domaine (presses à découper ou poinçonneuses).Le dispositif d'avance automatique de la bande de tôle exige un équipement spécial (mécanique ou électronique) qui assure le positionnement exact des encoches radiales et des autres parties découpées en tenant compte du diamêtre variable de la partie enroulée et de la distance qui sépare ces encoches de 1' outil de découpe.D'autre part,la bande de tôle doit être soumise à une force de traction suffisamment élevée pour qu'elle s'enroule,en fin de ligne,avec toute la rigidité souhaitable et un foisonnement minimum.Cette forte tension, qui ne doit pas avoir d'incidence sur les couples relativement faibles qui entrainent le dérouleur et l'enrouleur, est exercée sur ceux ci par un système de type différentiel à pignons planétaires et satellites, qui les soumet chacun à un couple égai et de sens contraire, tout en permettant le déplacement aisé de la bande. Le couple appliqué au dif férentiel est exercé par l'intermédiaire d'un système de transmission actionné mécaniquement ou hydrauliquement. La figure 1 représente schématiquement,en vue cavaliére,les 3 armatures feuilletées constituant les 3 organes du moteur,à savoir, et dans l'ordre de gauche à droite: le stator fixe, le rotor,le stator pivotant. La figure 2 représen'e,en coupe longitudinale,une réalisation pratique du moteur. La figure 3 représente de façon détaillée le stator fixe suivant une demi-coupe longitudinale. La figure 4 représente de la même façon, le rotor. La figure 5 représente sous la même forme, le stator pivotant. La figure 6 concerne les 3 organes des figures 3 ,4 et 5 ,assemblés suivant une demi-coupe longitudinale. La figure 7 représente une demi-coupe transversale avec,dans la partie gauche,ie stator fixe selon l'axe A et dans la partie droite,le rotor selon l'axe BB. La figure 8 représente un schéma de connexions des cinq jeux de barres du rotor. La figure 9 représente,en vue cavaliére schématique éclatée,une variante simplifiée du rotor dans ie quel les deux groupes d'encoches et les barres correspondantes qui se trouvent de part et d'autre de la partie médiane,seion invention, sont fusionnés en un seul groupe situé dans ce plan médian. La figure 10 représente,en vue cavaiière,le dispositif de fixation du rotor sur l'arbre. La figure 11 a trait au procédé de façonnage des armatures feuilletées et représente le schéma du dispositif de tension appliqué au dérouleur et à l'enrouleur de la ligne de découpage automatique. L'ensemble des figures précédentes correspond à un projet de réalisation d'un "moteur à grilies" à vitesse variable, dont les caractéristiques sont les suivantes: Puissance maxima: 72 kW Vitesse à vide: 1000 t,'min. (6 pôles) Alimentation: triphasé 220i350 V . 50 Hertz Le dispositif représenté schématiquement sur la figure 1 comporte 3 armatures feuilletées cylindriques de mêmes diamètres constituant les 3 organes du moteur,à savoir: 1 stator fixe (1) avec 1 jeu d'encoches radiles (2) 1 rotor (3) avec 5 jeux d'encoches radiales (4) à (8) 1 stator pivotant (9) avec 1 jeu d'encoches radiales (10) 1 axe de révolution des cylindres (11) confondu avec l'axe de rotation du moteur. Ces organes sont représentés en détail sur les figures 2 et 3 ,où nous trouvons: le stator fixe (1) dont le diamètre extérieur est de 540mm et le diamètre intérieur: 220 mm lilongueur des génératrices est de 100 mm. Ce stator est pourvu de 36 encoches radiales (2) recevant un enroulement triphasé hexapolaire à pôles conséquents avec 2 encoches par pôle et par phase, soit 36 encoches avec 4 bobines droites,l bobine mixte,4 bobines coudées.Les têtes de bobines (12) sont disposées dans les parties intérieures et extérieures des armatures cylindriques. L'armature feuilletée (1) est enroulée sur un manchon (13j,monté sur une flasque (14).La partie périphérique extérieure de l'armature (1) comporte des séries de cavités avec des échancrures crénelées (15) dans les quelles s'encastrent des dispositifs de fixation (16) raccordés à la flasque (14) Séparé du stator (1) par un entrefer, se trouve, détaillé sur la figure 4 ,le rotor (3) de mêmes diamètres au niveau de l'entrefer,soit 540 mm (D.ext.) et 220 mm (D.int.) la longueur des génératrices étant de 210 mm .Ce rotor (3) est pourvu de 5 jeux de 26 encoches radiales décalées d'un pas dentaire entre la base et le sommet.Les 2 jeux d'enco (4) et 8) reçoivent chacun 1 jeu de barres constituant les grilles dites principales.Les 2 jeux d'encoches (5) et (72 reçoivent chacun 1 jeu de barres constituant les grilles dites secondaires. Le jeu d'encoches (6) dans le plan médian, reçoit 1 jeu de barres constituant la grille dite de compensation.Cette grille est mise en court-circuit par 2 couronnes (17) et (18j fixées par soudage Les grilles secondaires (5) et (7! sont mises en court-circuit par 2 couronnes (19) et !20! assemblées par soudage à la partie intérieure.Elles sont connectées entre elles,à la partie extérieure,par des barres (21) inclinées de 7 géométriques dans le sens inverse de la rotation (figure 8 - angle b) Les grilles principales (4) et (8) sont mises en courtcircuit par 2 couronnes (22) et (23) soudées à la partie intérieure.La grille (4) est connectée à la grille (5) à la partie extérieure par une barre (24) inclinée de 7 géométriques dans le sens de la rotation (figure 8 - angle a) La grille (8) est connectée à la grille (7), à la partie extérieure, par une barre (25) inclinée d'un pas dentaire, soit t3051' géométriques,dans le sens inverse du sens de rotation (figure 8 - angle c) L'armature feuilletée présente dans la partie inté rieure des saillies crénelées (26) qui sont encastrées dans les dispositifs de fixation et de serrage (27) eux mêmes assemblés à un manchon (28) solidaire de l'arbre (29). Séparé du rotor par un entrefer, se trouve, détaillé sur la figure 5,ie stator pivotant (9) de mêmes diamètres au niveau de l'entrefer.La longueur des génératrices est de 100 mm.Ce stator est pourvu du même nombre d'encocnes radiales ('Q) et du même enroulement que le stator fixe (1) avec les mêmes têtes de bobines (30) L'armature feuilletée 9) est enroulée sur un manchon !31) monté sur une fiasque pivotante (32) autour de l'axe de rotation par l'intermédiaire du dispositif à vis tangente (33) .La partie périphérique extérieure ae l'armature (9) comporte des séries de cavités avec des échancrures crénelées (34) dans les quelles s'encastrent des dispositifs de fixation (35) raccordés à la flasque pivotante (32.;; Cette flasque effectue son mouvement de rotation autour d'un tourillon solidaire d'une flasque fixe r36) par l'in- termédiaire du dispositif à vis tangente (33) mentionné ci avant.Les 2 flasques 14;; et (36) sont assemblées à une carcasse (37i FIles supportent les paliers (38j et (391 ainsi que l'arbre moteur (29j Le procédé de fabrication des armatures feuilletées constituant les circuits magnétiques axiaux est représenté schématiquement sur ia figure 11 Elle représente la ligne de découpage automatique avec sa presse à découper (44), le dérouleur de feuillard (45) et l'enrouleur (46) .La tension nécessaire à la rigidité exigée pour un bon enroulement de la bande de tôle est assurée grâce à l'emploi du système différentiel (47) dont les satellites sont soumis à une force transmise à la couronne dont ils sont solidaires par une barre à crémaillère (48) .L'entrainement pas par pas de la bande de tôle est assuré par le dispositif d' actionnement de i'enrouleur (49) et transmis au dérouleur (45) par l'intermédiaire du différetiel (47) ,la bande de tôle restant soumIse à la tension qui lui gommuniquée par les satellites.La commande et le contrôle du déroulement sont régis par un dispositif (49) qui peut être de nature électrique, electronique ou mécanique. Le dispositif selon l'invention,est destiné à assurer l'entrainement des matériels et des installations dont la mise en oeuvre nécessite un fonctionnement à vitesse varia ble.Tl peut aussi bien commander directement un équipement dont la variation de vitesse est actionnée manuellement, qu'être intégré dans un ensemble d'installations équipé de dispositifs télécommandés de régulation automatique de vitesse par l'intermédiaire de servo-moteurs. R E V E N D I C A T I O N S 1) Dispositif pour faire varier la vitesse de rotation d'un moteur asynchrone comprenant 3 éléments,à savoir, dans l'ordre:' stator fixe (1) ,1 rotor (3) ,1 stator pivotant 9; dont la manoeuvre détermine la variation de vitesse, les stators recevant des enroulements polyphasés ou monophasés et le rotor recevant des jeux de barres en courtcircuit, caractérisé en ce que les circuits magnétiques de ces 3 éléments ont la forme de cylindres de révolution, creux, de mêmes diamètres intérieurs et extérieurs,dont les axes de révolution sont confondus avec l'axe de rotation du moteur ( ,en ce que ces 3 cylindres sont séparés par 2 entrefers plans délimités par les bases des cylindres et situés dans des plans perpendiculaires à l'axe,en ce que les 2 stators (1) et 9) reçoivent des circuits électriques formant des enroulements polyphasés ou monophasés raccordés à une source d'énergie et dont les faisceaux sont disposés dans des encoches radiales (2) et (10) aménagé sur les faces internes du côté des entrefers, et en ce que le rotor (3) reçoit, dans des encoches radiales,5 Jeux de barres, appelées grilles,à savoir: 2 grilles principales (4) et (8), 2 grilles secondaires s5) et (7), 1 grille de compensation (6j . 2) Dispositif selon la revendication 1 ,concernant la constitution des circuits magnétiques de forme cylindrique, de diamètres identiques,séparés par des entrefers plans parallèles aux bases des cylindres, caractérisé en ce que les 2 stators (1) et r9) et le rotor (3) sont constitués chacun par le volume intérieur compris entre 2 cylindres de révolution dont les directrices sont des cercles concentriques et dont l'axe commun est confondu avec l'axe de rotation du moteur (11) ,en ce qu'ils sont réalisés au moyen de tôles magnétiques enroulées en spirale autour de l'axe de révolution, formant ainsi des armatures feuilletées destinées à constituer un circuit magnétique axial pour champ tournant,dispositions applicables d'une façon générale aux éléments entrant dans la construction des différents types de moteurs et de matériels électriques faisant appel à des champs tournants. 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 selon lesquelles 2 des 3 organes constitutifs du moteur jouent le rôle de stators,caractérlsé en ce que les tôles magnétiques formant l'armature feuilletée de chacun des 2 stators Cl) et (9) sont découpées sur leur face interne,côté entrefer, pour former des encoches radiales (2) et (i0! ,destinées à recevoir des circuits électriques constituant des enrouiements polyphasés ou monophasés produisant un champ tour nana, les bobines de ces enroulements ayant leurs faisceaux disposés dans ces encoches et les têtes de bobines (12) et (30) étant placées sur les surfaces périphériques intérieures et extérieures des circuits magnétiques,en ce que ces tôles sont découpées sur la partie périphérique externe pour former des séries de cavités avec des échancrures cré neigées (15) et s4) destinées à recevoir des dispositifs de fixation 16) et (35) ,raccordés aux carcasses du moteur (14) et (32) et en ce que la bande de tôle magnétique est pourvue,à son origine,d'une entaille découpée lu permettant d'être accrochée sur le manchon (13) 4) Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3,dans lesquelies l'armature feuilletée constituant le stator fixe (1) présente des parties découpées destinées à recevoir des eispositifs de fixation, caractérisé en ce que la partie interne de l'armature feuilletée du stator fixe ,v1) est montée sur un manchon (13) lui servant de mandrin d'enrouiement par l'intermédiaire de l'entaille dont elle est pourvue.Ce manchon est fixé à une flasque (14) supportant dans la partie centraie un palier (38) recevant i'arbre du rotor (29) et en ce que la partie périphérique de cette flasque possède des épaulements recevant des pièces de serrage (16) assurant ia fixation longztudinale et transversale du circuit magnétique par l'intermédiaire d'échancrures créne liées (15) mentionnées ci-avant (revendication 35. 5j Dispositif selon les revendications 1 ,2 et 3,dans lesquelles l'armature feuilletée constituant le stator pivotant porte des parties découpées destinées à recevoir des dispositifs de fixation,caractérisé en ce que la partie interne de l'armature feuilletée du stator pivotant (9) est montée sur un manchon (31) lui servant de mandrin d' enroulement par l'intermédiaire de l'entaille dont elle est pourvue.Ce manchon est fixé à une flasque pivotante (32) ,dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation,en ce que la partie périphérique de cette flasque posséde des épaulements recevant des pièces de serrage r35) assurant la fixation du circuit magnétique par l'intermédiaire des échancrures crénelées (34) mentionnées dans la revendication 3 en ce que ce bâti pivote autour d'un tourillon faisant partie d'une flasque fixe (36) supportant dans la partie centrale un palier (39) recevant l'arbre du moteur (29) ,en ce que la rotation de la flasque pivotante (32) est assurée par un dispositif à vis tangente (33) entrainé manuellement ou par i' .ntermédiaire d'un servo-moteur,et en ce que cette flasque pivote en décrivant un parcours légèrement supérieur à l'angle correspondant au pas polaire (c'est à dire àn/p ,p étant ie nombre de paires de pôles), et ce,dans ie sens de rotation du champ tournant,afin d' obtenir une variation de la vitesse du moteur, le point de départ (vitesse voisine du synchronisme) étant celui où les lignes de flux des stators sont dirigées en sens. con- traire, le point d'arrivée (vitesse lente) étant celui où les lignes de flux des stators vont dans le même sens. 6 j Dispositif selon les revendications 1 et 2 dans lesquelles le troisième organe constitutif du moteur joue le rôle de rotor,caractérisé en ce que les toles magnétiques formant l'armature feuilletée du rotor (3) sont découpées sur les 2 faces externes,ainsi qu'en 3 endroits situés dans la partie centrale pour former 5 séries d'encoches radiales (4. 5, 6, 7 et 8 ) destinées à revoir des barres conduc trices et e que les tôles sont découpées dans la partie interne pour former des saillies crénelées (26) destinées à recevoir des dispositifs de fixation et de serrage (272. 7) Dispositif selon les revendications 1 ,2 et 6, dans lesquelles l'armature feuilletée constituant le rotor pré sente 5 séries d'encoches radiales,caractérisé en ce que le rotor reçoit 5 jeux de barres, appelés grilles, et plaçés dans les 5 séries d'encochesE4 ,5 ,6 7 et 8),aménagées dans le rotor,en ce que cet ensemble comprend: 2 grilles principales (4) et (8) ,placées chacune au voisinage des 2 entrefers, 2 grilles secondaires (3) et (7) ,placées de part et d'autre du plan médian, 1 grille de compensation (6) placée dans le plan médian,en ce que les barres constituant la grille de compensation (6) sont mises en court-circuit par l'intermédiaire de 2 couronnes conductrices (17) et (18) placées contre les parties internes et externes du rotor et rendues solidaires des barres par soudage, en ce que les barres constituant les 2 grilles principales (4) et (8) et les 2 grilles secondaires (3) et (7) sont mises en court-circuit par l'intermédiaire de 4 couronnes conductrices (19) ,(20) ,(22) ,(23), placées contre la partie interne du rotor et rendues solidaires des barres par soudage,en ce que les barres sont reliées entre elles dans la partie externe du rotor par des connexions soudées (21j ,(24) et (25) formant avec les génératrices du cylindre constituant le rotor,3 angies définis sur le schéma de connexions (figure 4) à savoir ::l'angle â qui est positif et peut varier de 10 à 30 électriques selon les caractéristiques du circuit magnétique et les valeurs du pas dentaire adopté (1 degré électrique 1 degré géométrique x nombre de paires de pôles) (le sens positif est celui du sens de rotation) ,l'angle b qui est négatif et peut varier de 10 à 30O électriques dans les mêmes conditions que l'angle à l'angle c qui est négatif et peut varier de 10 à 600 électriques dans les mêmes conditions que précédemment et en ce que dans une version simplifiée (figure 5!,les 2 grilles secondaires (5) et (7) sont fusionnées en une seule grille (5-7) ,située dans le plan médian,au voisinage de la grille de compensation (6). 8) Dispositif selon les revendications 1 ,2 et 6 dans lesquelles l'armature feuilletée constituant le rotor présente des saillies destinées à recevoir des dispositifs de fixation, caractérisé en ce que la partie interne de l'armature feuilletée formant le circuit magnétique du rotor est montézsur des dispositifs de fixation et de serrage (27) qui présentent des emplacements (40) pour enserrer les saillies crénelées (26) et pour maintenir les couronnes des grilles (41) ,en ce que ces emplacements (40) sont disposés dans des sens alternés de façon à ce que le rotor soit maintenu dans le sens de rotation normal et dans le sens inverse,en ce que les dispositifs de fixation sont épaulés par un manchon (28), rendu solidaire de l'arbre, les surfaces de contact présentant une légère conicité et le serrage se faisant par l'intermédiaIre de tiges filetées boulonnées (42),et en ce que le manchon présente des dégagements (43) permettant ie montage des dispositifs de fixatlon par rotation puis par traction longitudinale. 9) Procédé concernant la fabrication des armatures feuilletées formant des circuits magnétiques axiaux selon les revendications 1 ,2 ,3 et 6 mettant en oeuvre une ligne de découpage automatique en continu recevant une bobine de tôle magnétique placée en tête de ligne sur le dévidoir (45) caractérisé en ce que cette tôle après passage sous la presse à découper (44) est assemblée directement et définitivement sur l'enrouleur (46) en sortie de ligne,la bande de tôle étant soumise à une forte tension provenant de l'action d'une barre à crémaillère (48) soumise à une force axiale qu'elle transmet à une couronne dentée solidaire des satellites du système différentiel (47), lesquels la transforment,par l'intermédiaire des 2 planétaires du même différentiel et de 2 pignons de renvoi d'angle,en 2 couples de sens contraire appliqués au dérouleur (45) et à l'enrouleur (469