Brevet FR2613149A1 — publié le 19880930

MOYENS DE CONTROLE ELECTRONAGNETIQUE DES VIBRATIONS DANS LES NACHINES ELECTRIQUES La présente invention concerne Le domaine technique des machines électriques synchrones ou à courant continu, du type comprenant un stator et un rotor, l'un constituant l'inducteur alimenté en courant continu et l'autre l'induit de la machine, ou inversement. Lors du fonctionnement de ce type de machines, il apparait une variation de flux magnétique au niveau de chaque pâle d'excitation, ayant pour effet d'engendrer des vibrations d'origine électromagnétique. Une analyse approfondie du spectre de ces vibrations révèle que certaines de celles-ci sont liées à la structure même des machines et proviennent, notamment, du balourd du rotor et du passage des dents rotoriques sous les pâles d'excitation. Une autre cause de la variation de flux magnétique provient des sollicitations ou vibrations engendrées par l'environnement extérieur et par les organes auxquels ces machines électriques sont associées. Il en résulte que les machines de ce type sont le siège de vibrations d'origine électromagnétique qui se transmettent, d'une manière générale, à leur structure porteuse et à leurs éléments constitutifs et, notamment, leur rotor. La propagation de ces vibrations rend la structure porteuse et/ou Les organes associés facilement détectables, ce qui représente un inconvénient majeur dans certaines applications spécifiques de ces machines. De plus, les vibrations engendrent, in'évitablement, des contraintes mécaniques appliquées aux organes comme, par exemple, de la fatigue. Cependant, dans d'autres applications de ces machines, il peut être avantageux d'utiliser et même d'augmenter le niveau de ces vibrations et, notamment, pour les machines équipant les installations d'extraction ou de soutirage de produits pulvérulents dans des silos o un effet de voûte a tendance à se produire. Les vibrations de ces machines peuvent être transmises à la trémie chargée de produits pour rompre l'effet de voûte. Il apparaît donc le problème général du contrôle à volonté, en fonction du type d'application recherché, des S05 vibrations d'origine électromagnétique de ces machines qui n'a pas reçu jusqu'à maintenant de solutions acceptables. L'invention a, justement, pour but de remédier à ce problème en proposant des moyens électromagnétiques de contrôle à volonté des vibrations d'origine électromagnétique de ce type de machines. L'invention a aussi pour but d'offrir, par des moyens électromagnétiques, une possibilité de solliciter radialement le rotor de ce type de machines. L'invention vise, notamment, à minimiser, voire à éliminer totalement, ce type de vibrations. L'invention vise, également, à augmenter, d'une manière non négligeable, ce type de vibrations. L'invention vise, encore, des moyens électromagnétiques de contrôle simples, facilement adaptables et de faible coût. Pour atteindre les buts ci-dessus, Les machines électriques conformes à l'invention comprennent, pour au moins un pôle, des moyens agissant sur les enroulements associés audit pôle, de manière à modifier localement le champ magnétique et imposer une sollicitation radiale temporaire au rotor en relation avec des vibrations d'origine électromagnétique produites par la machine, ces moyens comprenant: - un capteur de détection de la fréquence de rotation du rotor, - un capteur de détection des vibrations en amplitude et en phase, associé à un filtre suiveur passe-bande centré sur la fréquence de rotation du rotor, - des moyens d'application aux enroulements associés d'un signal d'excitation alternatif synchronisé à la fréquence de rotation du rotor, - et des moyens d'asservissement des moyens d'application, modifiant la phase et le module du signal d'excitation alternatif, en relation avec la phase et l'amplitude des vibrations détectées. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexes qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une section droite transversale schématique d'une machine munie d'enroulements d'excitation. La fig. 2 représente le schéma bloc, conforme à l'invention, d'alimentation des enroulements d'excitation. La fig. 3 est un exemple de groupement et d'alimentation des enroulements d'excitation d'une machine à nombre élevé de pôles d'excitations. La fig. 4 illustre la forme du signal d'alimentation des enroulements d'excitation. Les fig. 5A à 5D illustrent le principe d'application du champ magnétique créé par le signal d'alimentation des enroulements d'excitation. La fig. 6 est une section droite transversale schématique d'une machine électrique selon une variante de réalisation conforme à l'invention. La fig. 7 représente le schéma bloc d'alimentation des enroulements d'excitation d'une machine électrique selon la fig. 6. La fig. 1 illustre, à titre d'exemple, une machine électrique 1 tétrapolaire, du type à courant continu comprenant un stator 2 fixé à un bâti 3, et un rotor 4 monté coaxial à l'intérieur du stator 2 par des paliers, non représentés. Le stator 2 constitue l'inducteur de la machine électrique et possède, à cet effet, quatre pôles P1-P4 d'excitation régulièrement répartis angulairement. Chacun des pôles P1-P4 porte un enroulement d'excitation E1-E4 respectivement alimenté, de façon classique, en courant continu pour générer le champ magnétique d'excitation. 2 613149 Le rotor 4 constitue l'induit de la machine et comporte, à sa périphérie, des enroulements d'induit, non représentés, mais organisés de toute façon connue de l'homme de l'art. Le rotor 4 et, plus précisément, son circuit magnétique, canalise le flux magnétique d'excitation qui traverse un entrefer 5 délimité entre chaque pôle et le rotor. Il a été représenté, à titre de simplification, une machine à courant continu tétrapolaire, mais l'invention s'applique, également, à une machine possédant, d'une manière générale, n pôles d'excitation Pi, associés chacun à un enroulement inducteur E.. *1 Par ailleurs, l'invention s'applique aussi aux machines électriques, du type synchrone, qui comportent, de façon connue, un stator constitutif de l'induit et un rotor constitutif de l'inducteur. Conformément à l'invention, les enroulements d'excitation E1-E4 sont reliés à des moyens 6 de commande de leur alimentation en courant d'excitation iex' comme illustré à la fig. 2. De préférence, les moyens de commande 6 sont en nombre égal au nombre de paires de pôles et alimentent les enroulements des pôles diamétralement opposés comme, par exemple, les enroulements E1, E3 respectifs des pôles P1, P3. Toutefois, il peut être prévu, pour les machines possédant un nombre élevé de pôles, un moyen de commande 6 individuel pour chaque enroulement d'excitation associé à un pôle. De même, il peut être aussi envisagé de grouper en série les enroulements d'excitation, de manière à créer deux paires de pôles opposées et déphasées en quadrature avec, uniquement, un moyen de commande 6 individuel pour les enroulements de chaque paire de pôles ainsi créée, comme illustré à la fig. 3. D'une manière générale, il faut noter que le nombre de moyens de commande 6 doit toujours être au moins égal à deux. Les moyens de commande 6 se composent de moyens 7 d'application du courant d'excitation ie aux enroulements inducteurs. Les moyens d'application 7 sont synchronisés à xa inducteurs. Les moyens d'application 7 sont synchronisés à la 2 613149 fréquence de rotation du rotor qui est détectée par un capteur de vitesse 8 monté sur le rotor 4. Les moyens d'application 7 sont pilotés par des moyens d'asservissement 9 commandés en entrée par la fréquence de rotation du rotor et par les données détectées par un capteur de vibrations 10 et filtrées 11. Les moyens d'application 7 sont réalisés, par exemple, par un onduleur à transistors à modulation de largeur d'impulsions, un pont redresseur monophasé ou triphasé ou par un amplificateur de puissance. Les moyens d'application 7 délivrent un courant d'excitation ie qui est composé d'un signal continu A auquel est ex superposé un signal variable S (fig. 4). Le signal continu A crée le champ magnétique d'excitation nécessaire pour obtenir un fonctionnement normal de la machine électrique. Le signal S, variable alternativement et, de préférence, sinusoîdal, modifie le champ magnétique d'excitation, en relation avec les variations de flux magnétique ou d'entrefer, générateur de vibrations d'origine électromagnétique liées à la structure de la machine ou à des sollicitations extérieures. Il peut être considéré que le signal S est de la forme: V sin (ut + q). La pulsation w correspond à la pulsation de rotation du rotor. L'amplitude V et la phase v du signal sont, respectivement, représentatives de l'amplitude et de la position angulaire des vibrations par rapport au rotor et, par extension, de la variation d'entrefer détectée par les capteurs de vibrations et de vitesse 8. A cet effet, Le capteur de vibrations 10 peut être constitué par une sonde à effet Hall, un capteur d'accélération ou de proximité monté, par exemple, au droit des pôles. Les informations détectées par le capteur 10 sont traitées dans le filtre 11, du type suiveur passe-bande centré sur la fréquence de rotation du rotor, pour éliminer ainsi les bruits parasites extérieurs à la bande passante déterminée. Les moyens d'asservissement 9, qui délivrent le signal continu A, permettent de modifier, à volonté, l'amplitude V et la phase ip du signal S par rapport au rotor. Cependant, le signal continu A peut être délivré directement par les moyens d'application 7. Selon une première caractéristique, les moyens d'asservissement 9 définissent la phase t et l'amplitude V, de manière à diminuer les vibrations d'origine électromagnétique. A cet effet, les moyens 9 recherchent, par calcul, le minimum des données fournies par le capteur de vibrations qui dépend des variables V et p. Le minimum est recherché, d'abord par rapport à l'une de ces deux variables, ensuite par rapport à l'autre, jusqu'à l'obtention du minimum absolu. Selon une seconde caractéristique, les moyens d'asservissement 9 recherchent, toujours par calcul, le maximum des données fournies par le capteur de vibrations 10, de manière à augmenter les vibrations d'origine électromagnétique. Les moyens de commande 6 délivrent donc un courant d'excitation ie permanent, calé sur La fréquence de rotation du ex rotor et modulable à volonté en amplitude et en phase, permettant de solliciter radialement le rotor de la machine, en vue d'augmenter ou d'éliminer les vibrations d'origine électromagnétique. A cet effet, les fig. 5A à 5D illustre le principe de l'action sur le rotor du flux magnétique créé par le courant d'excitation pour parvenir, par exemple, à compenser ces vibrations. Le champ magnétique statique Hs, créé par les pôles d'excitation, est représenté en trait interrompu. Il doit être considéré que les moyens de commande 6 alimentent les enroulements avec des courants d'excitation qui sont déphasés entre eux pour réaliser un champ tournant. Par exemple, pour une machine à quatre pôles ou quatre groupes de pôles formant ainsi deux paires de pôles, le moyen de commande, associé à une paire de pôles, délivre un courant d'excitation de forme sinusoîdale, tandis que le moyen de commande associé à l'autre paire délivre un courant d'excitation de forme cosinusoldale. 2 613149 Ainsi, pour un régime établi de fonctionnement de la machine à une fréquence de rotation du rotor donnée et pour des vibrations détectées et localisées en amplitude et en phase, le courant d'excitation est glissant pour définir un champ magnétique rétrograde, tournant à la vitesse de rotation du rotor. Le champ tournant rétrograde Ht, représenté en trait continu sur les fig. 5, est calé, par le réglage du déphasage, pour suivre les vibrations et, plus précisément, la variation d'entrefer, en vue de la compenser. Lorsque la variation de flux intervient, par exemple au niveau du pôle P2, le flux d'excitation généré par le pale P1 est modifié et celui de P3 modifié aussi, mais de façon complémentaire et opposée, en vue de compenser le déséquilibre des forces qui s'exercent sur le rotor dues aux variations d'entrefer. Les fig. 6 et 7 illustrent une variante de réalisation de l'objet de l'invention, dans laquelle chaque pâle d'excitation P!-P4 de la machine est muni, respectivement, d'enroulements supplémentaires de compensation E'1-E'4, montés de façon classique. Les enroulements d'excitation E -E4 sont alimentés par le signal continu A, créateur du champ magnétique d'excitation nécessaire au fonctionnement normal de la machine, tandis que les enroulements de compensation E'1-E'4 sont alimentés par le signal alternatif S, de forme générale décrite ci-dessus. Il en résulte que le champ magnétique d'excitation résultant est analogue au champ magnétique produit par le courant continu A modulé par le signal alternatif S. Les moyens de commande 6', associés aux enroulements de compensation E'1-E'4, possèdent une configuration fonctionnelle identique à celle des moyens de commande 6 déjà décrits. Les moyens d'asservissement 9' permettent, simplement, de modifier la phase) et l'amplitude V du signal alternatif S délivré par les moyens d'application 7', tel qu'un onduleur monophasé. Les moyens de commande 6, 6' permettent de compenser les vibrations d'origine électromagnétique dues au passage des encoches rotoriques sous les pâles statoriques. A cet effet, la pulsation des encoches est obtenue par le capteur de vitesse dont Le nombre d'impulsions par tour est un multiple du nombre d'encoches du rotor. Les moyens de commande 6, 6' délivrent donc un signal d'excitation S convenable, représentatif de la variation d'entrefer produite à chaque passage des dents rotoriques sous un pôle d'excitation. A cet égard, chaque enroulement de compensation E' 1-E'4 possède des moyens de commande 6, 6' individuels. Il est à noter qu'un capteur de vitesse 8, unique, monté sur le rotor, peut assumer la détection de la fréquence de rotation du rotor. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS: 1 - Machine éLectrique synchrone ou à courant continu, du type comportant un stator (2) et un rotor (1), l'un constituant l'induit et l'autre portant (n) pôles (P.) associés chacun à des enroulements, caractérisé en ce que pour au moins un pôle, des moyens (6, 6') agissent sur les enroulements associés audit pôle, de manière à modifier localement le champ magnétique et imposer une sollicitation radiale temporaire au rotor en relation avec des vibrations d'origine électromagnétique produites par la machine, ces moyens comprenant: - un capteur (8) de détection de la fréquence de rotation du rotor, - un capteur (10) de détection des vibrations en amplitude et en phase, associé à un filtre (11) suiveur passe-bande centré sur la fréquence de rotation-du rotor, - des moyens (7, 7') d'application aux enroulements associés d'un signal d'excitation alternatif synchronisé à la fréquence de rotation du rotor, - et des moyens (9, 9') d'asservissement des moyens d'application, modifiant la phase et le module du signal d'excitation alternatif, en relation avec la phase et l'amplitude des vibrations détectées. 2 - Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les enroulements associés sont constitués des enroulements d'excitation (E.) de la machine, alimentés par un courant continu d'excitation (A) modulé par un signal alternatif (S) délivré par Les moyens d'application (7) qui sont pilotés par les moyens d'asservissement (9). 3 - Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les enroulements associés sont constitués des enroulements (E.) *1 d'excitation de la machine alimentés par un signal continu (A) et d'au moins un enroulement de compensation (E'i) alimenté par un signal alternatif (S) délivré par les moyens (7') d'application qui sont pilotés par les moyens d'asservissement (9'). 4 - Machine selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le signal alternatif (S), délivré par les moyens d'applications (7, 7'), est du type sinusoïdal. 5 - Machine selon les revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le signal alternatif délivré par les moyens d'application (7, 7') est généré pour être une image des vibrations à atténuer ou à amplifier dans une bande de fréquence déterminée. 6 - Machine selon les revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens d'asservissement (9, 9') modifient la phase et l'amplitude du signal d'excitation pour minimiser les vibrations détectées. 7 - Machine selon les revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens d'asservissement (9, 9') modifient la phase et l'amplitude du signal d'excitation pour maximiser les vibrations détectées. 8 - Machine selon les revendications 1 à 7, caractérisée en ce que pour les (n) pôles, les enroulements des pôles diamétralement opposés sont alimentés en oposition de phase simultanément par le signal d'excitation alternatif délivré par les moyens d'application (6, 6'). 9 - Machine selon les revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les enroulements des (n) pôles sont groupés pour former deux paires de pôles dont les enroulements associés à chaque paire sont alimentés par un signal d'excitation déphasé en quadrature. - Machine selon les revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens de commande (6') agissent sur chacun des enroulements de compensation associés aux (n) pôles avec une fréquence multiple du nombre d'encoches portées par l'induit.