Brevet FR2677508A1 — publié le 19921211

I Perfectionnements aux machines tournantes électriques du genre des ralentisseurs. L'invention est relative aux machines tournantes électriques comprenant un inducteur agencé de façon à créer une couronne de pôles magnétiques de polarités alternées de proche en proche lorsqu'il est relié à une source de courant électrique et un induit agencé de façon telle que, lors du fonctionnement de la machine, on observe un défilement relatif entre lui et l'induc- teur avec interposition d'un entrefer cylindrique de révolution de faible épaisseur, ledit induit comprenant une pièce ferromagnétique dans laquelle se referment les circuits magnétiques de l'inducteur et un élément métal- lique dans lequel sont induits des courants électriques générateurs de chaleur. Il est courant d'utiliser les machines tournan- tes de ce genre comme ralentisseurs électriques de véhicules. Dans ce cas, l'élément métallique est générale- ment confondu avec la pièce ferromagnétique et la créa- tion des courants induits -dits "courants de Foucault"-, se traduit par la création simultanée d'une force ten- dant à lier le rotor au stator et donc à ralentir ledit rotor, lequel est en général solidarisé angulairement avec l'arbre de transmission du véhicule considéré. La présente invention a pour but, surtout, de rendre une machine tournante du genre ci-dessus telle qu'elle soit exploitable essentiellement comme source de chaleur, notamment aux fins de chauffage d'un habitacle de véhicule, le rotor de ladite machine étant alors lié angulairement soit à l'arbre de transmission de ce véhicule, soit à l'arbre du moteur dudit véhicule, notamment par l'intermédiaire d'un ensemble à poulies et courroie. A cet effet, les machines tournantes du genre en question selon l'invention sont essentiellement carac- térisées en ce que leur induit comporte un manchon de révolution constitué en matériau ferromagnétique feuil- leté, évidé au voisinage de l'une de ses deux faces cylindriques par une couronne d'encoches rectilignes s'étendant parallèlement à l'axe du manchon et ouvertes à leurs deux extrémités axiales, chacune de ces encoches étant garnie par une feuille en matériau conducteur de l'électricité ondulée en zig-zag, les deux bords axiaux des feuilles dépassant axialement hors du manchon et étant connectés électriquement entre eux par deux bagues en matériau conducteur de l'électricité encadrant axia- lement le manchon. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des disposi- tions suivantes: les faces extérieures des coudes de chaque feuille ondulée sont logées jointivement dans des rainures complémentaires pratiquées dans les faces latérales de l'encoche correspondante, les tronçons, de chaque feuille ondulée, compris entre ses coudes, sont légèrement incurvés, si l'induit constitue le rotor de la machine, la courbure des tronçons selon l'alinéa précédent est telle que leur concavité soit orientée radialement vers l'extérieur, la forme générale de la section transversale de chaque encoche est trapézoïdale de façon telle que les portions, du manchon, comprises entre deux encoches successives, présentent sensiblement la même épaisseur circonférentielle en tous leurs points radiaux, les bagues en matériau conducteur de l'élec- tricité sont évidées par des encoches ayant le même profil que les encoches évidées dans le manchon et sont traversées semblablement par les extrémités des feuilles ondulées, le rotor de la machine tournante comprend au moins une couronne d'aubages agencée de façon à faire circuler axialement l'air dans les encoches, la machine tournante est équipée d'une volute de sortie et de conduits propres à relier les sorties axiales des différentes encoches de l'induit à ladite volute de façon à engendrer un courant unique d'air chaud à la sortie de la machine, la feuille conductrice présente une épaisseur comprise entre 0, 1 et plusieurs mm, l'écartement radial mutuel des tronçons suc- cessifs de la feuille ondulée est compris entre 1 et mm, étant de préférence de l'ordre de 2 mm, le nombre des encoches est compris entre 6 et 100 et même davantage, et de préférence égal à 24. L'invention comprend, mises à part ces disposi- tions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après.20 Dans ce qui suit, l'on va décrire quelques modes de réalisation préférés de l'invention en se référant aux dessins ci-annexés d'une manière bien entendu non limitative. La figure 1, de ces dessins, montre schématique- ment en bout et en partie une machine électrique tour- nante établie selon l'invention. La figure 2, montre en vue perspective l'induit de cette machine. La figure 3, est un agrandissement partiel de la figure 1. La figure 4 montre en coupe axiale selon IV-IV, figure 3, d'une façon plus complète et à plus petite échelle, la machine tournante ci-dessus. La figure 5 montre, selon une vue analogue à la figure 1, une portion d'une autre machine tournante électrique établie selon l'invention. La figure 6 montre plus complètement une coupe axiale d'une telle machine. La figure 7 est une coupe axiale d'une autre machine tournante électrique également conforme à l'invention. Dans chaque cas, l'induit de la machine tour- nante électrique considérée est constitué par un manchon cylindrique de révolution 1 d'axe X et par un inducteur 2 coaxial à l'induit et propre à engendrer, avec inter- position d'un entrefer e de faible épaisseur radiale, soit à l'extérieur de la face cylindrique extérieure du manchon (figures 1 à 4) soit à l'intérieur de la face cylindrique intérieure dudit manchon (figures 5, 6 et 7), une couronne de pôles inducteurs 3 angulairement équidistants, ces différents pôles étant en nombre pair et leurs polarités étant alternées de proche en proche. L'induit 1 peut être intérieur ou extérieur à l'inducteur et il peut faire partie du rotor ou du stator. Dans le premier mode de réalisation faisant l'objet des figures 1 à 4, l'induit est rotorique et disposé à l'intérieur de l'inducteur. Le manchon cylindrique constitutif de cet induit est constitué en matériau ferromagnétique. Plus précisément, il est composé par empilage axial de tôles minces découpées 11 en un tel matériau, les différentes tôles juxtaposées étant isolées électri- quement les unes des autres par interposition d'un revêtement approprié tel qu'un vernis isolant.30 L'épaisseur de chaque tôle est généralement com- prise entre 0, 5 et 2 mm, étant notamment de l'ordre du mm. En outre, une couronne de canaux ou encoches 4 s'étendant parallèment à l'axe X sont évidés dans l'in- duit 1 à proximité de la face cylindrique extérieure de celui-ci. Comme bien visible sur les figures 1 à 3, la section transversale de chaque encoche 4 présente avantageusement la forme d'un trapèze légèrement con- vergent vers l'axe X de façon que les portions 5 de manchon ferromagnétique comprises entre deux encoches successives présentent en tous leurs points radiaux une épaisseur circonférentielle sensiblement constante: cette mesure permet d'éviter la formation de points d'étranglement dans le circuit C offert au flux magné- tique à l'intérieur de l'induit. Les encoches 4 pourraient être fermées radia- lement Dans les modes de réalisation illustrés, ces encoches sont ouvertes radialement, mais communiquent avec l'extérieur du manchon par des passages étranglés P (figure 3). Chacune des encoches 4 est garnie d'une feuille ondulée en zig-zag 6 constituée en un matériau conduc- teur de l'électricité. Ces feuilles 6 sont ondulées de façon à présen- ter la forme générale de cylindres dont la directrice est composée de coudes semi-circulaires 61 orientés successivement dans des sens opposés et reliés entre eux par des tronçons 62 sensiblement rectilignes (voir fi- gure 3).25 Les coudes 61 sont logés jointivement dans des rainures complémentaires 7 évidées dans les faces laté- rales des encoches. Pour éviter une déformation incontrôlée des tronçons 62 sous l'effet des dilatations thermiques, on leur donne un léger galbe permanent lors du montage des feuilles 6 correspondantes sans que la limite élastique du matériau constitutif desdites feuilles soit atteinte: à cet effet, dans un premier temps, les feuilles 6 sont mises en forme de façon telle que les tronçons 62 com- pris entre les coudes 61 soient plans et le galbe de ces tronçons 62 est obtenu en pinçant légèrement lesdites feuilles 6 lors de leur introduction axiale dans les encoches 4. Dans le cas présent o l'induit fait partie du rotor, la convexité des galbes est orientée vers l'axe X, ce qui confère aux tronçons 62 considérés une bonne résistance à la force centrifuge. Le matériau conducteur constitutif des feuilles 6 est avantageusement un alliage à dispersion obtenu par frittage, tel qu'un cuivre à dispersion d'oxyde d'alumi- nium (A 1203), alliage qui présente de bonnes propriétés physiques aux températures de fonctionnement. Le cas échéant, la feuille considérée peut être revêtue par une couche de nickel ou autre matériau protecteur, par exemple vis-à-vis des oxydations à haute15 température. La dimension axiale de chaque feuille 6 est telle que ses bords 63 débordent au-delà des deux extré- mités axiales du manchon 1. Deux bagues conductrices 8 sont prévues pour connecter entre eux ces bords 63 des feuilles 6, formant avec ces feuilles un circuit électrique fermé en cage d'écureuil. Les bagues 8 sont avantageusement constituées en cuivre ou alliage cuivreux et sont encochées selon le même profil que le circuit magnétique 1 de façon à être connectées semblablement aux bords 63 des feuilles 6. Les bagues 8 peuvent être massives ou consti- tuées par des empilages de feuilles découpées. L'épaisseur axiale totale de chaque bague est avantageusement de l'ordre de la moitié de la plus grande largeur de chaque encoche 4 afin d'éviter des rétrécissements du circuit électrique ainsi formé, rétrécissements qui se traduiraient par la création de points chauds.35 Les feuilles 6 sont avantageusement brasées ou soudées sur les bagues 8 le long de leurs surfaces en contact mutuel, c'est-à-dire entre les coudes des feuil- les et les fonds des rainures des bagues dans lesquels ces coudes sont logés. Les bagues 8 sont de préférence indépendantes du manchon 1 de façon à rendre possibles les déformations thermiques des feuilles 6 selon la direction axiale. L'épaisseur de chaque feuille 6 est comprise entre 0,10 mm et plusieurs mm. L'écartement radial des tronçons 62 consécutifs, de cette feuille, qui traversent circonférentiellement les encoches 4, est compris entre 1 et 5 mm, étant de préférence de l'ordre de 2 mm. Le nombre des encoches est au minimum égal à 6 et peut atteindre 100 ou même davantage: dans le mode de réalisation préféré illustré, ce nombre des encoches est égal à 24. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, l'inducteur 2 est à pôles saillants en ce sens que chaque pôle 3 est constitué par un noyau radial magné- tique 31 entouré par un enroulement ou bobine de fil électrique 32 Les différentes bobines sont reliées à une sour- ce de courant électrique continu à travers des organes de commande et de réglage appropriés qui n'ont pas été représentés. L'induit 1, quant à lui, est calé angulairement sur un arbre rotatif 9 qui est solidarisé angulairement par tous moyens désirables avec l'arbre de transmission d'un véhicule ou avec l'arbre du moteur de ce véhicule, notamment par l'intermédiaire d'un ensemble à poulies et courroie. L'arbre 9 est monté sur un carter 10 par l'in- termédiaire de roulements 11. Le carter 10 présente une entrée d'air axiale 12 permettant d'admettre l'air axialement en regard de l'une des deux extrémités axiales de la couronne d'enco- ches 4 de l'induit décrit ci-dessus et l'autre extrémité axiale de ces encoches, constituant la sortie de l'in- duit, débouche dans une couronne d'aubages inclinés 13 qui fait partie du même rotor et constitue un ventila- teur centrifuge. Ce ventilateur 13 est lui-même logé dans une volute 14 conformée de façon à recueillir la totalité des jets d'air sortants dudit ventilateur et à former avec ceux-ci un courant d'air de sortie unique 15. Lorsque la machine est excitée par l'alimenta- tion électrique des bobines 32 et mise en rotation de l'arbre 9, les courants électriques induits dans les différents conducteurs 6 de l'induit se traduisent par un échauffement de ces derniers et le courant d'air 15 est chaud. Il suffit donc de l'envoyer, à l'aide de canali- sations appropriées, vers des bouches d'alimentation en air chaud de l'habitacle du véhicule que l'on désire chauffer. Cette machine chauffante est intéressante du fait que l'énergie électrique nécessaire à l'alimenta- tion des bobines 32 est relativement faible et que l'essentiel de l'énergie calorifique produite provient de la transformation du mouvement mécanique de rotation de l'arbre 9. Bien entendu, cette formule est particulièrement avantageuse lorsque le véhicule dont on désire chauffer l'habitacle doit être fréquemment ralenti et en particu- lier lorsque ce véhicule doit descendre une rampe de grande longueur. Dans un tel cas en effet, la prise d'énergie mécanique effectuée sur l'arbre 9 contribue par elle- même à ralentir le véhicule, ce qui constitue un avan-35 tage en lui- même au lieu de constituer une consommation d'énergie utile. Dans le second mode de réalisation illustré sur les figures 5 et 6, les éléments analogues à ceux dé- crits précédemment ont été désignés par les mêmes réfé- rences que précédemment. Ce second mode de réalisation diffère essentiel- lement du premier en ce que les encoches 4 sont évidées dans la face intérieure du manchon induit 1 au lieu d'être évidées dans sa face extérieure. Mais cet induit 1 fait encore ici partie du rotor de la machine. L'inducteur, du type à pôles saillants vers l'extérieur 31 '32 ' est alors monté axialement en porte-à-faux sur le carter 10 de la machine de façon à être logé radialement entre l'arbre 9 et l'induit 1, et cet induit est à son tour monté en porte-à-faux sur une couronne d'aubages d'entrée 16 elle-même calée sur un bout de l'arbre 9. Le ventilateur centrifuge 13 qui débouche tan- gentiellement dans la volute 14 pour former le courant d'air chaud sortant 15 est ici monté autour de l'induit, les jets d'air qui sortent axialement de cet induit étant guidés vers une entrée latérale 17 de ce ventila- teur par une portion 18 conformée en correspondance du carter 10. Le troisième mode de réalisation illustré sur la figure 7, pour lequel les éléments analogues à ceux décrits précédemment sont encore désignés par des réfé- rences identiques aux références précédentes, diffère essentiellement des deux premiers modes de réalisation en ce que l'induit fait ici partie du stator de la machine au lieu d'être rotatif. Cet induit est encore du type à encoches orien- tées vers l'axe, comme dans le second mode de réalisa- tion.35 L'inducteur 2 est alors rotatif, et il est ici du type à griffes 19, avec un enroulement unique 20. On retrouve dans ce troisième mode de réalisa- tion l'entrée d'air 12 ainsi qu'un ventilateur centri- fuge 13 de sortie logé dans une volute 14, ledit venti- lateur faisant partie du rotor et son entrée, latérale, étant disposée axialement en regard de la sortie de l'induit 1. On voit également sur la figure 7 un ensemble de deux bagues 21 associées à des frotteurs 22, destiné à alimenter en énergie électrique la bobine 20 à partir d'une source de courant électrique extérieure. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose finalement d'une machine tournante dont la constitution résulte suffisamment de ce qui précède. Comme déjà évoqué ci-dessus à propos du premier mode de réalisation, le fonctionnement de cette machine est le suivant. Lorsque l'arbre 9 est entraîné en rotation, les aubages de ventilation de la machine créent un courant d'air qui traverse axialement les canaux 4 de l'induit 1 et qui sort de la machine en 15. Tant que l'inducteur 2 n'est pas excité électri- quement, ce courant d'air demeure à la température ambiante. Dès que ledit inducteur 2 est excité électrique- ment, le déplacement relatif des pôles magnétiques en regard de l'induit 2 a pour effet d'induire dans les feuilles 6 des courants électriques générateurs de cha- leur. Le courant d'air qui traverse l'induit balaie la quasi-totalité des deux faces de chacune desdites feuil- les 6 et s'échauffe à leur contact en évacuant la cha- leur correspondante: le courant d'air sortant 15 est alors chaud et peut être exploité aux fins de chauffage de l'habitacle du véhicule. 1 1 On notera que la source de cette énergie calo- rifique est une toute petite partie de l'énergie méca- nique disponible sur le véhicule. Certes, cette énergie doit être produite par le moteur du véhicule tant qu'il n'est pas nécessaire de ralentir celui-ci. Mais elle devient totalement disponible, et même excédentaire, lors des périodes o l'on a besoin de ralentir le véhicule. Lors de ces périodes, la machine peut être con- sidérée comme un ralentisseur de ce véhicule, l'énergie calorifique produite pouvant éventuellement, à ces ins- tants, être évacuée hors du véhicule s'il n'est alors pas besoin de réchauffer son habitacle. Indépendamment des considérations thermiques, la génération du courant d'air 15 nécessite le prélèvement d'une partie de l'énergie mécanique disponible. Cette partie est relativement très faible, mais on peut la réduire encore au point de la rendre négli- geable en pratique lors des périodes o aucun besoin de chauffage ne se manifeste et o aucun ralentissement n'est désiré, en prévoyant des moyens pour débrayer alors, de préférence automatiquement, le ventilateur. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ail- leurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réali- sation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 Machine tournante électrique comprenant un inducteur ( 2) agencé de façon à créer une couronne de pôles magnétiques de polarités alternées de proche en proche lorsqu'il est relié à une source de courant électrique et un induit agencé de façon telle que, lors du fonctionnement de la machine, on observe un défile- ment relatif entre lui et l'inducteur avec interposition d'un entrefer cylindrique de révolution de faible épais- seur, caractérisée en ce que son induit comporte un manchon de révolution ( 1) constitué en matériau ferro- magnétique feuilleté, évidé au voisinage de l'une de ses deux faces cylindriques par une couronne d'encoches rectilignes ( 4) s'étendant parallèlement à l'axe du manchon et ouvertes à leurs deux extrémités axiales, chacune de ces encoches étant garnie par une feuille ( 6) en matériau conducteur de l'électricité ondulée en zig- zag, les deux bords axiaux des feuilles dépassant axialement hors du manchon et étant connectés élec- triquement entre eux par deux bagues ( 8) en matériau conducteur de l'électricité encadrant axialement le manchon. 2 Machine tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les faces extérieures des coudes ( 61) de chaque feuille ondulée ( 6) sont logées jointive- ment dans des rainures complémentaires ( 7) pratiquées dans les faces latérales de l'encoche ( 4) correspon- dante. 3 Machine tournante selon la revendication 2, caractérisée en ce que les tronçons ( 62), de chaque feuille ondulée ( 6), compris entre ses coudes ( 61), sont légèrement incurvés. 4 Machine tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que, si l'induit ( 1) constitue le rotor de la machine, la courbure des tronçons ( 62) est telle que leur concavité soit orientée radialement vers l'extérieur. Machine tournante selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que la forme générale de la section transversale de chaque encoche ( 4) est trapézoïdale de façon telle que les por- tions ( 5), du manchon ( 1), comprises entre deux encoches successives, présentent sensiblement la même épaisseur circonférentielle en tous leurs points radiaux. 6 Machine tournante selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que les bagues ( 8) en matériau conducteur de l'électricité sont évidées par des encoches ( 4) ayant le même profil que les encoches évidées dans le manchon et sont traversées semblablement par les extrémités ( 63) des feuilles on- dulées ( 6). 7 Machine tournante selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que son rotor comprend au moins une couronne d'aubages ( 3) agencée de façon à faire circuler axialement l'air dans les encoches ( 4). 8 Machine tournante selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'une volute de sortie ( 14) et de conduits propres à relier les sorties axiales des différentes encoches ( 4) de l'induit à ladite volute de façon à engendrer un courant unique d'air chaud ( 15) à la sortie de la machine. 9 Machine tournante selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que l'écartement radial mutuel des tronçons successifs de la feuille ondulée ( 6) est compris entre 1 et 5 mm, étant de préférence de l'ordre de 2 mm. Machine tournante selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que le nombre des encoches ( 4) est compris entre 6 et 100 et même davantage, et de préférence égal à 24.