Brevet FR2690291A1 — publié le 19931022

L'invention concerne un alternateur à excita- tion par aimants permanents. De tels alternateurs ont l'inconvénient que la dépendance de la tension à leurs bornes de sortie de la vitesse de rotation et de la charge peut jusqu'à présent être compensée seulement par une régulation au moyen d'une électronique de puissance qui est dimensionnée en fonction de la puissance nominale de l'alternateur. L'invention a donc pour but de créer un alternateur du type indiqué, mais qui permette un réglage en principe sans perte de la tension d'alterna- teur et qui fournisse une tension aux bornes constante, indépendamment de la charge et de la vitesse de rota- tion. Selon une première variante de réalisation de l'invention, on obtient ce résultat par le fait que le stator est composé de deux stators élémentaires de même structure, montés rotatifs l'un par rapport à l'autre, que les stators élémentaires portent chacun dans leur empilage de tôles un enroulement triphasé à plusieurs brins, avec montage en série des brins correspondants des deux enroulements statoriques, que les deux stators élémentaires sont reliés entre eux par un mécanisme d'inversion du sens de rotation dont les paliers d'axe sont accolés à la structure de carcasse fixe, qu'un actionnement du mécanisme d'inversion provoque un réglage angulaire de même grandeur, mais de sens de rotation contraire des stators élémentaires par rapport à l'environnement et que le rotor correspondant est à excitation par aimants permanents, n'est pas divisé et porte le même nombre de pôles que les stators élémen- taires. Selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, on obtient les résultats recherchés par le fait que l'alternateur possède un stator fixe d'un seul tenant, portant un enroulement triphasé à plusieurs ZL brins, que le rotor correspondant, à excitation par aimants permanents, est divisé à mi-longueur, que les deux rotors partiels, ayant un nombre de paires de pôles correspondant à celui du stator, sont montés rotatifs l'un par rapport à l'autre et sont reliés entre eux par un mécanisme d'inversion, que les paliers d'axe du mécanisme d'inversion sont reliés de façon fixe à l'arbre mené et qu'un actionnement du mécanisme d'in- version provoque un réglage angulaire de même grandeur mais-de sens de rotation contraire des rotors partiels par rapport à l'environnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre d'exemples de réalisation non limi- tatifs permettant un réglage de principe sans perte de la tension d'alternateur par une rotation du stator ou du rotor -, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale schématique d'un alternateur à excitation par aimants permanents, comportant deux stators élémentaires pouvant être tournés l'un par rapport à l'autre; la figure la est une coupe transversale schématique de cet alternateur, prise suivant la ligne A-A; la figure 2 est une coupe axiale schématique d'un alternateur à excitation par aimants permanents, comportant deux rotors partiels portant des aimants permanents et montés rotatifs l'un par rapport à l'autre; la figure 2 a est une coupe transversale schématique de l'alternateur de la figure 2, prise suivant la ligne A-A; et la figure 3 montre deux diagrammes vecto- riels dans lesquels l'indice l se réfère à la machine partielle 1 et l'indice 2 se réfère à la machine par- tielle 2 des figures 1 et 2 respectivement. Comme représenté sur la figure 1, le stator de cet alternateur à excitation par aimants permanents est composé de deux stators élémentaires I (moitiés de stator) de structure identique et pouvant être tournés l'un par rapport à l'autre, portant chacun un enroule- ment triphasé, bipolaire ou multipolaire à plusieurs brins Les brins d'enroulement correspondants des deux stators élémentaires sont raccordés électriquement en série Les deux moitiés de stator 1 sont accouplées entre elles par un mécanisme d'inversion du sens de rotation 2 dont les paliers d'axe 3 sont reliés de façon fixe à la structure de carcasse 4 Le principe de mécanisme d'inversion a pour conséquence que les couples transmis par le rotor 5 d'un seul tenant aux deux 1 r stators élémentaires 1 s'opposent mutuellement, de sorte que seulement le couple différentiel agit sur le méca- nisme d'inversion 2 Ce couple différentiel est reçu par un engrenage à vis sans fin 6 Une rotation des deux stators élémentaires 1 l'un par rapport à l'autre, est no effectuée, par l'intermédiaire du mécanisme d'inversion 2, lorsque la roue de la vis sans fin est sollicitée par un couple dont la grandeur résulte du couple différen- tiel des deux stators élémentaires 1, du moment d'accé- lération des masses statoriques et du moment de f rotte- ment à vaincre, divisés par le rapport de transmission de l'engrenage à vis sans fin Avec une réaction négli- geable des courants statoriques sur la distribution du champ dans l'entrefer (ce qui est presque toujours possible lorsque les aimants du rotor sont fabriqués en30 Co-Sm ou en Nd-Fe-B), les couples transmis par voie magnétique du rotor 5 aux deux stators élémentaires 1, sont presque égaux, de sorte que le couple différentiel est petit Pour assurer le réglage, il suffit dans ce cas de produire un couple correspondant à la somme du35 moment d'accélération et du moment de frottement. Le réglage de la tension aux bornes de sortie de l'alternateur est basé sur le principe de l'addition vectorielle des tensions partielles sinusoïdales in- duites dans les deux moitiés de stator 1, comme on peut le voir sur la figure 3 Si l'angle de rotation des deux stators élémentaires 1 l'un par rapport à l'autre est nul, les tensions induites en eux sont de même phase et la somme correspond à l'addition algébrique des tensions partielles donc au maximum naturel L'alternateur doit I O être conçu de manière que l'on obtienne cette situation à vitesse de rotation minimale et à charge maximale Si l'alternateur est utilisé seulement sous charge par- tielle ou à une vitesse de rotation plus élevée, il est nécessaire de réduire la somme des deux tensions par- tielles pour maintenir la tension aux bornes constante. Ceci est possible lorsque, par la rotation des stators élémentaires 1 l'un par rapport à l'autre, les deux tensions partielles ne sont plus de même phase, mais se cumulent selon une addition vectorielle L'avantage particulier de ce procédé est que, si les tensions partielles sont sinusoïdales, la tension somme reste également sinusoïdale, indépendamment de la grandeur de l'angle de phase Entre l'angle de réglage mécanique cméc et l'angle de phase cpél des tensions partielles, existe la relation cp él = p*s méc Dans cette équation, la lettre p désigne le nombre de paires de pôles de la machine Par une précontrainte élastique de l'angle de réglage, on peut faire en sorte que la position de repos stable de l'angle de réglage soit de 1800 électriques et que l'alternateur ne présente par conséquent qu'une tension de sortie minimale en cas de défaillance des mécanismes de réglage. A côté du moyen décrit en référence à l'al- ternateur selon la figure 1 pour influencer la tension d'un alternateur à excitation par aimants permanents, il est possible aussi de prévoir une rotation relative de parties d'un rotor, ainsi que le montre la figure 2 Le stator 7 de ce type d'alternateur est formé d'un em- pilage de tôles d'un seul tenant, relié rigidement à la structure de carcasse et dans lequel est incorporé un enroulement triphasé 8, bipolaire ou pluripolaire, à plusieurs brins Le rotor est composé de deux rotors partiels 9 identiques, montés de façon à pouvoir être tournés l'un par rapport à l'autre et portant des aimants permanents, avec un nombre de paires de pâles correspondant à celui du stator 7 Les deux moitiés du rotor sont mutuellement accouplées par un mécanisme d'inversion 10 disposé dans l'arbre creux, les paliers d'axe 11 du mécanisme d'inversion étant reliés de façon fixe à l'arbre mené Il s'agit d'une disposition spa- tiale du mécanisme d'inversion dans l'arbre tournant et il est nécessaire dans ce cas de transmettre le couple de réglage à un système tournant, ce qui est possible par exemple par l'intermédiaire d'un frein à courants de Foucault Le fonctionnement du mécanisme d'inversion et les relations des couples correspondent aux explications données à cet égard en référence à la figure 1 Lors- qu'un couple est appliqué au dispositif de réglage 12, les deux moitiés de rotor 9 peuvent être ajustées sous l'angle désiré l'une par rapport à l'autre. A la différence de ce qui a été décrit rela- tivement à la figure 1, le réglage de tension n'est pas basé ici sur le principe d'une addition vectorielle de tensions partielles, mais sur le principe de la super- position de flux magnétiques partiels mutuellement déplacés dans l'espace Les relations angulaires indi- quées dans la figure 3 s'appliquent dans ce cas aussi et il en va de même pour la dépendance de la tension aux bornes de l'alternateur de l'angle de rotation Un avantage de ce principe réside dans la suppression des35 têtes d'enroulement entre les stators élémentaires et, par suite, dans la diminution de la longueur axiale de l'alternateur. REVENDICATIONS 1 Alternateur à excitation par aimants perma- nents, caractérisé en ce que le stator est composé de deux stators élémentaires ( 1) de même structure, montés rotatifs l'un par rapport à l'autre, que les stators élémentaires ( 1) portent chacun dans leur empilage de tôles un enroulement triphasé à plusieurs brins, avec montage en série des brins correspondants des deux enroulements statoriques, que les deux stators élémen- taires ( 1) sont reliés entre eux par un mécanisme d'inversion du sens de rotation ( 2, 3) dont les paliers d'axe ( 3) sont accolés à la structure de carcasse fixe ( 4), qu'un actionnement du mécanisme d'inversion ( 2) provoque un réglage angulaire de même grandeur, mais de sens de rotation contraire des stators élémentaires ( 1) par rapport à l'environnement et que le rotor ( 5) correspondant est à excitation par aimants permanents, n' est pas divisé et porte le même nombre de pâles que les stators élémentaires ( 1). 2 Alternateur à excitation par aimants perma- nents, caractérisé en ce qu'il possède un stator fixe d'un seul tenant, portant un enroulement triphasé à plusieurs brins, que le rotor ( 91 correspondant, à excitation par aimants permanents, est divisé à mi- longueur, que les deux rotors partiels ( 9), ayant un nombre de paires de pâles correspondant à celui du stator, sont montés rotatifs l'un par rapport à l'autre et sont reliés entre eux par un mécanisme drinversion ( 10), que les paliers d'axe ( 11) du mécanisme d'inver- sion ( 10) sont reliés de façon fixe à l'arbre mené et qu'un actionnement du mécanisme d'inversion ( 10) pro- voque un réglage angulaire de même grandeur, mais de sens de rotation contraire des rotors partiels ( 9) par rapport à l'environnement.