Brevet FR2702843A1 — publié le 19940923

CAPTEUR DE MESURE DE PERTES FER POUR TOLES MAGNETIQUES EN CHAMP TOURNANT La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesure des pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques destinées à être utilisées dans une machine électrique. L'estimation des pertes fer dans les matériaux magnétiques constitue l'un des problèmes qui rentre en ligne de compte lors du calcul des dimensions d'une machine électrique. Ce problème tend actuellement à prendre de l'ampleur avec la recherche de l'optimisation des caractéristiques de fonctionnement et la lutte contre l'échauffement excessif qui peut conduire à un déclassement des machines. De plus l'utilisation croissante de convertisseurs statiques, mettant en jeu des formes d'onde et des fréquences conventionnelles, incite à rechercher d'autres modèles de formulation de perte que les relations classiques. Pour l'estimation des pertes fer dans des tôles magnétiques, on utilise jusqu'à présent un appareil de mesure appelé "single sheet tester", (SST), ou un appareil "cadre d'Epstein'l qui sont actuellement les seuls normalisés et qui constituent une base de comparaison fiable. Dans cet appareil de mesure la tôle magnétique à étudier est découpée en échantillons rectangulaires de mêmes dimensions empilés pour former quatre prismes droits portant chacun un enroulement primaire et un enroulement secondaire. Ces prismes sont ensuite assemblés pour former un circuit magnétique fermé, de forme carrée. Les quatre enroulements primaires sont branchés en série, et il en est de même en ce qui concerne les enroulements secondaires, ces enroulements en série étant intégrés dans le circuit de mesure.Le cadre d'Epstein fonctionne donc comme un transformateur à vide, à la consommation des instruments près. Cet appareil de mesure connu présente un certain nombre d'inconvénients. En effet il n'est plus applicable au-delà d'une certaine fréquence, la densité du flux magnétique n'étant plus uniforme. Par ailleurs, le champ d'induction produit est pulsant, ce qui entraîne un grand écart entre la mesure effectuée par l'appareil sur des échantillons qui, de surcroît, ne peuvent être encochés et les pertes réelles dans une machine électrique où le champ est tournant. Enfin dans cet appareil l'entrefer entre deux échantillons correspond à l'épaisseur de la tôle à tester et la pression exercée sur les échantillons constituant les quatre prismes n'est répartie que dans les angles, alors que dans une machine électrique les tôles sont empilées sous une pression uniformément répartie et c'est l'épaisseur de l'isolation des tôles qui représente l'entrefer entre les tôles. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en procurant un procédé et un appareil permettant d'effectuer des mesures des pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques, encochées ou non, pratiquement dans les conditions où ces tôles sont utilisées dans la machine électrique dont elles font finalement partie, après sa construction. A cet effet ce procédé de mesure des pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques destinées à être utilisées dans une machine électrique, est caractérisé en ce qu'on créé, dans un entrefer formé avec les échantillons de tôles objets de la mesure, un champ d'induction à répartition spatio-temporelle voisine de celle souhaitée dans la machine électrique dans laquelle seront utilisés les échantillons de tôles, on provoque un déplacement relatif entre le champ d'induction et les échantillons de tôles dans la direction suivant laquelle s'étendent ces échantillons de tôles, on détecte la force de traînée s'exerçant sur les échantillons, laquelle correspond à la force d'entraînement de ces échantillons dans la direction du déplacement, et on calcule les pertes fer comme étant le produit de la multiplication de la force de traînée détectée par la vitesse de déplacement. L'invention a également pour objet un appareil de mesure des pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques destinées à être utilisées dans une machine électrique, est caractérisé en ce qu'il comporte un inducteur pour créer, dans un entrefer qu'il forme avec les échantillons de tôles objets de la mesure, un champ d'induction à répartition spatio-temporelle voisine de celle souhaitée dans la machine électrique dans laquelle seront utilisés les échantillons de tôles, des moyens pour provoquer un déplacement relatif, à une vitesse déterminée, entre l'inducteur et les échantillons de tôles, dans la direction suivant laquelle s'étendent ces échantillons de tôles, des moyens pour détecter la force de traînée s'exerçant sur les échantillons, laquelle correspond à la force d'entraînement de ces échantillons dans la direction du déplacement relatif, et un moyen pour multiplier la force de traînée détectée par la vitesse du déplacement relatif afin d'obtenir la valeur des pertes fer dans les échantillons de tôles comme étant égale au produit de la multiplication. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, divers modes d'exécution de la présente invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels - La figure 1 est une vue en coupe axiale schématique d'un appareil de mesure à mouvement linéaire suivant l'invention, à champ d'induction de forme trapézoïdale dans l'entrefer. - La figure 2 est une vue en plan des échantillons de tôles magnétiques accolées, s'étendant longitudinalement entre des rails ferromagnétiques les prolongeant. - La figure 3 est une vue en coupe axiale d'une variante d'exécution d'un appareil de mesure à mouvement linéaire à champ d'induction de forme sinusoïdale dans 1' entrefer. - La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un appareil de mesure à mouvement rotatif. - La figure 5 est une vue en coupe faite suivant la ligne V-V de la figure 4. La figure 6 est une vue en coupe transversale d'une variante d'exécution d'un appareil de mesure à mouvement rotatif L'appareil de mesure suivant l'invention est réalisé, sur les figures 1 et 2, sous une forme à mouvement linéaire, et il est destiné à mesurer les pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques 1, découpées avec une même forme rectangulaire et accolées les unes aux autres dans des plans verticaux et longitudinaux adjacents, de manière à constituer un circuit magnétique feuilleté s'étendant horizontalement et longitudinalement. L'appareil de mesure comprend un inducteur linéaire 2 comportant une succession d'aimants ou d'électro-aimants, définissant, avec les échantillons de tôles 1, un faible entrefer 3, afin de créer, dans cet entrefer 3, un champ d'induction B à répartition spatiotemporelle parfaitement connue.Ce champ d'induction B peut avoir une forme d'onde trapézoïdale, ainsi qu'il est représenté à la partie inférieure de la figure 1. L'inducteur linéaire 2 comprend à cet effet une succession d'aimants 4, de polarités alternées, espacés régulièrement les uns des autres dans le sens longitudinal et séparés par des pièces polaires 5. Les aimants successifs 4 créent des champs d'induction alternés, représentés par les flèches sur la figure 1, et l'amplitude du champ d'induction B est ajustée en réglant la position de culasse ou shunts 6 s'étendant longitudinalement, à l'extérieur des aimants 4 et des pièces polaires 5, en définissant avec ceux-ci un entrefer 7 de largeur variable. En fait l'inducteur linéaire 2 de l'appareil de mesure suivant l'invention est réalisé de la façon habituelle comme dans le cas d'un moteur électrique linéaire à champ glissant. De préférence l'inducteur linéaire 2 a une longueur d'au moins 5/2 longueurs d'onde, c'est-à-dire un nombre de pôles (2p) supérieur à cinq, afin d'annihiler l'influence des ondes parasites engendrées par les courants de FOUCAULT induits dans la tôle, dues aux effets de longueur finie de l'inducteur. La forme trapézoïdale du champ d'induction B produit dans l'entrefer 3 est déterminée par la géométrie des pièces polaires intermédiaires 5 et par celles des pièces polaires d'extrémités Sa. Son amplitude varie en fonction de la largeur de l'entrefer 7, c'est-à-dire en fonction du déplacement des culasses 6, dans le cas d'un inducteur 2 à aimants permanents. Si les aimants 4 sont remplacés par des bobines, l'amplitude du champ d'induction B est alors déterminée par la variation du courant dans ces bobines, les shunts 6 étant alors inutiles. Pour mesurer les pertes fer dans les échantillons de tôles magnétiques 1, on provoque un déplacement relatif entre ces échantillons et l'inducteur linéaire 2. On supposera, dans ce qui va suivre, que c'est l'inducteur linéaire 2 qui se déplace longitudinalement, à la vitesse v, mais on comprendra que l'inducteur 2 pourrait être fixe, les échantillons de tôles 1 étant alors entraînés en translation longitudinale. Du fait du déplacement longitudinal de l'inducteur linéaire 2 à la vitesse v, le champ d'induction B en un point donné dans l'entrefer 3, varie alternativement à une fréquence qui dépend de la longueur d'onde donnée par la répartition des pièces polaires 5,5a et de la vitesse de déplacement v de ces pièces polaires par rapport aux échantillons de tôles 1. Suivant l'invention on déduit les pertes fer apparaissant dans les échantillons de tôles 1 à partir de la force de traînée, c'est-à-dire de la force d'entraînement exercée sur les échantillons de tôles 1 par l'inducteur linéaire 2 mobile longitudinalement. Pour détecter la force d'entraînement longitudinale F exercée sur les échantillons de tôles 1, on installe des capteurs de force 8 sur ces échantillons. Toutefois il y a lieu de tenir compte de deux autres phénomènes qui interviennent dans la mesure, c'est-à-dire des forces hydrodynamiques et des forces magnétostatiques. Les forces hydrodynamiques sont dues au déplacement relatif entre l'inducteur linéaire 2 et les échantillons de tôles 1, dans un entrefer réduit, de l'ordre de 1,5 millimètre, qui s'effectue à une vitesse fonction de la fréquence. L'importance de ces forces hydrodynamiques s'accroît avec la vitesse qui peut être très élevée, et leur reproductibilité est fonction de la température. Par ailleurs, si les échantillons de tôles sont libres, c'està-dire sans prolongements à leurs extrémités, le passage de l'extrémité des échantillons de tôles accolées sous une pièce polaire de l'inducteur linéaire 2 entraîne l'application, aux échantillons, d'une force magnétostatique équivalant à un choc, l'amplitude de cette force étant relativement élevée et nettement supérieure à la force d'entraînement F. Pour remédier simultanément aux effets des forces hydrodynamiques et aux chocs provoqués par les forces magnétostatiques, il a été prévu, suivant l'invention, de prolonger l'ensemble des échantillons de tôles 1, à chacune de leurs extrémités, par un rail longitudinal 9, de même section transversale, constitué d'un matériau ferromagnétique de caractéristiques proches de celles des échantillons de tôles 1, avec réalisation éventuelle d'un vide partiel dans l'entrefer 3 entre l'inducteur linéaire 2 et les échantillons 1, encochés ou non. Un faible entrefer 10 est ménagé entre chaque rail prolongateur 9 et les échantillons 1, et cet entrefer 10 sert à marquer l'entrée de l'inducteur linéaire 2 dans la zone de mesure et sa sortie, ce qui permet de délimiter cette zone de mesure. Dans ces conditions les pertes fer P sont déterminées à partir de la force de traînée F et de la vitesse v, suivant la relation P = F.v L'appareil de mesure comporte par conséquent un moyen M pour multiplier la valeur de la force de traînée F par la valeur de la vitesse v du déplacement linéaire relatif, afin d'obtenir un produit P représentant la valeur des pertes fer. Pour améliorer la précision de la mesure, on doit tenir compte d'un paramètre de grande importance qui est celui des lignes de champ pénétrant latéralement dans les échantillons extrêmes la, c'est-à-dire ceux qui bordent latéralement, de chaque côté, le paquet d'échantillons de tôles accolées. En effet ces lignes de champ ne reflètent pas les conditions réelles d'une machine électrique. Pour éliminer l'influence de ces lignes de champ, on sépare alors artificiellement les échantillons à tester, constitués par les échantillons centraux, des deux échantillons extrêmes la qui ne sont pas pris en compte pour la détermination de la force de traînée F. En quelque sorte ces deux échantillons extrêmes la constituent des "blindages" protecteurs.A cet effet les capteurs de force 8 sont installés uniquement sur les échantillons centraux 1, qui contiennent au moins quatre échantillons. De ce fait les échantillons centraux se trouvent dans les conditions normales d'utilisation sur une machine électrique dans laquelle l'induction est constante dans le sens de l'épaisseur de la machine, et le champ latéral est piégé par les échantillons additionnels extrêmes la. La figure 3 représente une variante d'exécution de l'appareil de mesure suivant l'invention dans laquelle l'inducteur linéaire 2 produit, dans l'entrefer 3, un champ d'induction de forme sinusoïdale. On décrira maintenant, en se référant aux figures 4 et 5, une variante d'exécution de l'appareil de mesure, a mouvement rotatif qui est conçu pour mesurer les pertes fer dans des échantillons de tôles 11 découpées en anneaux circulaires, lisses ou encochés. Les tôles annulaires 11 ont les mêmes dimensions et elles sont accolées les unes aux autres, dans le sens longitudinal correspondant à l'axe xx' de l'appareil de mesure. Cet appareil de mesure comporte également un inducteur cylindrique 12, à section transversale circulaire, entourant les tôles annulaires 11 et des moyens sont prévus pour provoquer un mouvement de rotation relatif entre les tôles annulaires 11 et l'inducteur circulaire 12.On supposera, dans ce qui va suivre, que l'inducteur 12 tourne autour des tôles annulaires 11 maintenues fixes mais la disposition inverse pourrait être adoptée c'est-à-dire en faisant tourner les tôles annulaires 11 et en maintenant fixe l'inducteur circulaire 12. La disposition générale de l'appareil représenté sur les figures 4 et 5 est celle d'un moteur tournant. Son inducteur 12 comporte une succession, dans le sens circonférentiel, de pièces polaires 13, diamétralement opposées par paires réparties régulièrement autour de l'axe xx', ces pièces polaires étant au nombre de huit dans la forme d'exécution non limitative représentée sur les figures 4 et 5. Ces pièces polaires sont disposées entre des aimants ou des électro-aimants répartis entre les pièces polaires 13, dans le sens circonférentiel. Dans la forme d'exécution représentée sur les figures 4 et 5, les champs magnétiques sont produits par des aimants 14, à polarités alternées dans le sens circonférentiel, chacun de ces aimants s'étendant entre deux pièces polaires voisines 13.L'inducteur circulaire 12 produit, dans l'entrefer cylindrique 15 où l'on peut également effectuer un vide partiel, entre les tôles annulaires 11 et les pièces polaires 13, une répartition spatio-temporelle du champ d'induction parfaitement connue. Comme dans le cas de la forme d'exécution décrite précédemment en référence aux figures 1 à 3, la forme du champ d'induction est déterminée par la géométrie des pièces polaires 3. Son amplitude est déterminée par la largeur d'un entrefer cylindrique 16 séparant l'inducteur circulaire 12 d'une couronne ferromagnétique externe 17 entourant l'inducteur circulaire 12 et formant culasse de retour de flux. Enfin, la fréquence du champ d'induction dépend du nombre de paires de pièces polaires 12 et de la vitesse de rotation de l'inducteur circulaire 12 par rapport aux tôles annulaires 11 ou vice versa. Dans cette forme d'exécution rotative de l'appareil de mesure, on déduit les pertes fer de la force de traînée ou d'entraînement qui s'exerce sur les échantillons de tôles 11 et qui se traduit, dans ce cas particulier, par un couple de torsion C exercé par l'inducteur rotatif 12 sur les échantillons de tôles 11. A cet effet, parmi plusieurs solutions que connait bien l'homme de l'art, on installe, par exemple, sur les tôles annulaires 11 dont on veut mesurer les pertes fer, des fils de torsion 18 qui permettent de détecter la valeur du couple de torsion C auquel les tôles sont soumises. Pour obtenir une mesure précise, on ne tient pas compte, comme dans le cas de la forme d'exécution représentée sur les figures I à 3, des deux jeux tôles identiques annulaires lla (figure 5) situées aux deux extrémités longitudinales de l'ensemble des tôles annulaires 11, - l'épaisseur de l'ensemble des deux jeux de tôles lla devant représenter au moins 20 % de l'épaisseur totale de l'ensemble des échantillons 11 dont le nombre minimal est obligatoirement égal à six (à savoir une tôle du type lla, puis quatre tôles du type 11 et une tôle lla) - et on ne mesure le couple de torsion que pour les tôles annulaires centrales, c'est-à-dire celles qui sont situées entre les deux jeux de tôles extrêmes lla. Autrement dit les fils de torsion 18 sont installés uniquement sur les tôles annulaires centrales. Enfin on multiplie, dans un moyen multiplicateur M, le couple de torsion C par la vitesse de rotation W , afin d'obtenir les pertes fer P comme étant le produit des deux valeurs d'entrée, autrement dit P = C.W Comme on peut le voir sur la figure 5 chaque pièce polaire 13 présente de préférence, en coupe radiale, une section en forme de T avec une base 13a ayant la forme d'une portion de cylindre, s'étendant entre deux aimants (ou électro-aimants avec suppression de la culasse circulaire 17 formant shunt magnétique)) voisins 14, et une aile transversale 13b, ayant une section transversale de forme trapézoïdale, convergeant vers l'axe longitudinal xx', l'épaisseur de l'aile transversale 13b étant réduite dans le sens longitudinal et égale à l'épaisseur de l'ensemble des tôles annulaires lia,11. Il va de soi que dans le cas d'utilisation d'électro-aimants, les courants peuvent être continus ou alternatifs de forme quelconque ou "hachés" ou "pulsés" pour réaliser n'importe quelle forme d'onde spatiotemporelle dans les entrefers 3,15. La figure 6 représente une variante d'exécution de l'appareil de mesure à mouvement rotatif dans laquelle l'inducteur circulaire 12 est constitué par quatre aimants 14, disposés à 900 les uns par rapport aux autres, et par quatre pièces polaires 13 s'étendant entre les aimants. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure des pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques destinées à être utilisées dans une machine électrique, caractérisé en ce qu'on créé, dans un entrefer formé avec les échantillons de tôles (1,11) objets de la mesure, un champ d'induction (B) à répartition spatio-temporelle voisine de celle souhaitée dans la machine électrique dans laquelle seront utilisés les échantillons de tôles (1,11), on provoque un déplacement relatif entre le champ d'induction (B) et les échantillons de tôles (1,11) dans la direction suivant laquelle s'étendent ces échantillons de tôles, on détecte la force de traînée s'exerçant sur les échantillons, laquelle correspond à la force d'entraînement de ces échantillons dans la direction du déplacement, et on calcule les pertes fer (P) comme étant le produit de la multiplication de la force de traînée détectée (F,C) par la vitesse de déplacement (v.w). 2 - Appareil de mesure des pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques (1,11) destinées à être utilisées dans une machine électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un inducteur (2,12) pour créer, dans un entrefer (3,15) qu'il forme avec les échantillons de tôles (1,11) objets de la mesure, un champ d'induction (B) à répartition spatio-temporelle voisine de celle souhaitée dans la machine électrique dans laquelle seront utilisés les échantillons de tôles, des moyens pour provoquer un déplacement relatif, à une vitesse déterminée (v,w), entre l'inducteur (2,12) et les échantillons de tôles (1,11), dans la direction suivant laquelle s'étendent ces échantillons de tôles, des moyens (8,18) pour détecter la force de traînée s'exerçant sur les échantillons (1,11), laquelle correspond à la force d'entraînement de ces échantillons dans la direction du déplacement relatif, et un moyen (M) pour multiplier la force de traînée détectée (F,C) par la vitesse (v,w) du déplacement relatif afin d'obtenir la valeur des pertes fer (P) dans les échantillons de tôles (1,11) comme étant égale au produit de la multiplication. 3 - Appareil suivant la revendication 2, à mouvement linéaire, destiné à mesurer les pertes fer dans des échantillons de tôles magnétiques (1) découpées avec une même forme rectangulaire encochées ou non et accolées les unes aux autres dans des plans verticaux et longitudinaux adjacents, de manière à constituer un circuit magnétique feuilleté s'étendant horizontalement et longitudinalement, caractérisé en ce qu'il comprend un inducteur linéaire (2) comportant une succession d'aimants (4) ou d'électroaimants alimentés par des courants pouvant être continus, alternatifs, hachés, pulsés ou de forme quelconque, de polarités alternées, espacés régulièrement les uns des autres dans le sens longitudinal et séparés par des pièces polaires(5), de manière à définir, avec les échantillons de tôles (1), un entrefer (3) de faible largeur et à créer, dans cet entrefer (3), un champ d'induction (B) à répartition spatio-temporelle parfaitement connue, et des capteurs de force (8), installés sur les échantillons de tôles (11), pour détecter la force de traînée, ces capteurs de force (8) étant connectés à une entrée du moyen de multiplication (M). 4 - Appareil suivant la revendication 3 caractérisé en ce que l'ensemble des échantillons de tôles (1) est prolongé, à chacune de ses extrémités, par un rail longitudinal (9) constitué d'un matériau ferromagnétique de caractéristiques proches de celles des échantillons de tôles (1). 5 - Appareil suivant la revendication 4 caractérisé en ce qu'un faible entrefer (10) est ménagé entre chaque rail prolongateur (9) et les échantillons de tôles (11). 6 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que les capteurs de force (8) sont installés uniquement sur les échantillons de tôles centraux (1), les échantillons de tôles extrêmes (la) étant dépourvus de capteurs de force. 7 - Appareil suivant la revendication 2, à mouvement rotation, destiné à mesurer les pertes fer dans des échantillons de tôles (11) découpées en anneaux circulaires, lisses ou encochés, de mêmes dimensions, accolées les unes aux autres, dans le sens longitudinal correspondant à l'axe (xx') de l'appareil de mesure, caractérisé en ce qu'il comporte un inducteur cylindrique (12) à section transversale circulaire, entourant les tôles annulaires (11) en délimitant, avec ces tôles (11), un entrefer cylindrique (15), cet inducteur (12) comportant une succession, dans le sens circonférentiel, de pièces polaires (13) diamétralement opposées par paires, réparties régulièrement autour de l'axe longitudinal (xx'), ces pièces polaires étant disposées entre des aimants (14) ou des électro-aimants alimentés par des courants pouvant être continus, alternatifs, hachés, pulsés ou de forme quelconque, répartis régulièrement dans le sens circonférentiel, à polarités alternées, de manière à produire dans l'entrefer cylindrique (15) une répartition spatio-temporelle du champ d'induction (B) parfaitement connue, et des fils de torsion installés sur les tôles annulaires (11). 8 - Appareil suivant la revendication 7 caractérisé en ce que les fils de torsion (18) sont installés uniquement sur les tôles annulaires centrales (11), les tôles annulaires (lla) situées aux deux extrémités longitudinales de l'ensemble des tôles annulaires (11) étant dépourvues de fils de torsion et n'intervenant pas dans la mesure. 9 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que chaque pièce polaire (13) de l'inducteur cylindrique (12) présente, en coupe radiale, une section en forme de T avec une base (13a) ayant la forme d'une portion de cylindre, s'étendant entre deux aimants ou électro-aimants voisins (14) et une aile transversale (13b), de forme trapézoïdale convergeant vers l'axe longitudinal (xx'), l'épaisseur de cette aile transversale (13b) étant réduite dans le sens longitudinal et égale à l'épaisseur de l'ensemble des tôles annulaires (l1a,11).