Brevet FR2699018A1 — publié le 19940610

MACHINE SYNCHRONE AUTO PILOTÉE POLYPHASÉE DE FORTE PUISSANCE. La présente invention concerne une machine synchrone auto pilotée polyphasée de forte puissance. De telles machines comportent des moyens électromagnétiques pour créer un champs statorique et un flux rotorique tournant. Les machines synchrones de l'état de la technique sont constituées par un rotor aimanté mobile en rotation par rapport à une partie statorique coaxiale comportant des bobines électriques d'excitation des circuits magnétiques statoriques, ainsi que des moyens d'alimentation comportant des moyens de commutation du courant dans les phases statoriques en fonction de la position. Une machine polyphasée synchrone à q phases et à 2p pôles comporte p groupes de q bobinages placés dans les encoches statoriques. Dans le cas d'une machine triphasée, les trois bobinages sont décalés deux à deux de 2n/3. L'alimentation des machines est assurée par une structure de convertisseur présentant les fonctions de commutation du courant dans les phases statoriques en fonction de la position, de contrôle des courants dans la machine et de freinage non dissipatif. Les machines de l'art antérieur présentent l'inconvénient d'un couple au démarrage faible. Pour augmenter le couple au démarrage, la seule solution, pour un nombre de tours de fils par bobinage fixé, est d'augmenter le courant appliqué aux bobines. Le but de la présente invention est de proposer une machine synchrone auto pilotée polyphasée de forte puissance permettant d'obtenir un couple important au démarrage sans nécessiter une augmentation de la puissance de l'alimentation. A cet effet, le stator de la machine comporte des bobines constituées chacune par quatre éléments bobinés identiques indépendants. Les moyens d'alimentation comportent des cycloconvertissseurs pour alimenter les quatre éléments bobinés selon un mode de connexion déterminé en fonction de la vitesse de rotation et/ou du courant dans le moteur parmi trois modes de connexion possibles, le premier mode de connexion correspondant à une connexion des éléments intermédiaires en parallèle des quatre éléments constituant une bobine, le second mode de connexion correspondant à une connexion des éléments intermédiaires deux par deux en parallèle, les deux paires d'éléments ainsi constituées étant reliées en série, le troisième mode de connexion correspondant à une connexion en série des éléments intermédiaires. Ce mode de réalisation permet, pendant la phase de démarrage, de disposer d'un couple cinq fois supérieur au couple nominal avec un courant seulement 1,25 fois supérieur au courant nominal. Selon un mode de réalisation particulier, la partie statorique présente des enroulement en section décalées à N encoches par pôles et par phases, N étant un nombre entier égal à 1 ou 2. Avantageusement, les cyclo-convertisseurs comportent pour chacune des bobines un étage à thyristors comportant un pont en H avec deux thyristors en tête-bêche pour le contrôle du courant dans la phase et trois bras de connexions des quatre enroulements de la phase. Selon un mode de réalisation particulier de la machine synchrone polyphasée selon l'invention, elle comporte deux ensembles coaxiaux constitués chacun par un rotor et un stator, les rotors des deux ensembles présentant le même nombre d'aimants et les stators des deux ensembles présentant le même nombre de bobines, et en ce que chacun des éléments intermédiaire du premier stator est connecté en série à l'élément intermédiaire correspondant au second stator. Selon un mode de réalisation particulier, la machine selon l'invention est constituée par une structure extérieure comportant un rotor à 12 aimants permanents et un stator présentant 72 encoches et 12 pôles, et une structure intérieure coaxiale comportant un rotor à 12 aimants permanents et un stator présentant 36 encoches et 12 pôles. Selon un mode de réalisation préféré la machine synchrone comporte une partie statorique du type présentant 2 encoches par phase et par pôle comporte m bobines composées chacune d'éléments bobinés intermédiaires, la structure statorique présentant 4.m.p encoches où p désigne le nombre de phases, l'entrée du premier élément bobiné intermédiaire occupant l'encoche N, et sa sortie l'encoche N+6, l'entrée du second élément bobiné de la même bobine occupant pour l'entrée N+6 et pour sa sortie l'encoche N+12, l'entrée du troisième élément bobiné de la même bobine occupant pour l'entrée N+12 et pour sa sortie l'encoche N+18, et l'entrée du quatrième et dernier élément bobiné de la bobine considérée occupant pour l'entrée N+18 et pour sa sortie l'encoche N+24, les entrées de chacun des premiers éléments bobinés étant décalé d'une encoche. Selon une variante la machine synchrone polyphasée comporte une partie statorique du type présentant une encoche par phase et par pôle comporte m bobines composées chacune de éléments bobinés intermédiaires, la structure statorique présentant 2.m.p encoches, où p désigne le nombre de phases, l'entrée du premier élément bobiné intermédiaire occupant l'encoche N, et sa sortie l'encoche N+3, l'entrée du second élément bobiné de la même bobine occupant pour l'entrée N+3 et pour sa sortie l'encoche N+6, l'entrée du troisième élément bobiné de la même bobine occupant pour l'entrée N+6 et pour sa sortie l'encoche N+9, et l'entrée du quatrième et dernier élément bobiné de la bobine considérée occupant pour l'entrée N+9 et pour sa sortie l'encoche N+12, les entrées de chacun des premiers éléments bobinés étant décalé d'une encoche. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un mode de réalisation particulier qui suit, faisant référence aux dessins annexés où: - la figure 1 représente une vue schématique du cycloconvertisseur commandant l'alimentation des bobines de la machine - la figure 2 représente le schéma de principe de l'alimentation ; - La figure 3 représente une vue en coupe d'une machine selon un mode de réalisation à deux structures coaxiales. - la figure 4 représente une vue en coupe de ladite roue - Les figures 5 à 6 représentent les schémas des enroulements réalisés en sections par pôles conséquents pour le moteur extérieur - Les figures 7 à 8 représentent les schémas des enroulements réalisés en sections par pôles conséquents pour le moteur intérieur ; - La figure 9 représente un exemple d'application d'une machine à un seul étage pour la réalisation d'une roue automotrice. La figure l représente le schéma de principe du cycloconvertisseur commandant l'alimentation des bobines de la machine, correspondant à un exemple de réalisation triphasée. La bobine est constituée de quatre éléments (1 à 4) comportant un même nombre d'enroulements chacun. Ces éléments (1 à 4) peuvent être raccordés entre eux selon différents modes de connexion comme cela sera exposé dans ce qui suit. Le cycloconvertisseur commandant la bobine de chacune des phases est constitué par un pont en H constitué de quatre ensembles (5 à 8) de deux thyristors tête-bêche pour le contrôle du courant dans la phase, et par trois bras (9, 10, 11) de connexion des quatre éléments (1 à 4) de la phase. Chacun des bras est constitué de trois couples de thyristors têtebêche (12 à 20). Lors du démarrage du moteur, c'est-à-dire lorsque le courant est important, ou en phase de récupération lorsque la machine se comporte en génératrice, les quatre éléments intermédiaires (1 à 4) sont reliés en série par la mise en conduction des trois couples de thyristors (13), (16) et (19) et l'ouverture des autres couples de thyristors (21, 14, 15, 17, 18, 20). En régime nominal, les quatre éléments intermédiaires (1 à 4) sont reliés en parallèle par la mise en conduction des six couples de thyristors (12, 14, 15, 17, 18, 20) et par ouverture des trois couples de thyristors (13), (16) et (19). En régime transitoire, les deux éléments intermédiaires (1) et (2) sont reliés en série par la mise en conduction des couples de thyristors (13, 17) et par ouverture des couples de thyristors (12, 14), ainsi que les deux éléments intermédiaires (3) et (4) -reliés en série par la mise en conduction du couple de thyristors (19) et par ouverture des couples de thyristors (18, 20). Ces deux paires d'éléments en série sont eux-mêmes reliés en parallèle par la mise en conduction des couples de thyristors (12, 15), et par l'ouverture des couples de thyristors (16). Les thyristors en tête-bêche assurent un courant bidirectionnel dans chaque phase de la machine avec des angles d'amorçage déphasé de x, les uns conduisant le courant positif de la phase induite, les autres conduisant le courant négatif de la phase pendant l'alternance négative dans la cas du fonctionnement moteur. Dans le cas du fonctionnement en génératrice, l'amorçage est décalé de it. La figure 2 représente le schéma de principe des circuits de commande et d'alimentation des phases de la machine. Le but de l'électronique de commande est de fournir les signaux à la partie de puissance et d'assurer les fonctions suivantes: - générer deux créneaux décalés de X pour les transistors IGBT avec un temps mort, afin d'éviter de court-circuiter la source, et les trois lois de commande par période de la machine pour obtenir des signaux rectangulaires - aiguiller les impulsions sur les thyristors du cycloconvertisseur ; - sélectionner le mode de connexion des éléments intermédiaires (1 à 4) ; - réguler le courant ; - asservir l'angle interne de commutation ; - synchroniser la partie tournante, la fréquence de commutation entre les phases, et la haute fréquence de l'onduleur ;; - asservir les lois de commande à la vitesse et au courant, c'est-à-dire la haute fréquence par le courant de fonctionnement afin d'augmenter le degrés de liberté de la stratégie de commande, et l'angle d'amorçage par la vitesse pour éliminer l'incidence de cette dernière sur les pentes du courant - réinitialiser la commande pour chaque période afin d'éviter l'accumulation des erreurs dues au temps de retard des composants et de calcul en temps réel ; - varier l'angle d'amorçage du second étage par rapport au premier étage ; - fonctionner dans les quatre quadrants ; - récupérer sur les batteries ; - assurer le choix du sens de rotation. Ces fonctions sont assurée en prenant en compte des consignes extérieures qui sont: - la position de commutation offrant le rapport couple/courant optimal ; - les informations provenant du capteur de position ; - la vitesse de rotation du moteur ; - le courant dans le moteur et la courant admissible ; - le régime de fonctionnement. L'acquisition des signaux d'asservissement de courant et de vitesse met en oeuvre une technique de conversion parallèle permettant d'augmenter la vitesse de traitement. A cet effet, les circuits électronique comportent un circuit de conversion analogique/analogique (30) présentant deux entrées analogiques pour les signaux provenant d'un capteur de vitesse et les signaux correspondant au courant, et assurant la conversion en trois signaux analogiques de sortie qui sont l'image de la tension induite E, et les valeurs minimale Imin et maximale Imax du courant dans la machine, par le biais de trois circuits proportionnels. Les rapport pris pour le maximum et le minimum du courant sont définis par la tolérance de la fourchette, afin d'avoir une fourchette d'amplitude relative par rapport au courant moyen de fonctionnement dans le moteur. Ces trois grandeurs E, Imin et Imax sont introduites dans un calculateur (31) commandé par un algorithme de calcul basé sur le système à deux équations suivant: En assimilant les équations des deux courants à des droites croissante et décroissante, on déduit le temps de montée et le temps de descente qui définiront une grandeur va qui servira à: - l'asservissement de la haute fréquence, par une conversion tension/fréquence ; - la définition des lois de commande pour les trois angles d'amorçage de consigne alc, a2c, a3c, sous forme de trois mots de 8 bits. Ces conversions sont assurées par trois convertisseurs analogiques/digitaux (32, 33, 34). Il n' existe pour chaque point de fonctionnement un seul instant d'amorçage. Il est de ce fait nécessaire de connaître de façon précise cette valeur et de générer une impulsion à cet instant. Ceci est obtenu par une électronique permettant de faire varier l'angle d'amorçage avec un pas de 1 degré électrique par rapport à un signal de haute fréquence généré par une horloge (35), délivrant un signal Fc de 5,4 Mhz, soit 360 x 15 Khz et un diviseur (36). L'angle d'amorçage est calculé en utilisant des compteurs binaires (37, 38, 39) à huit bits avec une comparaison numérique à l'angle de consigne aic par des comparateurs numériques (40, 41, 42). Les trois signaux alc, a2c, a3c reçus à la sortie des comparateurs numériques (40, 41, 42), attaquent un multiplexeur (43) dont la sortie correspondra à l'un des trois signaux alc, a2c, a3c sélectionné selon un code de sélection constitué par les 6 positions par période électrique de la machine, ainsi que l'angle g toléré par la forme rectangulaire du courant. On définit ainsi 9 bits de validation Sij dont chaque bit valide l'un des angles d'amorçage pour l'une des trois phases. Le multiplexeur (43) est constitué par trois multiplexeurs en parallèle correspondant chacun à une phase. Le multiplexeur (43) commande trois circuits d'aiguillage des thyristors (44, 45, 46) correspondant chacun à l'une des phases de la machine, et recevant à leur entrée le signal de la haute fréquence HF, le signal a correspondant aux positions du rotor, et la sortie correspondante du multiplexeur (43). Les impulsions de commande sont amplifiées par des circuits (46, 47, 48) à composants discrets à base de transistors bipolaires, suivis par une isolation galvanique par transformateurs d'impulsions attaquant les gâchettes des thyristors. La durée des impulsions est choisie pour permettre un amorçage fiable des thyristors. Le mode de connexion des éléments intermédiaires est sélectionné par une électronique comprenant un multiplexeur (50), un convertisseur parallèle (51), un sélectionneur (52) et un aiguilleur d'impulsions (53). La conversion parallèle est basée sur une comparaison directe du signal d'entrée, soit le courant au démarrage ou la vitesse au freinage, par le biais du multiplexeur (50), à des grandeurs de référence. Le sélectionneur (52) délivre un signal univoque à deux bits en fonction du résultat de la comparaison. L'aiguillage des thyristors de connexion est identique et simultané pour les trois phases de la machine. Le circuit d'aiguillage (53) gère les trois groupes de thyristors de chaque phase, où chaque groupe correspond aux thyristors fermés lors d'un des trois modes de connexion, en fonction de deux positions du rotor pour chaque phase, ce qui correspond à l'alternance positive et négative de la tension induite dans la phase. Les impulsions de commande sont amplifiées par un circuit (54) à composants discrets à base de transistors bipolaires, suivis par une isolation galvanique par transformateurs d'impulsions attaquant les gâchettes des thyristors. La commande de l'onduleur est assurée par un circuit de mise en forme (55) commandant les transistors IGBT par un signal obtenu par comptage, à partir de l'horloge de fréquence Fc (5,4 Mhz) par le biais d'une décade modulo 360 et par introduction de temps morts. Deux crénaux décalés de it assurent la commande de gâchettes des deux paires de transistors après isolation et amplification. Un circuit d'isolation et d'amplification (56) est constitué par des optocoupleurs ou tout autre composant connu. L'amplification est assurée par un étage push-pull. La figure 3 représente une vue en coupe d'une machine selon un mode de réalisation à deux structures coaxiales. La machine est constituée d'une partie fixe correspondant aux -zones hachurées, et par une partie mobile coaxiale correspondant aux zones quadrillées. La partie fixe est solidaire d'un arbre (60) et comporte un support (61) en aluminium refroidie par circulation d'un liquide caloporteur dans des conduits (62, 63, 64) Ce support (61) présente deux couronnes cylindriques (65, 66) coaxiales supportant respectivement le circuit magnétique statorique intérieur (67) et le circuit magnétique statorique extérieur (68) . Ces circuits magnétiques sont, par exemple, emmanchés à froid sur le support (61) préalablement chauffé. Les circuits magnétiques sont bobinés selon un mode de réalisation exposé dans la suite de la description, et imprégnés de façon connue. La partie mobile est solidaire de la partie fixe par l'intermédiaire de roulements (69, 70). Elle présente deux couronnes cylindriques (71, 72) complémentaires aux deux couronnes cylindriques (65, 66) de la partie statorique. Ces couronnes cylindriques rotoriques (71, 72) supportent des aimants (73, 74) en forme de tuiles présentant des sens d'aimantation alternés. Les aimants sont du type Nd-Fe-B. La partie mobile est solidaire de l'organe entraîné, par exemple une jante d'une roue de traction. La figure 4 représente une vue selon une coupe A-A' de la machine. Le moteur extérieur, du type triphasé à 6 pôles, présente un rotor comportant 12 aimants (80 à 87) en forme de tuile, d'une longueur de 12 centimètres et d'une hauteur de 1 centimètre, présentant alternativement un pôle SUD dirigé vers l'entrefer et un pôle NORD dirigé vers l'entrefer. Le stator extérieur (88) présente 2 encoches par pôle et par phase, soit au total 72 encoches (90). Le diamètre extérieur du stator est de 40 centimètres selon un exemple de réalisation particulier. La profondeur des encoches est de 2,9 centimètres, et la largeur de 0,64 centimètres. La longueur de l'entrefer est de 0,15 centimètres. Le stator comporte 6 bobines par phase et par pôle. Chacune des bobines est divisée en 4 éléments bobinés intermédiaires. L'entrée du premier élément bobiné intermédiaire occupe l'encoche N, et sa sortie l'encoche N+6, l'entrée du second élément bobiné de la même bobine occupe pour l'entrée N+6 et pour sa sortie l'encoche N+12, l'entrée du troisième élément bobiné de la même bobine occupe pour l'entrée N+12 et pour sa sortie l'encoche N+18, et l'entrée du quatrième et dernier élément bobiné de la bobine considérée occupe pour l'entrée N+18 et pour sa sortie l'encoche N+24. Chacun des éléments bobinés intermédiaire est constitué de 6 enroulements de fils de cuivre d'une section de 11,34 mm2. Le coefficient de remplissage des encoches est de 46,3 %. La machine représentée en figure 4, comporte en outre une structure intérieure composée par un rotor présentant 12 aimants (91 à 98) en forme de tuile, et un stator (99) à une encoche par pôle et par phase. Ce stator présente 36 encoches. Chacune des bobines est constituée de 4 éléments bobinés intermédiaires. L'entrée du premier élément bobiné intermédiaire occupe l'encoche N, et sa sortie l'encoche N+3, l'entrée du second élément bobiné de la même bobine occupe pour l'entrée l'encoche N+3, et pour sa sortie l'encoche N+6, l'entrée du troisième élément bobiné de la même bobine occupe pour l'entrée l'encoche N+6, et pour sa sortie l'encoche N+9 ; l'entrée du quatrième et dernier élément bobiné de la bobine considérée occupe pour l'entrée N+9 et pour sa sortie l'encoche N+12. Les figures 5 à 8 représentent les schémas des enroulements réalisés en sections par pôles conséquents pour le moteur extérieur (figures 5 et 6) et pour le moteur intérieur (figure 7 et 8). La figure 10 représente un exemple d'application d'une machine à un seul étage pour la réalisation d'une roue automotrice. La partie mobile (100) est solidaire d'une jante (101) supportant une chambre pneumatique (102). Elle présente à sa partie intérieur des aimants permanents (103) en forme de tuile. La partie fixe est solidaire d'un moyeu (104), et supporte une structure statorique (105) excitée par des éléments bobinés (106). L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple non limitatif. Il est bien entendu que l'Homme de métier sera à même de réaliser de nombreuses variantes sans pour autant sortir du cadre de la protection. REVENDICATIONS 1 - Machine synchrone auto pilotée polyphasée de forte puissance constituée par un rotor aimanté mobile en rotation par rapport à une partie statorique coaxiale comportant des bobines électriques d'excitation des circuits magnétiques statoriques, ainsi que des moyens d'alimentation comportant des moyens de commutation du courant dans les phases statoriques en fonction de la position, caractérisé en ce que chacune des bobines est constituée par quatre éléments bobinés identiques indépendants, les moyens d'alimentation comportant des cycloconvertissseurs pour alimenter les quatre éléments bobinés selon un mode de connexion déterminé en fonction de la vitesse de rotation et/ou du courant dans le moteur parmi trois modes de connexion possibles, le premier mode de connexion correspondant à une connexion des éléments intermédiaires en parallèle des quatre éléments bobinés (1 à 4) constituant une bobine, le second mode de connexion correspondant à une connexion des éléments bobinés (1 à 4) intermédiaires deux par deux en parallèle, les deux paires d'élément ainsi constituées étant reliées en série, le troisième mode de connexion correspondant à une connexion en série des éléments bobinés (1 à 4) intermédiaires. 2 - Machine synchrone polyphasée selon la revendication 1 caractérisée en ce que la partie statorique présente des enroulements en sections décalées à N encoches (90) par pôles et par phases, N étant un nombre entier égal à 1 ou 2. 3 - Machine synchrone polyphasée selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la partie statorique du type présentant 2 encoches par phase et par pôle comporte m bobines composées chacune de éléments bobinés (1 à 4) intermédiaires, la structure statorique présentant 4.m.p encoches où p désigne le nombre de phases, l'entrée du premier élément bobiné intermédiaire occupant l'encoche N, et sa sortie l'encoche N+6, l'entrée du second élément bobiné de la même bobine occupant pour l'entrée N+6 et pour sa sortie l'encoche N+12, l'entrée du troisième élément bobiné de la même bobine occupant pour l'entrée N+12 et pour sa sortie l'encoche N+18, et l'entrée du quatrième et dernier élément bobiné de la bobine considérée occupant pour l'entrée N+18 et pour sa sortie l'encoche N+24, les entrées de chacun des premiers éléments bobinés (1 à 4) étant décalé d'une encoche. 4 - Machine synchrone polyphasée selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la partie statorique du type présentant une encoche par phase et par pôle comporte m bobines composées chacune de éléments bobinés (1 à 4) intermédiaires, la structure statorique présentant 2.m.p encoches, où p désigne le nombre de phases, l'entrée du premier élément bobiné intermédiaire occupant l'encoche N, et sa sortie l'encoche N+3, l'entrée du second élément bobiné de la même bobine occupant pour l'entrée N+3 et pour sa sortie l'encoche N+6, l'entrée du troisième élément bobiné de la même bobine occupant pour l'entrée N+6 et pour sa sortie l'encoche N+9, et l'entrée du quatrième et dernier élément bobiné de la bobine considérée occupant pour l'entrée N+9 et pour sa sortie l'encoche N+12, les entrées de chacun des premiers éléments bobinés (1 à 4) étant décalé d'une encoche. 5 - Machine synchrone polyphasée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les cycloconvertisseurs comportent pour chacune des bobines un étage à thyristors comportant un pont en H avec deux thyristors en tête-bêche pour le contrôle du courant dans la phase et trois bras de connexions des quatre enroulements (1 à 4) de la phase. 6 - Machine synchrone polyphasée selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte deux ensembles coaxiaux constitués chacun par un rotor et un stator, les rotors des deux ensembles présentant le même nombre d'aimants et les stators des deux ensembles présentant le même nombre de bobines, et en ce que chacun des éléments bobinés (1 à 4) intermédiaires du premier stator est connecté en série à l'élément intermédiaire correspondant du second stator. 7 - Machine synchrone polyphasée selon la revendication 6 caractérisée en ce qu'elle est constituée par une structure extérieure comportant un rotor à 12 aimants permanents et un stator présentant 72 encoches (90) et 12 pôles, et une structure intérieure coaxiale comportant un rotor à 12 aimants permanents et un stator présentant 36 encoches (90) et 12 pôles. MACHINE SYNCHRONE AUTO PILOTÉE POLYPHASÉE DE FORTE PUISSANCE. La présente invention concerne une machine synchrone auto pilotée polyphasée de forte puissance. Elle est constituée par un rotor aimanté mobile en rotation par rapport à une partie statorique coaxiale comportant des bobines électriques d'excitation des circuits magnétiques statoriques, ainsi que des moyens d'alimentation comportant des moyens de commutation du courant dans les phases statoriques en fonction de la position. Chacune des bobines est constituée par quatre éléments bobinés identiques indépendants, les moyens d'alimentation comportant des cycloconvertissseurs pour alimenter les quatre éléments bobinés selon un mode de connexion déterminé en fonction de la vitesse de rotation et/ou du courant dans le moteur parmi trois modes de connexion possibles, le premier mode de connexion correspondant à une connexion des éléments intermédiaires en parallèle des quatre éléments bobinés (1 à 4) constituant une bobine, le second mode de connexion correspondant à une connexion des éléments bobinés (1 à 4) intermédiaires deux par deux en parallèle, les deux paires d'élément ainsi constituées étant reliées en série, le troisième mode de connexion correspondant à une connexion en série des éléments bobinés (1 à 4) intermédiaires. Figure de l'abrégé: figure 4