Brevet FR2716046A1 — publié le 19950811

"Machine électrique tournante à bobinage global" DESCRIPTION La présente invention concerne une machine électrique tournante à bobinage global. Dans le domaine de la conception des machines électriques, la recherche de hautes performances en termes de couple massique (couple moteur par unité de masse de la machine) a conduit à concevoir des structures particulièrement élaborées, à reluctance variable avec ou sans aimants permanents, ainsi que des machines à commutation de flux, c'est à dire dans lesquelles les pôles rotoriques prennent alternativement, par rapport aux pôles statoriques, deux configurations de coïncidence différentes, définissant pour le flux d'un aimant permanent, par exemple statorique, deux sens de circulation contraires à travers le rotor, et ceci en phase avec des inversions de courant dans un bobinage. Les aimants permanents réalisent une économie notable en volume de cuivre par rapport aux structures mettant en oeuvre des excitations bobinées. On connaît déjà, notamment par le FR-A-2 588 132, de telles machines polyentrefers à aimants permanents. Ces machines permettent d'obtenir des couples massiques très élevés, mais sont difficiles à construire et par conséquent coûteuses. Il existe notamment des moteurs de structure polydiscoïdale offrant, grâce à une augmentation de la surface d'effort due à la multiplicité des entrefers, des performances en couple volumique élevées, mais ayant l'inconvénient de présenter des instabilités axiales qu'il est difficile et finalement coûteux de vouloir neutraliser ou compenser. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant une machine électrique tournante à bobinage global, c'est à dire avec un seul bobinage pour plusieurs modules électromagnétiques, cette machine devant allier un couple massique élevé et/ou une grande puissance massique, avec un coût de réalisation acceptable. Suivant l'invention, la machine tournante comprenant des enroulements statoriques et des circuits magnétiques statoriques définissant des pôles statoriques, et un rotor comportant des pôles rotoriques, est caractérisée en ce que le rotor comprend en outre une pièce de forme sensiblement discoïde en matériau amagnétique dont chaque face latérale porte une couronne rotorique en matériau ferromagnétique agencée pour fournir lesdits pôles rotoriques, lesquels sont par le mouvement du rotor alternativement en vis à vis avec les pôles statoriques et angulairement décalés par rapport à ceux-ci , en ce que les circuits magnétiques statoriques sont en forme de C suivant des plans sensiblement axiaux répartis angulairement et sont organisés en deux sous-ensembles de circuits magnétiques disposés de part et d'autre de la pièce rotorique discoïde, en ce que les extrémités des C constituent les pôles statoriques, et en ce que les enroulements statoriques comprennent deux enroulements globaux de forme sensiblement toroïdale, symétriques par rapport à la pièce rotorique discoïde, et passant chacun à l'intérieur de l'un desdits sousensembles de circuits magnétiques statoriques. Ainsi, on dispose avec l'invention d'une machine présentant à la fois un rotor de structure discoïdale et plusieurs entrefers radiaux. On élimine ainsi les difficiles problèmes d'instabilité axiale rencontrés dans les machines polydiscoïdales. En outre, le stator de la machine selon l'invention est réalisé à partir d'un ensemble de circuits magnétiques en forme de C qui sont aisément disponibles. La machine selon l'invention est simple à construire car le rotor d'une part, les circuits magnétiques en C de chaque sous-ensemble d'autre part peuvent être pré-assemblés, avant de réunir le tout par un simple déplacement relatif axial. Le bobinage de chaque sous-ensemble peut lui-même être formé à part, puis être simplement inséré par mouvement axial dans le sous-ensemble de circuits en C. Les performances électromagnétiques sont excellentes car le taux de remplissage des circuits en C par les bobinages peut sans difficulté être très élevé. Enfin, grâce à l'invention, toutes les parties magnétiques, statoriques et rotoriques peuvent, sans difficulté de fabrication, être feuilletées dans le sens le plus favorable à la circulation du flux. En particulier, selon un mode de réalisation avantageux, les couronnes rotoriques sont constituées de tôles disposées parallèlement au plan de rotation de la pièce discoïdale et les circuits magnétiques en C sont réalisés à partir de tôle roulée. La machine peut être du type à reluctance variable avec ou sans aimants d'excitation ou encore du type à commutation de flux, ou d'autres types encore, comme on le verra plus loin. Elle peut être monophasée ou diphasée. La machine est monophasée si les configurations de coïncidence angulaire entre les pôles rotoriques et statoriques se produisent simultanément des deux côtés de la pièce discoïde. La machine est diphasée si au moment d'une coïncidence angulaire entre pôles statoriques et rotoriques d'un côté de la pièce discoïde, les pôles rotoriques coïncident angulairement avec des espaces interpolaires du stator de l'autre côté de la pièce discoidale. On réalise une machine monophasée ou disphasée par exemple en jouant sur le calage angulaire des deux couronnes rotoriques l'une par rapport à l'autre. La machine peut également comporter plusieurs machines élémentaires alignées axialement, chacune comportant sa pièce discoïde et ses deux sous-ensembles de circuits en C. On peut par exemple réaliser une machine triphasée comportant trois machines élémentaires monophasées, les couronnes rotoriques de chaque machine élémentaire étant décalées angulairement par rapport à celles des deux autres machines, relativement aux pôles statoriques. Selon une première forme de réalisation de l'invention, pour la réalisation d'une machine à commutation de flux, le stator comprend en outre, pour chaque sous-ensemble de circuits magnétiques en forme de C, des aimants disposés azimutalement dans des espaces séparant les circuits magnétiques en forme de C, et les pôles rotoriques de chaque couronne rotorique sont alternativement orientés vers l'extérieur et vers l'intérieur de la machine et disposés de sorte que lorsqu'un pôle rotorique extérieur est en conjonction avec un pôle statorique extérieur d'un circuit magnétique en forme de C, les pôles rotoriques intérieurs angulairement voisins de ce pôle rotorique extérieur sont alors en conjonction avec les pôles statoriques intérieurs des circuits magnétiques adjancents en forme de C. Ainsi, le flux d'un aimant déterminé est commuté alternativement pour circuler alternativement radialement vers l'extérieur et radialement vers l'intérieur à travers la couronne rotorique. Des moyens de détection de la position angulaire du rotor commutent le courant dans chaque enroulement pour que le flux induit généré par l'enroulement circule dans le même sens à travers la couronne rotorique que le flux des aimants permanents. Selon une seconde forme de réalisation, le stator comprend en outre des aimants disposés radialement aux extrémités extérieures et intérieures, formant pôles statoriques, des circuits magnétiques en forme de C, les aimants d'un même circuit magnétique en C sont orientés dans le même sens, opposé au sens des aimants des deux circuits magnétiques en C adjacents, chaque couronne rotorique comprend un premier sous-ensemble de pôles rotoriques orientés vers l'extérieur et un second sous-ensemble de pôles rotoriques orientés vers l'intérieur de la machine, et ces pôles rotoriques intérieurs coïncident angulairement chacun avec l'un des pôles rotoriques extérieurs et sont en nombre égal à la moitié du nombre de pôles statoriques intérieurs. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure la est une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation d'une machine selon l'invention ; - la figure lb illustre la disposition des aimants au sein du stator de la machine représentée en figure la et la structure d'une des couronnes rotoriques ; - la figure 2a est une vue en coupe d'un second exemple de réalisation d'une machine selon l'invention ; et - la figure 2b illustre la disposition des aimants et la structure des couronnes rotoriques de la machine représentée en figure 2a. On va maintenant décrire une première forme de réalisation d'un moteur selon l'invention, en référence aux figures la et lb. Un moteur 10 comprend un rotor passif 19 supporté par des paliers 17, 18 dans un bâti 16. Le rotor comprend un arbre 11 autour duquel est fixée une pièce 14 sensiblement discoïdale disposée dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation X. Deux pièces ou couronnes magnétiques annulaires 12, 12' sont fixées latéralement de part et d'autre de cette pièce discoïdale 14 au voisinage de sa périphérie. Chaque couronne magnétique 12, 12' est avantageusement réalisée à partir d'un empilement de tôles ferromagnétiques parallèles à la pièce discoïdale 14 et découpées de façon à présenter des dents rotoriques R1, R2, R3 alternativement orientées radialement vers l'extérieur et vers l'intérieur de la couronne magnétique 12. La partie statorique 15 du moteur 10 selon l'invention comprend un bâti 16, réalisé en matériau amagnétique, renfermant un ensemble de circuits magnétiques C1, C2, C'1 en forme de C disposés dans des plans axiaux répartis angulairement autour de l'axe X. Il y a deux sous-ensembles de circuits en C disposés de part et d'autre de la pièce discoïdale 14, avec leur ouverture tournée vers la pièce discoïdale. Il y a autant de circuits magnétiques en C que de dents rotoriques intérieures et extérieures R1, R2, R3. Chaque dent rotorique intérieure telle que R2 est disposée à égale distance angulaire des deux dents rotoriques extérieures voisines telles que R1 et R3. Ainsi, comme le montre la figure lb, dans chaque configuration de concordance angulaire entre les dents rotoriques et les pôles statoriques, les circuits en C successifs coïncident alternativement avec une dent intérieure et avec une dent extérieure. Chaque couronne magnétique rotorique 12, 12' se déplace à l'intérieur des entrefers des circuits magnétiques statoriques en C de l'un respectif des sous-ensembles. Chaque couronne magnétique annulaire telle que 12 ou 12' constitue une demi-machine élémentaire avec le sous-ensemble correspondant de circuit magnétiques en C tels que C1, C2, ... ou C'1. Le moteur 10 est de structure diphasée, les deux pièces rotoriques 12, 12' étant déphasées angulairement d'un quart du pas défini par la distance angulaire entre deux pôles rotoriques extérieurs. Des aimants Al, A'1 sont disposés azimutalement (c'est à dire avec leur axe d'aimantation orienté circonférentiellement) dans les espaces vacants entre les circuits en C adjacents. Pour rendre la figure lb plus explicite on a représenté les aimants comme s'détendant jusqu'entre les extrémités des circuits en C mais en pratique ils peuvent par exemple n'occuper que l'emplacement central A schématisé à la figure 1. Pour que les flux générés par les aimants s'additionnent dans la couronne 12 ou 12', les aimants successifs sont aimantés alternativement dans un sens circonférentiel et dans l'autre. Les extrémités respectives B1, B2 ; B'1, B'2 ; B3, B4 des circuits statoriques C1, C'1 constituent des pièces polaires statoriques en vis à vis desquelles les dents rotoriques vont régulièrement se présenter en cours de rotation. Deux enroulements statoriques globaux 13, 13' de forme sensiblement annulaire sont placés chacun à l'intérieur de l'un respectif des sous-ensembles de circuits magnétiques statoriques. En fonctionnement, dans la situation représentée à la figure lb, le flux généré par tous les aimants permanents du sous-ensemble considéré traverse la couronne 12 depuis les dents extérieures vers les dents intérieures comme indiqué, pour l'un des aimants, par la flèche F. La partie pointillée de la flèche F correspond au retour du flux par le circuit statorique en C. Lorsque le rotor aura tourné d'un demi-pas angulaire, les dents rotoriques R1 et R2 se trouveront en regard des dents statoriques B1 et B4 respectivement, et le flux des aimants permanents sera en sens contraire du précédent, c'est à dire des dents intérieures vers les dents extérieures. Entre temps, une détection de la position angulaire du rotor aura commandé une inversion du courant dans le bobinage 13 pour que dans tous les cas le bobinage induise le long de chaque circuit en C un flux (selon la flèche F1 de la figure la ou dans le sens contraire) qui se combine avec celui des aimants de manière à entretenir la rotation, avec production de couple moteur, selon le principe des machines à commutation de flux. La machine peut également fonctionner en génératrice, le flux des aimants permanents engendrant un courant alternatif dans les enroulements lorsqu'on fait tourner le rotor. En référence aux figures 2a et 2b, dans une seconde forme de réalisation d'un moteur 20 selon l'invention, qui ne sera décrite que pour ses différences par rapport à la réalisation précédente, les pôles respectivement internes T2, T4 et externes T1, T3 des couronnes rotoriques 22, 22' coïncident angulairement les unes avec les autres par paires. Le pas angulaire des dents rotoriques est double de celui des circuits statoriques en C. Les circuits magnétiques en forme de C, D1, D2, D'1 comportent à leurs extrémités, formant pôles statoriques El, E2 ; E'1, E'2, des aimants permanents M1, M2 ; M'1, M'2 aimantés radialement. Les deux aimants El, E2 d'un même circuit en C sont orientés dans le même sens, et les quatre aimants des deux circuits en C adjacents sont tous orientés dans le sens opposé. De la même façon que dans la première forme de réalisation, on réalise une machine diphasée en décalant angulairement les couronnes rotoriques 22, 22' d'un quart de pas entre pôles rotoriques de sorte que lorsque les pôles de l'une des couronnes rotoriques sont en conjonction avec des aimants statoriques les pôles de l'autre couronne rotorique sont alors en correspondance angulaire avec les espaces entre les aimants statoriques. Les enroulements globaux 23, 23' sont alors alimentés en régime diphasé. En fonctionnement, comme dans la réalisation précédente, dans chaque position angulaire où il y a coincidence entre les pôles rotoriques et des pôles statoriques, seuls les pôles statoriques ayant l'un des deux sens d'aimantation sont en situation de coïncidence. Le flux à travers la courone rotorique est donc partout dans ce sens. Après une rotation correspondant à un pas angulaire statorique, ce sont les circuits en C dont les aimants sont orientés dans l'autre sens qui sont en situation de conjonction. Le courant dans l'enroulement est commuté pour que le flux induit s'ajoute dans chaque cas à celui des aimants. Dans ce mode de réalisation, la commutation magnétique assurée par les pôles ne permet pas à un aimant donné de produire alternativement des flux de sens contraires, mais met en service ou au contraire efface successivement les aimants en fonction de l'orientation du flux qu'ils sont susceptibles de produire à travers le rotor. Les couronnes magnétiques rotoriques des moteurs selon l'invention peuvent être réalisées à partir de tôles ferromagnétiques minces découpées pour obtenir un entrefer de dimension prédéterminée. Comme représenté aux figures la et lb ces tôles peuvent être tenues prisonnières entre des picots 21 solidaires de la pièce discoidale, réalisés en matière amagnétique avec un profil comblant les évidements des couronnes entre les dents rotoriques R1, R2, R3. On supprime ainsi les bruits et frottements aérodynamiques. Les picots peuvent préexister sur la pièce discoïdale et servir de guide de mise en place des couronnes rotoriques, ou être crées par surmoulage après positionnement des couronnes. Les circuits magnétiques statoriques en forme de C mis en oeuvre dans les deux exemples de moteur qui viennent d'être décrits peuvent avantageusement être réalisés à partir de circuits roulés et collés disponibles actuellement sous forme de tores de très haute qualité magnétique. Ces circuits peuvent être découpés de façon très précise par électroérosion. Ils peuvent aussi être réalisés à partir de tôles découpées en grande série, par exemple par emboutissage puis assemblage. Pour fixer les circuits en C dans le bâti statorique, on peut avoir recours à la fixation mécanique ou au surmoulage. La matière de surmoulage contribue à l'évacuation de la chaleur. Le choix du mode de réalisation des circuits magnétiques mis en oeuvre dans la présente invention est en pratique conditionné par des considérations de performances et de coût. Les modes de réalisation qui viennent d'être décrits sont particulièrement performants. La réalisation de la figure la a de bonnes caractéristiques de commutation de flux, tandis que celle de la figure lb combat efficacement les phénomènes de saturation magnétique. La quantité de cuivre utilisée est réduite, et le taux de remplissage des circuits en C par le cuivre peut en pratique être très élevé. Tous les feuilletages sont orientés dans le sens le plus favorable sans qu'il en résulte de difficultés de fabrication. Le rotor est passif ce qui permet d'envisager de grandes vitesses de rotation, donc de grandes puissances massiques. Ces vitesses sont possibles sans bruit grâce aux picots 21 ou analogues. Les entrefers sont situés sur un grand diamètre, ce qui favorise le couple moteur. La figure la montre que la structure peut être creuse autour de l'arbre 11. Ceci donne la possiblité d'y intégrer des composants, notamment l'électronique de commande du courant dans les enroulements. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, la géométrie et le matériau constituant l'arbre et le disque rotorique peuvent être quelconques. A partir de la réalisation des figures 2a et 2b, on peut réaliser une machine à reluctance variable en supprimant les aimants permanents et en supprimant un circuit en C sur deux, e façon que le pas angulaire des circuts en C soit le même que celui des dents rotoriques. On commute le courant dans les enroulements pour faire apparaître un flux lorsque chaque paire de dents rotoriques est angulairement plus proche du circuit en C vers lequel elle doit tourner que du circuit en C qu'elle vient de dépasser. REVEND I CATIONS 1. Machine électrique tournante (10, 20), comprenant des enroulements statoriques (13, 13'; 23, 23') et des circuits magnétiques statoriques (C1, C2, C'1 ; D1, D'1) définissant des pôles statoriques (B1, B'1, B2, B'2; El, E2, E'1, E'2), et un rotor (19) comportant des pôles rotoriques (R1, R2, R3; T1, T2, T3, T4), caractérisée en ce que le rotor comprend en outre une pièce (14, 24) de forme sensiblement discoïde en matériau amagnétique dont chaque face latérale porte une couronne rotorique (12, 12'; 22, 22') en matériau ferromagnétique agencée pour fournir lesdits pôles rotoriques (R1, R2, R3; T1, T2, T3, T4), lesquels sont par le mouvement du rotor alternativement en vis à vis avec les pôles statoriques (B1, B2, B3, B4; El, E2, E'1, E'2) et angulairement décalés par rapport à ceuxci, en ce que les circuits magnétiques statoriques sont en forme de C (C1, C'l, C2; D1, D'1) suivant des plans sensiblement axiaux répartis angulairement et sont organisés en deux sous-ensembles de circuits magnétiques disposés de part et d'autre de la pièce rotorique discoïde, en ce que les extrémités des C constituent les pôles statoriques (B1, B2, B'1, B'2; El, E2, E'1, E'2), et en ce que les enroulements statoriques comprennent deux enroulements globaux (13, 13'; 23, 23'), de forme sensiblement toroïdale, symétriques par rapport à la pièce rotorique discoïde (14, 24), et passant chacun à l'intérieur de l'un desdits sous-ensembles de circuits magnétiques statoriques. 2. Machine (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les couronnes rotoriques (12, 12') sont décalées angulairement l'une par rapport à l'autre de sorte que lorsque les pôles rotoriques d'une couronne sont en conjonction avec les pôles statoriques correspondants, les pôles rotoriques de l'autre couronne sont en correspondance angulaire avec des espaces entre les pôles statoriques de l'autre sousensemble de circuits magnétiques en forme de C. 3. Machine (10) selon la revendication 1 ou 2, du type à commutation de flux, caractérisée en ce que le stator (15) comprend en outre, pour chaque sousensemble de circuits magnétiques en forme de C, des aimants disposés azimutalement dans les espaces séparant les circuits magnétiques en forme de C (C1, C2), et en ce que les pôles rotoriques (R1, R2, R3) de chaque couronne rotorique (12, 12') sont alternativement orientés radialement vers l'extérieur et vers l'intérieur de la machine et disposés de sorte que lorsqu'un pôle rotorique extérieur (R1, R3) est en conjonction avec un pôle statorique extérieur (B3) d'un circuit magnétique en forme de C (C2), les poles rotoriques intérieurs (R2) adjacents à ce pôle rotorique extérieur (R1, R3) sont alors en conjonction avec les pôles statoriques intérieurs (B2) des circuits magnétiques adjacents en forme de C (C1). 4. Machine (20) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque couronne rotorique (22, 22') comprend un premier sous-ensemble de pôles rotoriques (T1, T3) orientés vers l'extérieur et un second sous-ensemble de pôles rotoriques (T2, T4) orientés vers l'intérieur de la machine, ces pôles rotoriques intérieurs (T2, T4) coïncidant chacun, angulairement, avec l'un des pôles rotoriques extérieurs (T1, T3). 5. Machine selon la revendication 4, caractérisé en ce que le stator (25) comprend en outre des aimants disposés radialement aux extrémités extérieures (El, E'1) et intérieures (E2, E'2), formant pôles statoriques, des circuits magnétiques en forme de C (D1, D'1), en ce que les aimants d'un même circuit magnétique en C sont orientés dans le même sens, opposé au sens des aimants des deux circuits magnétiques en forme de C adjacents, et en ce que les pôles rotoriques intérieurs (T2, T4) sont en nombre égal à la moitié du nombre de pôles statoriques intérieurs. 6. Machine (10, 20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les couronnes rotoriques (12, 12', 22, 22') sont feuilletées selon un plan de feuilletage parallèle au plan de rotation de la pièce rotorique discoïde (14, 24). 7. Machine (10, 20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les circuits magnétiques en forme de C (C1, C'l, C2; D1, D'1) sont réalisés à partir de tôles enroulées. 8. Machine (10, 20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un bâti statorique (16) en matériau amagnétique agencé pour recevoir les deux sousensembles de circuits magnétiques en forme de C 9. Machine (10, 20) selon la revendication 8, caractérisée en ce que les deux sous-ensembles de circuits magnétiques en forme de C et les enroulements sont au moins en partie fixés dans le bâti statorique (16) par surmoulage. 10. Machine (10, 20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les couronnes rotoriques (12, 12' ; 22, 22') sont tenues par de la matière (21) solidaire de la pièce discoïde (14 ; 24), cette matière comblant sensiblement des évidements définis par les couronnes rotoriques (12, 12' ; 22, 22') entre les pôles rotoriques.