Brevet FR2775393A1 — publié le 19990827

La présente invention concerne une machine dynamoélectrique polyphasée à réluctance variable hybride à effet Vernier constituée par un stator et un rotor se déplaçant par rotation d'axe s selon une direction locale de déplacement X, le stator comportant au moins un groupe g de q arceaux qui sont disposés dans des plans transversaux à la direction de déplacement X, se succèdent dans la direction de déplacement x et ont chacun deux bras terminés chacun par un pôle statorique saillant dans une direction radiale r, à pas constant, le rotor comprenant des structures rotoriques à pas constant comportant des paires de pôles rotoriques magnétiquement réunis, en définissant avec les pôles statoriques deux rangées d'entrefers, les pas statorique et rotorique étant légèrement différents de façon à procurer un effet Vernier, chaque arceau étant excité par uns bobine statorique avec des impulsions en double alternance ayant un déphasage de 2X/q relativement à un arceau immédiatement précédent le long de la direction X, des aimants permanents ayant une direction d'aimantation transversale à la direction x polarisant avec des polarités magnétiques opposées chaque pôle d'une paire de pôles rotoriques ayant une même cote dans la direction x, les polarités magnétiques de deux pôles rotoriques voisins d'une même rangée d'entrefers étant également opposées, le rapport entre les pas des pôles statoriques et rotoriques et le sens d'excitation des bobines statoriques étant choisi en fonction du nombre de phases q de façon à ce que les forces d'attraction exercées par chaque pôle statorique excité aient la même direction, les arceaux étant assemblés dans une couronne statorique et les paires de pôles rotoriques dans une couronne rotorique. Une telle machine est décrite dans le brevet FR 96/01784 publié sous le NO 2744855. On sait cependant que la plage de vitesse à puissance constante est réduite Si l'on ne peut réduire le flux d'entrefer par une désexcitation. L'utilisation d'aimants permanents, par ailleurs très avantageuse, rend difficile cette réduction de flux, comme cela est exposé dans la publication de Bernard MULTON: "Analyse des possibilités de fonctionnement en régime de désexcitation des moteurs à aimants permanents" J.Phys.111 France 5 (1995) pp 623-640. Le but de la présente invention est d'ajouter à la machine telle que décrite ci-dessus un dispositif permettant de provoquer une désexcitation réglable tout en apportant d'autres avantages. Suivant l'invention, dans une paire de pôles rotoriques magnétiquement réunis, le premier pôle d'une première rangée d'entrefers est soumis à l'influence directe d'une première face d'un aimant permanent tandis que le deuxième pôle d'une deuxième rangée d'entrefers est soumis à l'influence d'une bobine rotorique alimentée en courant continu par l'intermédiaire de balais et de bagues, ces dernières étant fixées sur la couronne rotorique. De préférence, un aimant permanent a une direction d'aimantation intermédiaire entre la direction Z et la direction r. Si deux arceaux statoriques sont disposés côte à côte dans la direction Z, des bras voisins de deux arceaux ayant même cote dans la direction de déplacement S peuvent être entourés par une même bobine statorique et les deux paires de pôles rotoriques correspondantes peuvent former un seul ensemble dans lequel les pôles situés aux extrémités de l'ensemble sont chacun soumis à l'influence directe d'une même polarité d'un des aimants permanents rotoriques tandis que les pôles centraux sont entourés par une même bobine rotorique et sont soumis à l'influence moins directe de l'autre polarité de chacun des aimants permanents. De préférence, les liaisons magnétiques entre les pôles d'un ensemble de paires de pôles sont constituées par un empilage dans la direction I de tôles ayant un profil faisant apparaître les pôles, des encoches pour loger le bobinage rotorique et des ouvertures pour loger les aimants permanents qui ont une forme parallélépipédique. Le profil des tôles, l'épaisseur de leur empilage et l'inclinaison des aimants permet une concentration du flux de chaque aimant permanent sur la surface polaire du pôle d'extrémité correspondant et sur la surface polaire des pôles centraux. L'épaisseur des aimants permanents et les ampèretours nominaux des bobines rotoriques sont choisis de façon à avoir les dits ampèretours nominaux au démarrage de la machine, des ampèretours sensiblement nuls à la vitesse nominale et des ampèretours légèrement négatifs à la vitesse maximum. Le courant d'excitation des bobines rotoriques peut être asservi de façon à ce que, en fonctionnement en générateur, la tension délivrée par la machine soit constante et, en fonctionnement en moteur, le couple moteur soit dépendant de la position angulaire du rotor. La couronne rotorique peut être fixée sur un volant d'inertie d'un moteur thermique à explosion. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre non limitatif: la figure 1 est une coupe partielle perpendiculaire à la direction axiale Z d'une machine tournante suivant l'invention; la figure 2 est la coupe II limitée de la figure 1; la figure 3 est la coupe III-III de la figure 2 et la figure 4 est un diagramme d'excitation des bobines statoriques. Sur les figures 1 à 3, la machine 1 est constituée par un stator 2 et par un rotor 3 tournant autour d'un axe de direction Z dans une direction locale de déplacement X. Le stator est extérieur au rotor dans une direction radiale r. Le stator 2 est constitué par un assemblage d'arceaux statoriques 4,4x2,4x3 ..disposés chacun dans un plan perpendiculaire à la direction locale X avec un pas angulaire constant. Chaque arceau 4 a, dans la direction , deux bras 5,5z2 situés à des cotes Z différentes et terminés chacun par un pôle statorique 6,6:2 saillant vers le rotor. Ces arceaux proviennent de préférence du sectionnement d'un tore enroulé et collé à partir d'une bande de tôle magnétiques minces à grains orientés. Le rotor 3 est constitué par un assemblage de structures rotoriques 7,7x2,7x3.. comportant chacune au moins une paire de pôles rotoriques 8,8z2 réunis magnétiquement entre eux, ces structures étant disposées chacune dans un plan perpendiculaire à la direction locale S avec un pas angulaire constant. Les pôles 8,8:2 définissent avec les pôles statoriques 6,6:2 deux rangées d'entrefers 9,9:2 situées à des cotes Z différentes, la machine 1 étant ainsi dite à flux transversal ou axialement hétéropolaire. Les pas statorique et rotorique sont légèrement différents de façon à procurer un effet Vernier. Chaque arceau 4 est excité par une bobine statorique 10. Les bobines 10,10x2,10x3..sont excitées par un réseau de q phases délivrant des impulsions en double alternance ayant un déphasage de 21coq relativement à un arceau immédiatement précédent le long de la direction X. Des aimants permanents 11 ayant une direction d'aimantation transversale à la direction X polarisent avec des polarités magnétiques opposées chaque pôle 8,8:2 d'une paire de pôles rotoriques ayant une même cote dans la direction X, les polarités magnétiques de deux pôles rotoriques voisins 8,8x2 d'une même rangée d'entrefers 9 étant également opposées. Dans la réalisation de la figure 1 comportant 4 groupes g de chacun 7 phases q, on n'a représenté qu'un groupe de 7 phases repérées de Al à G1, encadrées par A2 et J4. I1 y a donc au total 28 arceaux. Les arceaux 4 avec leurs bobines 10 sont assemblés à queue d'aronde dans une couronne statorique 12. Entre les arceaux, il y a de la place pour faire passer des canaux de réfrigération lovant les bobines. En face du groupe de 7 phases représenté, il n'y a que 5 structures rotoriques de 7 à 7x5 et les sens d'excitation des bobines statoriques sont alternés comme représenté sur la figure 4 de façon à ce que les forces d'attraction exercées par chaque pôle statorique excité aient la même direction, commue cela est explicité dans le brevet cité. Sur la figure 2, un aimant permanent 11 a une face polaire S qui polarise le pôle rotorique 8 tandis que la face polaire N polarise le pôle rotorique 8:2 de la même paire, ces structures rotoriques 7 étant assemblées dans une couronne rotorique 13. Suivant l'invention, on voit qu'une bobine rotorique 14 entoure le pôle 8:2. Les bobines 14, 14x2.. sont alimentées en courant continu par l'intermédiaire de balais 15 et de bagues 16, ces dernières étant fixées sur la couronne rotorique 13. L'aimant permanent 11 a une direction d'aimantation intermédiaire entre les directions Z et x et est situé directement sous la face polaire rotorique 8 de façon à ce que le flux de sa face S se concentre en atteignant directement la face 8, tandis que le flux de la face N a un trajet plus long pour atteindre et se concentrer sur la face 8:2. De plus, ce trajet se termine en passant au travers de la bobine rotorique 14, ce qui donne un moyen efficace de contrôler et de réguler le flux dans les entrefers. Pour simplifier la fabrication, on voit d'autre part que deux bras voisins 5:2 et 523 de deux arceaux 4 et 4z2 voisins à même calage angulaire sont entourés par une même bobine statorique 10 en formant un circuit magnétique élémentaire en forme de E. De même, la structure 7 englobe l'ensemble 8-824 des paires de pôles de 8 à 8z4 et la bobine rotorique 14 entoure aussi le pôle 8:3 tandis qu'un deuxième aimant permanent 11:2 est disposé symétriquement par rapport au premier. Chaque structure rotorique 7 est constituée par un empilage dans la direction x de tôles (17) ayant un profil faisant apparaître les pôles (8), des encoches pour loger le bobinage rotorique (14) et des ouvertures pour loger les aimants permanents (11,11:2) parallélépipédique. Après fixation de chaque structure ainsi constituée dans la couronne rotorique 13, cet ensemble est surmoulé et fixé par exemple sur un volant d'inertie 18 d'un moteur à explosion. La surface polaire d'un aimant peut être augmentée en augmentant l'épaisseur de l'empilage des tôles 17, quitte à réduire cet empilage au niveau de entrefer. Cette disposition permet de plus au flux contrarié par le bobinage rotorique 14 de trouver un chemin vers les structures 7 angulairement voisines qui ont des polarités opposées. Ces dispositions permettent de contrôler et de réguler le flux dans les entrefers d'une manière qui économise l'énergie d'excitation tout en compensant l'augmentation des pertes fer par hystérésis à vitesse élevée par une diminution des pertes dues au niveau plus faible de l'induction. D'autre part le coût supplémentaire du bobinage rotorique avec ses bagues et balais est largement compensé par le fait que la masse des aimants permanents ne représente qu'environ 5% de la masse active contre 15% pour un moteur synchrone dont l'entrefer cylindrique est entièrement pavé d'aimants permanents en forme de tuile, le prix au kg du fil de cuivre n'étant pas le dixième de celui d'un aimant permanent. De plus, dans ce dernier cas, il n'y a pas de concentration de flux, ce qui diminue de moitié l'induction dans l'entrefer. Enfin, les variations de réluctance sont plus progressives donc moins efficaces et la réluctance d'entrefer est perturbée par la présence d'encoches nécessaires pour réaliser un champ tournant par composition vectorielle. Avec une disposition d'aimants permanents dits "enterrés", on ne pourrait avoir un rotor 3 en couronne de faible hauteur et de faible masse. Sur le diagramme d'excitation de la figure 4, on a représenté les impulsions positives ou négatives reçues par les 7 phases de Al à G1 ainsi que par la phase suivante A2. On voit que d'une phase à la suivante, les impulsions changent de sens pour tenir compte de l'inversion de polarité des pôles rotoriques successifs. La commutation est faite ici avec en permanence 4 phases excitées sur 7, donnant un courant total constant. On aurait aussi pu avoir un rapport 2 sur 7 ou 6 sur 7 suivant le fonctionnement souhaité de la machine. Des flèches sur les arceaux B1, C1, El et F1 de la figure 1 représentent le sens d'excitation pour la position rotorique représentée. Un grand nombre impair de phases diminue le taux d'ondulation du couple. A 400Hz, la vitesse de rotation de la machine est de 2400 T/mn. Suivant la puissance demandée, plusieurs paires d'arceaux 4,4:2 peuvent être juxtaposées dans la direction Z. Des modifications peuvent être apportées à la description sans sortir du domaine revendiqué. Ainsi l'empilage de tôles 17 peut être remplacé par une ou deux paires de demiarceaux enserrant chacune un aimant permanent. REVENDICATIONS Machine dynamo-électrique polyphasée à réluctance variable hybride à effet Vernier(1) constituée par un stator (2) et un rotor (3) se déplaçant par rotation d'axe Z selon une direction locale de déplacement x, le stator (2) comportant au moins un groupe g de q arceaux (4) qui sont disposés dans des plans transversaux à la direction de déplacement x, se succèdent dans la direction de déplacement I et ont chacun deux bras (5,5:2) terminés chacun par un pôle statorique (6,6:2) saillant dans une direction radiale , à pas constant, le rotor (3) comprenant des structures rotoriques (7,7x2,7x3..) à pas constant comportant des paires de pôles rotoriques (8,8z2) magnétiquement réunis, en définissant avec les pôles statoriques (6,6:2) deux rangées (9,9z2) d'entrefers, les pas statorique et rotorique étant légèrement différents de façon à procurer un effet Vernier, chaque arceau (4) étant excité par une bobine statorique (10) avec des impulsions en double alternance ayant un déphasage de 2X/q relativement à un arceau immédiatement précédent le long de la direction x, des aimants permanents (11) ayant une direction d'aimantation transversale à la direction X polarisant avec des polarités magnétiques opposées chaque pôle d'une paire de pôles rotoriques (8,8z2) ayant une même cote dans la direction X, les polarités magnétiques de deux pales rotoriques voisins (8,8x2) d'une même rangée d'entrefers étant également opposées, le rapport entre les pas des pôles statoriques (6) et rotoriques (8) et le sens d'excitation des bobines statoriques (10) étant choisis en fonction du nombre de phases q de façon à ce que les forces d'attraction exercées par chaque pôle statorique (6) excité aient la même direction, les arceaux étant assemblés dans une couronne statorique (12) et les paires de pôles rotoriques dans une couronne rotorique (13), caractérisée en ce que dans une paire de pôles rotoriques (8,8:2) magnétiquement réunis, le premier pôle (8) d'une première rangée d'entrefers est soumis à l'influence directe d'une première face (S) d'un aimant permanent (11) tandis que le deuxième pôle (8:2) d'une deuxième rangée d'entrefers est soumis à l'influence d'une bobine rotorique (14) alimentée en courant continu par l'intermédiaire de balais (15) et de bagues (16), ces dernières étant fixées sur la couronne rotorique (13). 2.Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un aimant permanent (11) a une direction d'aimantation intermédiaire entre la direction Z et la direction r. 3.Machine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle deux arceaux statoriques (4,4:2) sont disposés côte à côte dans la direction Z tandis que les deux paires de pôles rotoriques correspondantes (8,8z2) et (8z3,8z4) forment un seul ensemble (8-8z4), caractérisée en ce que les pôles (8,8vs) situés aux extrémités de l'ensemble (8-824) sont chacun soumis à l'influence directe d'une même polarité (S) d'un des aimants permanents rotoriques (ll,llz) tandis que les pôles centraux (8:2,8:3) sont entourés par une même bobine rotorique (14) et sont soumis à l'influence moins directe de l'autre polarité (N) de chacun des aimants permanents (ll,llz). 4.Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les liaisons magnétiques entre les pôles (8) d'un ensemble de paires de pôles (8-824) sont constituées par un empilage dans la direction I de tôles (17) ayant un profil faisant apparaître les pôles (8), des encoches pour loger le bobinage rotorique (14) et des ouvertures pour loger les aimants permanents (11,11:) qui ont une forme parallélépipédique. 5.Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le profil des tôles (17), l'épaisseur de leur empilage et l'inclinaison des aimants permanents 11 permet une concentration du flux de chaque aimant permanent (11,11:) sur la surface polaire du pôle d'extrémité correspondant (8,8z4) et sur la surface polaire des pôles centraux (8:2,8:3). 6.Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur des aimants permanents (11,11:) et les ampèretours nominaux des bobines rotoriques (14,14x2,14x3..) sont choisis de façon à avoir les dits ampèretours nominaux au démarrage de la machine, des ampèretours sensiblement nuls à la vitesse nominale et des ampèretours légèrement négatifs à la vitesse maximum. 7.Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le courant d'excitation des bobines rotoriques (14,14x2,14x3..) est asservi de façon à ce que, en fonctionnement en générateur, la tension délivrée par la machine (1) soit constante et, en fonctionnement en moteur, le couple moteur soit dépendant de la position angulaire du rotor (3). 8.Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que des bras voisins (5:2,5:3) de deux arceaux (4,4:2) ayant même cote dans la direction de déplacement S sont entourés par une même bobine statorique (10). 9.Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couronne rotorique (13) est fixée sur un volant d'inertie (18) d'un moteur thermique à explosion.