Brevet FR2776141A1 — publié le 19990917

GENERATRICE ELECTRIOUE A CiRCUIT D'EXCITATION SUSPENDU La présente invention se rapporte à une génératrice électrique tournante pouvant servir d'alternateur destiné en particulier à être accouplé à des machines motrices à faible vitesse de rotation. Les alternateurs sont utilisés comme générateurs de courant continu accouplés à une batterie d'accumulateur, depuis au moins deux décennies, en particulier dans la construction automobile. Ils présentent en effet de nombreux avantages par rapport aux dynamos utilisées auparavant: ils peuvent tourner à des vitesses de rotation élevées, ne présentent pas de balais collecteurs de courant et se contentent d'une simple régulation en tension, en supprimant ainsi l'onéreuse régulation en intensité. Par contre, ils se révèlent encore incapables d'assurer la recharge de batteries d'accumulateur dans les conditions difficiles telles que les ambiances très corrosives et dans le cas de ltentraînement à de faibles vitesses de rotation, par des éoliennes ou par des hélices motrices tractées, dans le cas de la navigation de plaisance par exemple. On connaît des alternateurs aptes à charger des batteries dans des ambiances polluées et sur la vitesse de ralenti de moteurs thermiques. Il s'agit d'alternateurs à excitation par aimants permanents destinés aux véhicules de livraison qui soit gardent leur moteur en marche au ralenti soit procèdent à de fréquents redémarrages du moteur thermique. De tels alternateurs sont toujours de puissance limitée car dépourvus de réglage de l'excitation, et bien que ne possédant pas de bagues d'excitation susceptibles de se corroder, ils ne présentent qu'une résistance limitée aux brouillards salins car leur bobinage induit ne bénéficie pas d'une protection particulière. La présente invention vise à proposer une génératrice électrique, apte en particulier à la recharge de batteries de capacité importante, à partir d'un organe moteur à faible vitesse de rotation, et qui présente une résistance élevée à la corrosion. en particulier aux brouillards salins. A cet effet, la génératrice électrique selon l'invention comprend un circuit d'excitation magnétique suspendu à l'intérieur d'un circuit magnétique inducteur tournant. par l'intermédiaire d'une bride périphérique le reliant solidairement à un circuit magnétique induit fixe entourant ledit circuit magnétique inducteur. Selon un mode de réalisation de l'invention. le circuit magnétique inducteur présente en périphérie deux séries de dents définissant entre elles et le circuit magnétique induit, deux entrefers décalés axialement et permettant de faire varice c flux magnétique induit dans le circuit magnétique induit grâce à la rotation du circuit magnétique inducteur. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le circuit magnétique induis comprend deux parties juxtaposées suivant un plan de joint de manière à ce qtic c flux magnétique induit traverse lesdites deux parties et ledit plan de joint (96a). Selon encore un autre mode de réalisation, le circuit magnétique inducteur est relié solidairement à une denture d'engrenage engrenée sur au moins un pignon intermédiaire lui-même engrené sur la denture interne d'une enveloppe susceptible d'être rendue solidaire d'un moyen d'entrainement extérieur tournant, le train d'engrenage permettant d'obtenir une vitesse de rotation du circuit magnétique inducteur supérieure à la vitesse de rotation dudit moyen d'entrainement extéiictii tournant. Dans ce cas. la génératrice électrique selon l'invention peut avantageusemcii comprendre une plaque latérale portant un arbre central sur lequel tourillonnent. pour l'intermédiaire dc moyens de palier, le circuit magnétique inducteur et un flsqtic solidaire de l'enveloppe. Dans ce dernier cas, il est avantageux que l'enveloppe et le flasque enferment de façon quasi-étanche la génératrice électrique par l'intermédiaire d'un joint disposé entre la plaque latérale et l'enveloppe et d'un joint disposé entre le flasque et l'arbre La génératrice électrique selon l'invention peut ainsi comporter Liii multiplicateur de vitesses à couronne dentée intérieure et intégré à l'enveloppe dc 1. génératrice électrique. Ce multiplicateur est apte à transmettre une puissance importante du fait de ses dimensions extérieures et de l'existence de plusieurs dentures en prise simultanément et il présente une grande résistance à la corrosion ct aux ambiances agressives, du fait de sa structure rustique et des matériaux autolubrifiants et résistants à la corrosion utilisés, tels que la matière plastique. Le circuit électrique de la génératrice électrique est réalisé avec une excitation réglable et sans balais ni bagues et se présente sous la forme d'une coLiroilile électrique de dimension importante et donc apte à générer une puissance électrique importante avec de bonnes possibilités de refroidissement. Cette couronne électriqiïe peut être complètement noyée dans la matière plastique d'isolation et d'enveloppe résistante aux projections d'eau. Le circuit magnétique induit en tôles feuilletées de la génératrice électrique est également noyé dans cette couronne électrique entourée de matière plastique. Les roulements à billes ou à galets utilisés dans la génératrice électrique selon l'invention sont en général du type étanche et graissés à vie, aptes à résister aux brouillards salins. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre d'exemplc non limitatif et en regard du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente, schématiquement et sensiblement en demi-coupe longitudinale, un exemple de mode de réalisation de la génératrice électrique selon l'invention; et - la figure 2 représente en perspective une demi- denture du circuit magnétique inducteur en forme générale de cloche. Sur la figure 1 la génératrice électrique tournante représentée en demi- coupe et qui présente une symétrie de révolution, est montée sur une plaque de base 1 destinée à être fixée sur un support rigide 2 du véhicule portant la génératrice électrique 3 de charge d'une batterie 4. Au centre de la plaque de base 1 est monté par tous moyens adéquats, par exemple par manchonnage et soudure 5a, un arbre fixe 5 de support des parties tournantes de la génératrice électrique 3. Sur l'arbre fixe 5, est montée rotative par l'intermédiaire d'un roulement à grande résistance 6 (par exemple à double rangée de billes et épaulements latéraux de fermeture étanche), une enveloppe 7 fixée par des vis (non représentées et d'axes 7a, 7b) sur un flasque 8 en appui sur le roulement 6 retenu en position sur l'arbre 5 par un écrou de blocage 9 et isolé de l'extérieur par un joint tournant 6a. L'enveloppe 7 en forme de manchon cylindrique et réalisée par exemple en matière plastique pour présenter des qualités de résistance à la corrosion, comporte une bride extérieure en saillie 10 pour la fixation (par des vis d'axe 1 0a) à un organe d'entraînement à faible vitesse, tel qu'une éolienne ou une hélice (de bateau à voile). Intérieurement, l'enveloppe 7 est munie d'une couronne dentée 11 qui engrène avec des pignons intermédiaires 12 montés rotatifs par l'intermédiaire de roulements 1 2a sur un arbre support 13 fixé sur la plaque de base 1. Les pignons 12 et leurs arbres support 13 sont prévus par exemple au nombre de 3 ou de 4 et sont régulièrement repartis sur la périphérie de la plaque support. Les pignons 12 engrènent avec une denture extérieure 14 ménagée sur un manchon cylindrique 15, réalisé par exemple également en matière plastique et qui sert à l'entraînement en rotation du rotor (16) de la génératrice électrique 3 (rotor constituant un circuit magnétique inducteur). par l'intermédiaire d'un flasque 17 sur lequel il est fixé par une couronne de vis 15a. A son extrémité du côté de la plaque de base 1, l'enveloppe rotative 7 peut présenter un joint à lèvre rapporté 18 qui ferme relativement l'espace intérieur de la génératrice électrique 3, à l'égard des projections d'eau et des pénétrations de salissures. A l'intérieur du manchon cylindrique 15, est fixée latéralement à la plaque de base 1, une couronne de bobinage 19 qui présente une série de deux bobinages 3(). réalisés par exemple en bobinage triphasé présentant de nombreux pôles (un par dent du rotor). Les sorties de ces pôles débouchent de façon étanche, à travers la plaque de base 1, par un circuit d'alimentation 20a sur un bloc redresseur 21, représenté ici schématiquement par un redresseur unique, dont la sortie est reliée à la batterie 4 i charger. Sur le circuit aval du redresseur 21, est branché par l'intermédiaire cl'un circuit électronique de contrôle et de gestion de charge 22, un circuit d'excitation 23 relié à un bobinage d'excitation 24. Selon une particularité de la présente invention, le bobinage d'excitation 24 n'est pas. comme dans les alternateurs courants pour véhicules automobiles. alimenté par l'intermédiaire de bagues tournantes, mais il est monté suspendu fixe, par l'intermédiaire d'une bride isolante 25, sensiblement au centre de la couronne de bobinage 19. Le circuit magnétique induit en tôles feuilletées 26 réalisé en deux moitiés juxtaposées selon un plan de joint annulaire 26a, est serré à sa périphérie par une ligne de boulons 26b. Le bobinage d'excitation 24 est relié au circuit d'excitation 23 par une liaison fixe indiquée schématiquement 23a et traversant la bride 25 et le plan de joint 26a du circuit magnétique 26. Le bobinage d'excitation 24 est entoure par une enveloppe isolante résistante 24a, par exemple en matière plastique surmoulée, qui se raccorde monobloc à la bride 25. Comme dans les alternateurs courants, le bobinage d'excitation 24 présente 1; forme d'une bague d'excitation qui entoure un manchon 27 de circuit magnétique cii fer doux à bonne perméabilité. Le manchon 27 est monté tournant, pli. l'intermédiaire de roulements 27a, 27b, sur l'arbre central fixe 5 et comporte, fixées de chaque côté par des couronnes de vis 30, des cloches 28 et 29 en acier dous à bonne perméabilité et qui présentent une denture polaire (voir les dents 28a, b, c. e, f.. etc. sur la représentation en perspective à la figure 2 de la cloche 28). Chaque cloche présente un passage central 31 qui est traversé, en position montée, par l'arbre fixe 5. Le circuit magnétique du manchon 27 se referme sur lui-même. successivement, par l'intermédiaire de la cloche 28 et de sa denture, de l'entrefer ;2 et de la première moitié 26c du circuit magnétique 26 en tôles feuilletées, du plan de joint 26a, dc la deuxième moitié 26d du circuit magnétique 26, de l'entrefer 33 aux la denture de la cloche 29 et de cette dernière. Les dents des cloches 28 et 29 sont en principe alignées axialement afin d'augmenter au maximum les variations de flux magnétique à travers les deux bobinages 20 en sens inverse de part et d'autre du pli de joint 26a couplés de toute manière appropriée, y compris de façon à sortir deux circuits de charge tels que 20a. Des deux circuits de charge, l'un pour servir à la charge d'une ou de plusieurs batteries 4 via un circuit redresseur tel que 21, tandis que l'autre circuit, non redressé et donc en courant alternatif, peut servir à un circuit auxiliaire, de chauffage de l'eau d'un réservoir ou même de chauffage de la cabine du bateau, la génératrice électrique 3 devient ainsi un générateur combiné, en utilisant les deux circuits électriques 20 et l'excitation commune 24. Le flasque 17 solidaire du manchon 15, est fixé à la cloche 29, éventuellement par la couronne de vis 30, mais aussi par une couronne de vis supplémentaire 34. On doit noter ici que le rapport de transmission entre l'enveloppe 7 motrice et le manchon cylindrique 15 d'entraînement du rotor de la génératrice électrique, est égal à l'inverse du rapport du diamètre primitif de leur denture d'engrenage (intérieure pour l'enveloppe 7 et extérieure pour le manchon 15). En conséquence, en choisissant des pignons 12 de relativement grand diamètre, ce qui n'est pas le cas sur la figure, on peut obtenir un rapport de multiplication assez important de l'ordre de 4 ou 5 entre la vitesse de l'enveloppe 7 liée à l'hélice ou à l'éolienne et le manchon 15 d'entraînement de la génératrice électrique. La couronne de bobinage 19 qui constitue avec son enveloppe en matière plastique un bloc relativement rigide, peut être renforcée par un manchon extérieur 35 qui est fixé latéralement à l'intérieur de la plaque de base par deux couronnes 36 de vis extérieures. Les liaisons de fil vers la batterie 4 et vers le circuit électronique de contrôle 22 s'effectuent à travers des passages non représentés ménagés à travers la plaque de base 1. Par ailleurs, le circuit électronique 22 de contrôle et de gestion de charge peut être relié à un prélèvement 37 (shunt de préférence) de l'intensité de charge de la batterie 4. Ce prélèvement permet de limiter l'excitation de la génératrice électrique en cas d'intensité de charge trop importante, ce qui correspond par exemple à l'effondrement de la tension d'un élément de la batterie 4. Cette protection constitue un perfectionnement dans la régulation de la génératrice électrique par rapport aux alternateurs courants qui détruisent en général la batterie si la tension d'un élément de cette dernière s'effondre. Le montage de la génératrice électrique 3 s'effectue de la façon suivante. Les deux circuits de bobinage 20 sont préparés avec leurs circuits magnétiques feuilletés correspondant 26c et 26d. Le bobinage d'excitation 24 est préparé séparément avec son enveloppe 24a. Les deux circuits de bobinage 20 sont assemblés sur la bride 25 du bobinage d'excitation 24 et sont assemblés jointifs par le plan de joint 26a, à l'aide de la couronne de vis 26b. La couronne de bobinage 19 ainsi préparée, est, le cas échéant, munie d'un revêtement étanche de renforcement et montée dans le manchon supérieur 35. Le circuit magnétique inducteur constitué du manchon 27 et équipé des roulements 27a, 27b, est refermé par les cloches 28 et 29 autour du bobinage d'excitation 24. On obtient ainsi un ensemble constitué de la couronne électrique 19 et du circuit magnétique 16, que l'on présente devant la plaque de base 1 équipée de l'arbre fixe 5 et, le cas échéant, des arbres 1 3 support de pignons. On introduit par glissement axial le manchon 27 par ses roulements 27a et 27b, sur l'arbre 5, en faisant traverser la plaque de base 1 par les circuits d'alimentation 20a et d'excitation 23, et en veillant à ce que la couroime dc bobinage 19 vicnne s'appliquer par le pied du manchon 35 en face des trous de montage des couronnes de boulons 36. l.cs boulons 36 sont ensuite vissés de l'extérieur pour fixer rigidement en position la couronne de bobinage 19. On peut ensuite appliquer latéralement le flasque 17 et son manchon 15 et fixer le flasque 17 sur la face latérale plane de la cloche 29 par les couronnes de vis 34 et éventuellement 30. Ensuite, on monte les pignons 12 sur les arbres de support 13 cii engrenant leur denture sur la denture périphérique 14 du manchon 15. Pour terminer le montage de la génératrice électrique 3, il reste à faire glisser latéralement le flasque 8 de l'enveloppe 7, en engrenant la denture intérieure 11 de l'enveloppe sur la denture des pignons 12, et à mettre en place le roulement 6. Le montage de l.l génératrice électrique se termine par la mise en place du joint à lèvres 18 et dc l'écrou de blocage 9. Les circuits d'alimentation 20a et d'excitation 23 qui sont disponibles à l'arrière de la plaque dc base 1, sont reliés sur le véhicule ou le bateau à la batterie 4 et iL circuit électronique de contrôle 22. Le fonctionnement de la génératrice électrique montée sur un mobile ou un équipement à alimenter, tel qu'un bateau de plaisance, est le suivant. La bride extérieure 10 est reliée à un organe d'entraînement à vitesses de rotation lente, tel que par exemple l'hélice auxiliaire d'un bateau à voile. La rotation lente de I'enveloppe 7 entraîne en rotation en sens inverse ct à une vitesse multipliéc. pal exemple, par 4 (pour un rapport de diamètre de 1 à 4 entre les cercles primitifs de li denture extérieure 14 et dc la denture intérieure 11, cc qui n'est pas le cas stir la figure) le circuit magnétique inducteur 16 qui provoque une alternance de flux magnétique maximum et de flux magnétique nul (au rythme de passage des dents des cloches 28 et 29) dans le circuit magnétique induit 26, à l'intérieur des deux bobinages 20. Sous l'effet du courant d'excitation croissant dans le bobinage 24, uiie tension suffisante apparaît à la sortie du redresseur 21 pour charger la batterie 4. Du fait de la grande taille du circuit magnétique, 27, 2X, 26, 29 par rapport aus entrefcrs 32 et 33, un courant de charge faible est déjà délivré pour de faibles vitesses de rotation de l'enveloppe 7 et ce courant dc charge augmente de façon presque linéaire avec la vitesse de rotation, jusqu'à la saturation du circuit magnétique provoqué notamment par des courants de Foucault engendrés dans 1. denture des cloches 28 et 29. Grâce à la structure très rustique de cc type de génératrice électrique. la corrosion et les dégradations dans des ambiances marines se manifestent peu, pour autant que les roulements utilisés soient vraiment étanches. Si des paquets de mer venaient à infiltrer de l'eau de mer à l'intérieur de l'enveloppe 7, les couples d'engrenage 11, 12, 14 réalisés en matière plastique résisteront à la corrosion et à l'abrasion par le sel. La couronne électrique 19 et le bobinage d'excitation 24, revêtus de matière plastique surmoulée, résistent à l'agression de l'eau même salée. On rappelle que les roulements utilisés sont des roulements étanches graissés à vie. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. - Génératrice électrique comprenant un circuit d'excitation magnétique (94) suspendu à l'intérieur d'un circuit magnétique inducteur (16) tournant, pi l'interinêdiaire d'une bride périphérique (25) le reliant solidairement à un circuit magnétique induit (26) fixe entourant ledit circuit magnétique inducteur (16). 2.- Génératrice électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique inducteur (16) présente en périphérie deux séries de dents (281 à f, 29a à f) définissant entre elles et le circuit magnétique induit (26), deux entreters (32, 33) décalés axialement et permettant de faire varier le flux magnétique induit dans le circuit magnétique induit (26) grâce à la rotation du circuit magnétique inducteur (16). 3.- Génératrice électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit magnétique induit (26) comprend deux parties (26c, 26d) juxtaposées suivant un plan de joint (26a) de manière à ce que le flux magnétique induit traverse lesdites deux parties (26c, 26d) et ledit plan de joint (26a). 4.- Génératrice électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. caractérisé en ce que le circuit magnétique inducteur (16) est relié solidairement à une denture d'engrenage (14) engrenée sur au moins un pignon intermédiaire (12) lui-même engrené sur la denture interne (11) d'une enveloppe (7) susceptible d'être rendue solidaire d'un moyen d'entraînement extérieur tournant, le train d'engrenage (14,12,11).permettant d'obtenir une vitesse de rotation du circuit magnétique inducteur supérieurc à la vitesse de rotation dudit moyen d'entrainement extérieur tournant. 5.- Génératrice électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'elle comprend une plaque latérale (1) portant un arbre central (5) sur lequel tourillonnent, par l'intermédiaire de moyens de palier (27a, 27b, 6). le circuit magnétique inducteur (16) et un flasque (8) solidaire de l'enveloppe (7). 6.- Génératrice électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enveloppe (7) et le flasque (8) enferment de façon quasi-étanche la génératrice électrique par l'intermédiaire d'un joint (18) disposé entre la plaque latérale (1) et l'enveloppe (7) et d'un joint (6a) disposé entre le flasque (8) et l'arbre (5).