Brevet FR2790614A1 — publié le 20000908

La présente invention concerne un générateur de courant électrique destiné à être entraîné à vitesses de rotation variables en conservant une tension et (ou) une période pratiquement constante. Les recherches en énergie éolienne ont montré que le maximum de puissance ne pouvait être extrait du vent qu'à condition d'utiliser les hélices captrices suivant des vitesses de rotation proportionnelles aux vitesses de vent, c'est à dire avec des rapports U/V (vitesse périphérique de l'hélice/vitesse de vent) pratiquement constants. Les expérimentations ont, par ailleurs, mis en évidence que le maximum de puissance développée par une hélice se situait à des vitesses de rotation de l'ordre des 2/3 des vitesses de rotation libres, au moment ou le rapport pression sur hélice/vitesse de rotation se trouve le plus élevé. En conséquence, il convient de s'adapter au mieux et avec rapidité aux fluctuations de la vitesse du vent et, par ailleurs, aux variations de charge lors de l'utilisation du courant. La demande de brevet N 97 09850, déposée en date du ler Août 1997, représente, en évacuant l'excédent de vitesse de rotation par zo mise en rotation du stator, une solution à ce problème d'adaptation avec, cependant, un certain nombre d'inconvénients auxquels il était nécessaire de remédier. En effet, s'il est, sur le plan pratique, préférable de réaliser des induits à excitation plutôt que d'utiliser des aimants permanents afin de faciliter le démarrage, il devient nécessaire, d'une part, de prévoir une alimentation de courant continu par bagues et balais, d'autre part, que ce dispositif de contact ainsi que celui permettant la transmission du courant à utiliser, issu du stator, également à bagues et balais, soient, autant que possible, de dimensions réduites afin de limiter les vitesses relatives, et, très accessibles, notamment à des fins d'entretien ou de remplacement. Le générateur selon l'invention permet de remédier aux inconvénients et de correspondre aux exigences précités. Ce générateur de courant électrique destiné à être entraîné à vitesses de rotation variables en conservant une tension et, ou, une fréquence pratiquement constantes comporte à cette fin, un induit ayant la possibilité d'entrer en rotation à I'intérieur d'un stator, cet induit et ce stator tournant eux mêmes de manière coaxiale sur un support fixe, un coupleur assurant une liaison de rotation entre le stator et le dit support fixe, et comporte, selon une première caractéristique, un induit, entraîné en rotation, possédant un arbre qui, en partie opposée à la poulie d'entraînement, est pourvu d'un prolongement d'une certaine longueur et d'une entrée de liaison radiale suivie d'un évidement central restant présent jusqu'à I'extrémité extérieure o il débouche, dans le but d'assurer la continuité de passage des conducteurs électriques, venant des bobinages de l'induit, jusqu'à des bagues de contact placées à l'extérieur en extrémité du prolongement, des trous permettant la liaison de l'évidement central avec les dites bagues de contact. Il comporte également un stator qui possède un flasque d'extrémité muni d'un embout évidé, afin de permettre en son intérieur, d'une part, le passage de l'arbre d'induit et de son prolongement ainsi que le logement du roulement du dit arbre, d'autre part, la création d'urt espace concentrique suffisant de manière à laisser le passage des o conducteurs de transmission de puissance, depuis les canaux de liaison, reliant l'intérieur du stator à l'espace concentrique, jusqu'aux bagues de contact montées extérieurement sur la partie dépassante du dit embout, des trous assurant la liaison entre l'espace concentrique et les bagues de contact, cet embout passant lui même, extérieurement, au travers d'un coupleur dont le roulement permet également la rotation du stator par rapport au support auquel le coupleur se trouve fixé. Cette mise à l'extérieur des diverses bagues de contact permet une diminution importante des vitesses de frottement entre les dites bagues de contact et les balais, et, des visites d'entretien aisées. Selon des modes particuliers de réalisation - le prolongement de l'arbre de l'induit peut être réalisé par un axe creux rapporté par vissage sur l'extrémité filetée de l'arbre de l'induit, la partie centrale du roulement se trouvant serrée entre lI'extrémité de l'arbre creux et l'épaulement de l'arbre, par ailleurs, un autre épaulement, des rondelles et un écrou permettant, à l'extrémité extérieure, de monter par empilement les bagues de contact et les diverses rondelles isolantes. - I'embout du flasque d'extrémité peut être rapporté, fixé par plusieurs vis et posséder un épaulement contre lequel vient s'appuyer la bague interne du roulement du coupleur, la partie mobile du dit coupleur étant serrée contre la précédente pièce à l'aide d'un écrou, une partie cylindrique venant en prolongement permettant ainsi l'empilement des bagues de contact et de leurs rondelles isolantes des sorties de puissance. - I'embout du flasque peut posséder un alésage d'un diamètre suffisant pour ménager avec le prolongement, rapporté ou non, un espace concentrique permettant le moulage de résines isolantes aptes à assurer, par canaux intégrés, un guidage correct des conducteurs électriques provenant du stator, notamment, lors du montage. - I'évidement central et l'espace concentrique peuvent être pourvus de tubes isolants, afin de délimiter et canaliser le passage des différents conducteurs électriques, des bouchons permettant par ailleurs l'obturation de l'évidement central et de l'espace concentrique. - les parties cylindriques destinées à porter les bagues et leurs éléments isolants peuvent être pourvus de saignées, placées longitudinalement, de largeur et en nombre suffisants dans le but de permettre le passage des conducteurs électriques entre évidement central ou espace concentrique et les différentes bagues de contact. - les bagues de contact peuvent être montées sur des manchons isolants s'intercalant entre les parties cylindriques, supposées métalliques, et les dites bagues de contact, munis d'encoches longitudinales, les rondelles isolantes, s'appuyant sur l'extérieur des manchons, étant placées entre chaque bague de contact. - le flasque de stator, coté poulie, peut posséder un roulement de rotation indépendante de l'arbre d'induit afin de limiter la vitesse"et s15 la durée de rotation du dit roulement et, la charge du roulement d'arbre d'induit, donc de réduire ainsi les pertes de puissance et d'éviter l'usure prématurée de ces composants. Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente, en coupe longitudinale, le générateur selon lI'invention. La figure 2 représente, en coupe longitudinale, une variante d'une partie de ce générateur. La figure 3 est une vue, partielle et agrandie, d'un détail de la précédente variante. La figure 4 représente, en coupe agrandie, un autre détail de cette même variante. La figure 5 est une coupe rabattue à 90 en A-A du détail précédent. La figure 6 représente, en coupe, une autre variante de réalisation. En référence à ces dessins et tout d'abord à la figure 1, le générateur suivant l'invention comporte un induit (1), entraîné en rotation selon un axe X-X, possédant un arbre (2) qui, en partie opposée à la poulie (3) d'entraînement, est pourvu d'un prolongement (4) d'une certaine longueur et d'une entrée de liaison (5) radiale suivie d'un évidement central (6) restant présent jusqu'à l'extrémité 3s extérieure (7) du dit prolongement (4), o il débouche, dans le but d'assurer la continuité de passage des conducteurs électriques (8), venant des bobinages (9) de l'induit (1), jusqu'à des bagues de contact (10) placées à l'extérieur en extrémité du prolongement (4), des trous (11) permettant la liaison de l'évidement central (6) avec ces dites bagues de contact (10). Le générateur est, par ailleurs, pourvu d'un stator (12) qui possède, en correspondance, un flasque d'extrémité (13) muni d'un embout (14) évidé, afin de permettre, en son intérieur, d'une part, le passage de l'arbre (2) de l'induit (1) et de son prolongement (4), ainsi que le logement du roulement (1 5) du dit arbre (2), d'autre part, la création d'un espace concentrique (16) suffisant de manière à laisser le passage des conducteurs (17) de transmission de puissance, depuis les canaux de liaison (1 8), reliant l'intérieur du stator (1 2) à l'espace concentrique (1 6), jusqu'aux bagues de contact (1 9) montées extérieurement sur la partie dépassante (20) du dit embout (14), des trous (21) assurant la liaison entre l'espace concentrique (16) et les bagues de contact ( 1 9), cet embout (14) passant lui même, extérieurement, au travers d'un coupleur (22), de préfWrence électromagnétique et à poudre, très schématiquement représenté dfinl l o de ne pas alourdir la description, dont le roulement (23) permet également la rotation du stator (12) par rapport au support (24) auquel le coupleur (22) se trouve fixé. Cette mise à "l'extérieur" de l'ensemble des diverses bagues de contact (10) et (19) électriques permet, de réduire conséquemment s les dimensions des différents éléments constitutifs et en particulier le diamètre des bagues de contact (10) et (19) et, de ce fait, une diminution importante des vitesses de frottement, entre ces dites bagues de contact (10) et (19) et les balais (25) et (26), et, par ailleurs de pratiquer des visites d'entretien aisées, éventuellement, le remplacement de ces organes sans démontages annexes. On remarquera la turbine (27) de ventilation, plus ou moins hélicoïdale, permettant de créer une circulation intérieure d'air forcé, dans le sens des flèches, depuis les entrées (28) jusqu'aux sorties (29). Selon nécessités, I'ensemble tournant, induit (1) et stator (12), est englobé dans une enceinte fermée et étanche, variante non représentée de manière à éviter toute surcharge de texte, le support (24) étant muni d'une enveloppe circulaire adéquate laissant dépasser les éléments de liaison électriques, qui, ebx mêmes, sont, le cas échéant, protégés par un capotage, amovible à des fins de facilité d'entretien. Dans la forme de réalisation en variante, illustrée en figure 2, o les proportions des composants ont été sensiblement modifiées de manière à rendre le dessin plus lisible, le prolongement (4) précédent, de l'arbre (2) de l'induit (1), est préférentiellement réalisé par un axe creux (30) rapporté par vissage sur l'extrémité filetée (3 1) de l'arbre (2) de l'induit (1), la partie centrale du roulement (15) se trouvant serrée entre l'extrémité (32) de l'arbre creux (30) et l'épaulement de l'arbre (2). Par ailleurs, I'extrémité extérieure (33) de l'axe creux (30) est pourvue d'un épaulement (34), de rondelles (35) et d'un écrou (36) qui permettent de monter et serrer, par empilement, les bagues de contact (10) et les diverses rondelles (37) isolantes. On s'est abstenu de faire état et de porter en référence les éléments habituels de centrage permettant à l'axe creux (30) d'être et de rester dans un alignement parfait avec l'arbre (2) d'induit (1). L'embout (14) est également et avantageusement rapporté au flasque d'extrémité (1 3), fixé par plusieurs vis (38) centré par rapport au dit flasque d'extrémité (1 3) par une disposition à encastrement très habituelle que l'on ne décrira pas afin d'alléger le texte, et, possède préférentiellement un épaulement (39) contre lequel vient s'appuyer la bague interne du roulement (23) du coupleur o10 (22), la partie mobile (40) du dit coupleur (22), glissée, dnis l'exemple présenté, sur un même diamètre, étant serrée contre la précédente pièce à l'aide d'un écrou (41). Une partie cylindrique (42) vient prolonger cet embout (14) permettant, ainsi, contre l'écrou (41), l'empilement des bagues de contact (19) et des rondelles isolantes (43) de sortie de puissance, cet empilement étant lui même serré par un écrou (44). Dans une variante non représentée, afin de ne pas laisser les conducteurs électriques (8) et (1 7) au contact de parties métalliques ou de pièces en mouvement, I'embout (14) du flasque (13), en particulier, possède, de préférence, un alésage d'un diamètre suffisant pour ménager avec le prolongement (4), rapporté ou non, un espace concentrique (16) permettant le moulage de résines isolantes, aptes à assurer, par canaux intégrés, un guidage correct des conducteurs électriques (17) provenant du stator (12), notamment, lors du montage ou en fonctionnement. En variante, sans doute plus évidente à réaliser, comme on peut le voir en figures 2, 4 et 5, la liaison radiale (5) ainsi que l'évidement central (6) et l'espace concentrique (16), près du prolongement (4) ou de l'arbre creux (30), sont pourvus de tubes isolants (45) et (46), en matière PVC ou autres plastiques isolants, afin de délimiter et canaliser le passage des différents conducteurs électriques (8) et (17). On notera que, préférentiellement, des bouchons (47) et (48) permettent, par ailleurs, I'obturation de l'évidement central (6) et de I'espace concentrique (16), après montage, celui de l'espace concentrique (16) ayant la forme d'une bague anneau s'emmanchant entre l'alésage de l'embout (14) et l'extérieur du tube isolant (46). Selon un mode de réalisation pratique, plus représentatif, en figures 3, 4 et 5, la partie cylindrique (42) de l'embout (14), ainsi que la partie cylindrique (4D) de l'extrémité (33) de l'axe creux (30), destinées à porter les bagues de contact (10) et (19) et leurs éléments isolants, sont pourvues de saignées (50) placées longitudinalement, de largeur et en nombre suffisants, dans le but de remplacer les trous de liaison (11) et (21), et permettre le passage des conducteurs électriques (8) et (17) entre évidement central (6) ou espace concentrique (16) et les différentes bagues de contact (10) ou (19) respectives. On notera que ces saignées (50) débouchent sur l'extérieur, les parties filetées (51) prenant appui sur les bouchons (47) et (48) afin s qu'elles ne puissent se dérober lors du serrage des écrous (36) et (44). Selon un mode avantageux, mieux indiqué en figures 4 et 5, les bagues de contact (10) ou (19), en représentation toutefois!irni court circuit. Dans la forme préférentielle de montage, représentée en figure 6, le flasque (54) du stator (1 2), coté poulie (3), possède un roulement (55) de rotation indépendante de l'arbre (2) d'induit (1) afin de limiter la vitesse et la durée de rotation du dit roulci-.i (55) et par ailleurs la charge du roulement (56) d'arbre (2) d'induit (1), donc de réduire ainsi les pertes de puissance et d'éviter l'usure prématurée de ces composants essentiels. Ce générateur étant plus particulièrement destiné à des utilisations en environnement agressif (vents de sable, atmosphère saline, etc...), des dispositifs d'étanchéité, non représentés, sont, en version non étanche, postés aux endroits d'introduction vers les composants les plus vulnérables, tels que roulements (15), (23), (55) et (56), afin d'éviter une destruction rapide. La qualité de l'ensemble du générateur sera, bien entendu, très conditionnée par l'efficience de la résolution technique utilisée au niveau de la liaison électrique entre balais (25) et (26) et bagues de contact (10) et (19), et de l'entretien qui pourra être engagé. Nous nous contenterons seulement d'évoquer cet aspect particulier, la plupart des moyens adéquats existant dans le commerce. De même qu'en ce qui concerne la demande de brevet FR N 97 09850, le présent concept fait appel à un système d'assistance électronique succinct permettant de moduler et de gérer le courant d'alimentation du coupleur (22) en fonction de la fréquence ou (et) de la tension produite. Pour des installations éoliennes conséquentes, il sera sans doute opportun de faire intervenir des paramètres parallèles, tels que pression et vitesse de rotation de l'hélice, afin d'optimiser au mieux le rendement de l'ensemble. En fonctionnement, à une vitesse de rotation d'induit (1) de l'ordre de 1 500 tours/minute environ (50 pps), le coupleur (22), s alimenté par le système électronique simplifié (non représenté), maintient le stator (12) immobile par rapport au support (24) de sorte que le rendement général n'est affecté par aucun glissement, à un moment o l'énergie disponible ou produite par l'hélice éolienne, pour exemple, est relativement faible. A vitesse de rotation d'hélice maximum correspond par contre un glissement maximum, d'o une perte d'environ 4 % intervenant dans une plage de forte production, donc relatiMement négligeable dans la mesure o l'énergie produite est importante. Ce générateur est plus spécialement destiné aux capteurs d'énergie utilisant des sources très variables dans le temps, et plus spécifiquement aux aérogénérateurs munis d'hélices à vitesse de rotation variable en rapport avec les vitesses de vent existantes. REVENDICATIONS 1/ Générateur de courant électrique destiné à être entraîné à vitesses de rotation variables en conservant une tension et, ou, une fréquence pratiquement constantes, qui comporte, à cette fin, un induit ayant la possibilité d'entrer en rotation à l'intérieur d'un stator, cet induit et ce stator tournant eux mêmes de manière coaxiale sur un support fixe, un coupleur assurant une liaison de rotation entre le stator et le dit support fixe, caractérisé en ce qu'iL comporte un induit (1), entraîné en rotation selon un axe X-X, possédant un arbre (2) qui, en partie opposée à la poulie (3) o10 d'entraînement, est pourvu d'un prolongement (4) d'une certaine longueur et d'une entrée de liaison (5) radiale suivie d'un évidement central (6) restant présent jusqu'à l'extrémité extérieure (7) o il débouche, dans le but d'assurer la continuité I de passage des conducteurs électriques (8) venant des bobinages (9) de l'induit (1) is jusqu'à des bagues de contact (10) placées à l'extérieur en extrémité du prolongement (4), des trous (11) permettant la liaison de l'évidement central (6) avec les dites bagues de contact (10), le stator (12) possède un flasque (13) d'extrémité muni d'un embout (14) évidé, afin de permettre, en son intérieur, d'une part, le passage de l'arbre (2) d'induit (1) et de son prolongement (4) ainsi que le logement du roulement (1 5) du dit arbre (2), d'autre part, la création d'un espace concentrique (1 6) suffisant de manière à laisser le passage des conducteurs (1 7) de transmission de puissance, depuis les canaux de liaison (18), reliant l'intérieur du stator (1 2) à l'espace concentrique (16), jusqu'aux bagues de contact (19) montées extérieurement sur la partie dépassante (20) du dit embout (1 4), des trous (21) assurant la liaison entre l'espace concentrique (16) et les bagues de contact (19), cet embout (14) passant lui même, extérieurement, au travers un coupleur (22) dont le roulement (23) permet également la rotation du stator (12) par rapport au support (24) auquel le coupleur (22) se trouve fixé, cette mise à l'extérieur des diverses bagues de contact (10) et (19) permettant une diminution importante des vitesses de frottement entre les dites bagues de contact (10) et (19) et les balais (25) et (26), et des 3s visites d'entretien aisées. 2/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le prolongement (4) de l'arbre (2) de l'induit (1) est réalisé par un axe *reux (30) rapporté par vissage sur l'extrémité filetée (31) de l'arbre (2) de l'induit (1), la partie centrale du roulement (1 5) se trouvant serrée entre l'extrémité (32)de l'axe creux (30) et l'épaulement de l'arbre (2), par ailleurs, un autre épaulement (34), des rondelles (35) et un écrou (36) permettant, à l'extrémité extérieure, de monter par empilement les bagues de contact (10) et leurs rondelles isolantes (37). 3/ Générateur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'embout (14) du flasque d'extrémité (13) est s rapporté, fixé par plusieurs vis (38), et possède un épaulement (39) contre lequel vient s'appuyer la bague interne du roulement. (23) du coupleur (22), la partie mobile (40) du dit coupleur (22) étant serrée contre la précédente pièce à l'aide d'un écrou (41), unc artie cylindrique (42) venant en prolongement permettan i i in: - I'empilement des bagues de contact (19) et de leurs rondelles isolantes (43) de sortie de puissance. 4/ Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'embout (14) du flasque (13) possède un alésage d'un diamètre suffisant pour ménager avec le s15 prolongement (4), rapporté ou non, un espace concentrique (16) permettant le moulage de résines isolantes aptes à assurer, pal- canaux intégrés, un guidage correct des conducteurs électriques (1 7) provenant du stator (12), notamment, lors du montage. / Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évidement central (6) et l'espace concentrique (16) sont pourvus de tubes isolants (45) et (46), afin de délimiter et canaliser le passage des différents conductours électriques (8) et (17), des bouchons (47) et (48) permettant par ailleurs l'obturation de l'évidement central (6) et de l'espace concentrique (16). 6/ Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parties cylindriques (42) et (49) destinées à porter les bagues de contact (10) et (19) et leurs éléments isolants sont pourvues de saignées (50), placées longitudinalement, de largeur et en nombre suffisants dans le but de permettre le passage des conducteurs électriques (8) et (1 7) entre évidement central (6) ou espace concentrique (16) et les différentes bagues de contact (10) et (19). 7/ Générateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bagues de contact (10) et (19) sont montées sur des manchons isolants (52), s'intercalant entre les parties cylindriques (42) et (49), supposées métalliques, et les dites bagues de contact (10) et (19), munis d'encoches longitudinales (53), les rondelles isolantes (37) et (43), s'appuyant sur l'extérieur des - manchons isolants (52), étant placées entre chaque bague de contact (10) ou (19). 8/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flasque (54) de stator (12), coté poulie (3), possède un roulement (55) de rotation indépendante de l'arbre (2) d'induit (1) afin de limiter la vitesse et la durée de rotation du dit roulement (55) et, la charge du roulement (56) d'arbre (2) d'induit (1), donc de réduire ainsi les pertes de puissance et d'éviter l'usure prématurée de ces composants.