Brevet FR2802358A1 — publié le 20010615

La présente invention concerne les machines tournantes et se rap porte plus particulièrement aux machines à réluctance excitées. Dans le cadre du stockage électromécanique d'énergie, les machines électriques faisant office de moteur et de générateur sont généralement des structures classiques (synchrones à aimants permanents ou asynchrones). L'association de la fonction stockage, proprement dite, assurée par volant d'inertie, à la fonction moteur/générateur se fait de deux manières - découplée où le moteur/générateur correspond à un composant simplement rajouté de topologie des plus classiques ; - intégrée où la machine fait partie du volant d'inertie. Là aussi, machines utilisées sont de conception relativement classique. Concernant les topologies utilisées, celles-ci peuvent être les suivan tes - machine synchrone à réluctance variable pure, à champ magnétique radial et bobinage dans l'entrefer dont le guidage est assuré par des roulements à billes assistés par des paliers magnétiques (par exemple système Active Po- wer ) ; - machine synchrone à aimants permanents à champ radial ou axial et à bobinage dans l'entrefer ou à bobinage dans des encoches (diverses archi tectures) ; - machine asynchrone à bobinage dans des encoches et à rotor mas sif (par exemple système Japanese Flywheel ). Ces topologies ne comportent pas d'excitation réglable et certaines pièces ferromagnétiques sont fixes. Ces topologies présentent donc, trois incon vénients majeurs - l'existence de pertes en fonctionnement à vide (fonctionnement de stockage) d'où une autodécharge sensible (sauf pour la machine asynchrone et la machine à réluctance variable pure); - une faible souplesse de réglage des échanges d'énergie par le ré glage du courant inducteur; - un mauvais rendement à faible charge. L'invention vise à créer un moteur/générateur électromagnétique pour le stockage électromécanique de l'énergie électrique à très haut rendement en particulier à faible autodécharge, qui soit intégrable à un volant d'inertie. A cet effet, la machine doit répondre simultanément aux critères sui vants - faibles pertes en fonctionnement à vide, c'est-à-dire sans courant ce qui doit se traduire par une absence de pertes magnétiques dans le fer et dans le bobinage et très peu de pertes mécaniques, - pas de pertes au rotor malgré des hautes vitesses de rotation (vitesse périphérique proche de celle du volant d'inertie), - pas de perturbation des paliers magnétiques par des forces parasi tes, - réglage indépendant du flux inducteur pour un meilleur contrôle échanges d'énergie et un meilleur facteur de puissance (puissance apparente minimale du convertisseur électronique associé), - bonne intégration à un volant d'inertie. L'invention a donc pour objet une machine électrique formant moteur ou génératrice comprenant une partie fixe et une partie mobile, caractérisée en ce que l'une des parties fixe et mobile est passive et comprend deux pièces en matériau ferromagnétique définissant entre elles un intervalle régulier, une au moins desdites pièces en matériau ferromagnétique étant pourvue d'ouvertures et lesdites pièces étant reliées entre elles par une pièce de liaison également en matériau ferromagnétique et l'autre desdites parties fixe et mobile comporte un bobinage d'induit polyphasé générant un champ glissant ainsi qu'un bobinage inducteur centralisé alimenté par un courant continu, lesdits bobinages d'induit et inducteur étant disposés dans un entrefer défini par l'intervalle régulier. Suivant d'autres caractéristiques - le rotor est un rotor passif comprenant deux pièces de révolution coaxiales en matériau ferromagnétique dont au moins une est pourvue d'ouvertures et reliées entre elles par une pièce de liaison coaxiale aux deux pièces de révolution également en matériau ferromagnétique et le stator com porte, disposés dans un entrefer défini par l'intervalle régulier ménagé entre les deux pièces de révolution, un bobinage d'induit fixe générant champ tournant ainsi qu'un bobinage inducteur également fixe, - toutes les pièces ferromagnétiques sont tournantes - le rotor est composé de deux disques ferromagnétiques dont au moins un est denté, - les disques tournants sont calés sur un arbre en matériau ferroma gnétique, - les bobinages d'induit et inducteur fixes sont disposés dans l'espace entre les disques, - le bobinage d'induit est un bobinage polyphasé dont les phases sont disposées dans un même plan ou selon des plans superposés dans l'entrefer ménagé par les disques dentées tournants, - les phases du bobinage d'induit sont formées de spires décalées angulairement et régulièrement réparties selon la périphérie de la machine, - le bobinage inducteur est disposé autour de l'arbre et entouré par le bobinage d'induit, - le bobinage inducteur est un bobinage global fixe en forme de solé noïde, - le rotor comporte un arbre entouré par deux cylindres en matériau ferromagnétique coaxiaux pourvus de dents et d'échancrures régulièrement ré parties à une de leurs extrémités et un flasque de liaison en matériau ferroma gnétique, - le rotor comporte un arbre entouré par deux cylindres en matériau ferromagnétique pourvus de trous régulièrement répartis à une de leurs extrémi tés et un flasque de liaison en matériau ferromagnétique, - le cylindre intérieur en matériau ferromagnétique est confondu avec l'arbre du rotor, - la partie fixe comporte un rail en matériau ferromagnétique compre nant des parois latérales pourvues d'ouvertures régulièrement réparties sur sa longueur et la partie mobile comporte un support en matériau amagnétique, por tant un bobinage d'induit et un bobinage inducteur disposés dans un entrefer défini par l'intervalle régulier entre les parois latérales, - les ouvertures prévues dans les parois latérales du rail sont des échancrures séparant des dents dudit rail, - les ouvertures prévues dans les parois latérales rail sont des trous ménagés à intervalles réguliers dans lesdites parois latérales. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.1 est une vue en élévation et en coupe de la machine électri que associée à son volant d'inertie suivant l'invention ; - la Fig.2 est une vue de dessus, avec arrachement partiel de la ma chine de la figure 1 ; - la Fig.3 est une vue schématique du bobinage d'induit de la machine suivant l'invention ; - la Fig.4 est une vue schématique développée lineairement d'une structure élémentaire de la machine suivant l'invention ; - la Fig.5 est un diagramme montrant la variation du flux inducteur embrassée par deux spires de la structure de la Fig.4 en fonction de la position du rotor de la machine suivant l'invention ; - les Figs.6a et 6b sont des diagrammes représentant les cycles de conversion d'énergie de la machine suivant l'invention dans deux cas d'alimenta tion en courant d'induit sinusoïdal ou en créneaux ; - la Fig.7 est un diagramme montrant les perméances P1 et P2 vues respectivement par les deux spires de la structure de la Fig.4 fonction de la position du rotor ; - la Fig.8 est une vue en élévation et en coupe d'une machine suivant l'invention de forme générale cylindrique ; - la Fig.9 est une vue en coupe transversale de machine de la Fig.8 ; - la Fig.10 est une demi-vue en élévation et en coupe d'une variante de la machine de la figure 8 ; - la Fig.11 est une vue schématique développée de la machine de la Fig.10 ; - la Fig.12 est une vue schématique en perspective d'une machine électrique linéaire suivant l'invention ; - la Fig.13 est une vue schématique montrant la circulation courant dans la machine de la Fig.12 ; et - la Fig.14 est une vue schématique en coupe transversale d'une va riante de la machine électrique linéaire de la Fig.12. La machine représentée à la figure 1 comporte un boîtier 1 formé d'un premier flasque 2 supportant un palier inférieur 2a pour la rotation arbre 3 et sur lequel est monté un tube 4 définissant la paroi latérale du boîtier 1 un se cond flasque 5 formant couvercle et supportant un palier supérieur 5a. Sur l'arbre 3 sont montés deux disques dentés 8, 9 comprenant cha cun quatre dents 10 (Fig.2) séparées par des échancrures 1 Oa. Le disque inférieur 8 est solidaire d'un volant d'inertie 11 qui, dans cet exemple est de forme cylindrique. Dans l'espace 12 ménagé entre les disques 8,9 est disposé bobi nage d'induit plat réparti 13 entourant un bobinage inducteur global 14 en forme de solénoïde. Le bobinage inducteur 14 est disposé entre les deux disques dentés 8,9, de manière à entourer l'arbre 3, avec un jeu mécanique 15. Le bobinage d'induit 13 est formé de spires décalées angulairement et régulièrement réparties. Ainsi qu'on le voit à la figure 1, les trois phases P1, P2 et du bobi nage d'induit 13 sont disposées selon trois plans superposés les uns autres. Elles peuvent également être disposées dans un même plan. Le bobinage d'induit est composé d'un bobinage polyphasé fixe, tri phasé dans le présent exemple. Le bobinage donné à titre d'exemple à la figure 3 est un bobinage pour moteur/génératrice â quatre paires de pôles. On voit sur cette figure, les trois phases P1, P2, P3 du bobinage ré parties uniformément suivant sa périphérie. Le principe de fonctionnement de la machine suivant l'invention re pose sur la commutation de flux. L'alternance de flux d'excitation vue par phase du bobinage d'induit fixe est obtenue à partir d'une excitation par courant continu et par le dé placement du circuit réluctant pur. Afin d'illustrer ce fonctionnement, on va considérer une structure élé mentaire représentative montrée sur la figure 4 composée dents magnétiques 20, d'encoches 21 et de spires élémentaires 22,23. L'entrefer magnétique 12 déterminé par le jeu mécanique entre les dents magnétiques 20 augmenté de la hauteur des spires 22,23, est magnétisé à vide par un bobinage d'excitation qui, sur la figure 4 est représenté par la diffé rence de potentiel d.d.p magnétique aux bornes des deux rotors dentés 8,9 (Fig.1). La variation du flux inducteur dans les spires 22 et 23 est représentée à lafigure 5. Ainsi le flux inducteur total vu par les deux spires en série de l'agencement de la figure 4, formant le bobinage d'induit correspond à la diffé rence des flux des deux spires. FLUX = FLUX 1 - FLUX 2 Il est alternatif de composante moyenne nulle. A partir de cette variation du flux inducteur total, on peut représenter les caractéristiques extrêmes du cycle de fonctionnement du dispositif dans le plan flux - ampères-tours . On obtient ainsi la forme des figures 6a et 6b, la figure 6a représen tant le courant d'induit d'alimentation d'une phase (sinusoïdal ou en créneaux) synchronisé avec la force-électromotrice de cette même phase, la figure 6b montrant la variation du flux en fonction des ampères-tours. L'aire du cycle ainsi décrit est égale à l'énergie convertie par période d'alimentation. En ce qui concerne l'effet de réluctance variable, on peut montrer que ce dernier est négligeable dans cette structure. En effet, sur la figure 7, on a représenté la variation des perméances de chaque spire élémentaire présentée précédemment ainsi que la perméance totale qui représente la perméance d'une phase du bobinage d'induit et est égale à la somme des perméances élémentaires. Pour une répartition sinusoïdale, en fonction de la position du rotor des perméances élémentaires, la perméance totale est constante. Pour une répartition différente, elle est peu variable comme l'illustre figure 7 et comme on a pu le constater par calcul par éléments finis et lors de l'expérimentation. On notera cependant que si la perméance totale d'une phase n'est pas constante et donc dépendante de la position du rotor, il existe un couple supplémentaire dit réluctant résultant d'un couplage du champ magnétique induit avec le circuit magnétique. La structure de moteur/générateur suivant l'invention combine quatre aspects fondamentaux, à savoir - rotor passif ne comportant ni aimant, ni bobinage, donc mécanique ment très robuste supportant des hautes vitesses de rotation, - pas d'efforts parasites rendant ainsi le système compatible avec les paliers magnétiques, - réglage indépendant du flux inducteur, - toutes les pièces ferromagnétiques sont tournantes et voient donc un champ magnétique constant, en conséquence de quoi les pertes fer sont nulles. Grâce à l'invention, il est possible d'allonger sensiblement la durée de stockage d'énergie et d'envisager de ce fait un stockage électromécanique à très grande autonomie. Le coût du dispositif suivant l'invention est également très bas en rai son de sa grande simplicité de construction et de l'utilisation de matériaux peu coûteux. Le dispositif suivant l'invention présente par ailleurs les particularités suivantes - très peu de pertes à vide car pas de perte magnétique à vide seulement des pertes aérodynamiques (celles-ci sont néanmoins très réduites la pression est faible grâce à un vide partiel), - facilité d'étanchéité, - réglage indépendant de l'excitation ce qui donne un degré de liberté supplémentaire dans le réglage du transfert d'énergie, - efforts parasites axiaux ou radiaux négligeables entre les parties mobiles et les parties fixes, - les vibrations sont négligeables, - excellente compatibilité avec les paliers magnétiques, - intégration aisée de paliers magnétiques, - topologie entièrement ou partiellement intégrable à un volant d'inertie. Les domaines d'application du dispositif suivant l'invention concernent le stockage électromécanique d'énergie électrique pour - des consommateurs non connectés au réseau de distribution et ali mentés par des énergies renouvelables telles que l'énergie photovoltaïque, éo lienne ou autre ; - des consommateurs reliés au réseau de distribution afin d'assurer un lissage de la consommation, d'assurer une autonomie en cas de coupure et une possibilité de production d'électricité par sources d'énergie renouvelables. L'invention permet d'avoir un dispositif de stockage à très grand nom bre de cycles de charge-décharge d'une très faible auto-décharge, de permettre un recyclage du produit aisé en fin de vie et enfin un produit de construction rela tivement simple composé de matériaux à faible coût tels que l'acier, cuivre et autre. La machine représentée à la Fig.8 est une variante de la machine dé crite en référence aux figures 1 à 4. Elle comporte un arbre creux 30 monté à rotation par l'intermédiaire d'un roulement 32 dans un flasque fixe 34 en matériau amagnétique portant un bobinage d'induit polyphasé 36 dont les trois phases P1,P2,P3 sont réalisées selon trois cylindres coaxiaux entourant l'arbre 30. A l'extrémité du bobinage d'induit 36 opposée au flasque amagnétique 34 est disposé un bobinage inducteur fixe 38. Les bobinages d'induit et inducteurs 36,38 sont disposés dans l'entrefer défini par un intervalle 40 ménagé entre deux cylindres matériau ferromagnétique coaxiaux, dentés 41,42 et mobiles en rotation avec l'arbre 30, réunis par un flasque 43 en matériau ferromagnétique. Le cylindre denté 41 et le flasque 43 sont portés par l'arbre 30. Selon une variante, le cylindre intérieur 43 peut être confondu avec l'arbre 30 qui est alors en matériau magnétique. Les cylindres dentés 41 et 42 comportent des dents respectives 41 a,42a qui, comme représenté à la figure 9 sont au nombre de trois dans le présent exemple et sont séparées par des encoches respectives 41 b, 42b. L'arbre 30, les cylindres 41,42 et le flasque 43 forment le rotor de la machine. Les bobinages d'induit 36 et inducteur 38 portés par le support ama- gnétique 34 forment le stator de la machine. La machine représentée à la figure 10 est semblable à celle décrite en référence aux figures 8 et 9 à l'exception du fait qu'au lieu de comporter des dents et des encoches, ses cylindres 41,42 comportent des trous 41c,42c régu lièrement répartis à leur périphérie. Le rôle des trous 41 c,42c est le même que celui des encoches 41 b,42b dans le mode de réalisation de la figure 8. Cette variante de la machine suivant l'invention est adaptée pour re cevoir un élément cylindrique creux de stockage d'énergie 44 composé de mate- riau à haute résistance mécanique (HRM) du type métal à HRM ou fibres de - bone ou encore fibres de verre. Sur la figure 11, on a représenté une vue développée de la machine de la figure 10. On voit sur cette figure la circulation des courants de l'induit i1 i3 dans les trois phases P1, P2, P3 du bobinage d'induit décalées les unes par port aux autres à intervalles réguliers. La figure 12 est une vue schématique en perspective d'une machine linéaire suivant l'invention. Cette machine comporte un rail 50 en matériau ferromagnétique formé par exemple d'une semelle horizontale 52 et de deux plaques latérales verticales 53,54 pourvues de dents 53a,54a séparées par des encoches 53b,54b. En supposant pour le besoin de la description que le rail 50 est fixe, la machine comporte en outre un support amagnétique mobile 56 horizontal qui porte un bobinage d'induit vertical 58 s'étendant dans un entrefer 60 ménagé par l'intervalle entre les plaques latérales 53,54 du rail 50 et auquel est associe un bobinage inducteur 62. Le bobinage d'induit 58 est polyphasé, triphasé dans le présent exemple et comme représenté sur la figure 13, entouré par le bobinage induc- teu r. L'ensemble formé par le support amagnétique 56, le bobinage d'induit 58 et le bobinage inducteur est mobile en translation par rapport au rail 50. On peut cependant envisager une machine dont le bobinage d'induit, et le bobinage inducteur solidaires de leur support seraient fixes et dont le rail en matériau ferromagnétique serait mobile. Ainsi qu'on le voit à la figure 13,les courants i1,i2,i3 des trois phases P1,P2,P3 de l'induit se comportent dans la machine linéaire de la figure 12 la même manière que dans la machine tournante des figures 8 ou 10. La machine représentée schématiquement à la figure 14 est en tous points semblable à la machine linéaire décrite en référence aux figures 12 13 à l'exception du fait qu'au lieu de comporter des dents et des encoches comme la machine de la figure 12, elle comporte dans les plaques ferromagnétiques la térales 53,54 des trous 53b,54b disposés â intervalles réguliers. Ainsi, l'invention s'applique aussi bien à des machines à champ axial de topologie discoïde telle que celle utilisée pour le stockage d'énergie, qu des machines à champ magnétique radial, du type cylindrique, ou à champ transver sal telles que les machines à déplacement linéaire. Dans ces machines, toutes les pièces ferromagnétiques voient un champ magnétique constant. Dans les machines autres que les machines à déplacement lineaire, les bobinages d'induit et inducteur sont fixes. Les bobinages d'induit et inducteur se trouvent dans l'entrefer défini dans l'espace entre les éléments ferromagnétiques formés par les disques fer romagnétiques pour la machine discoïde, les cylindres ferromagnétiques pour la machine cylindrique et les plaques ferromagnétiques pour la machine linéaire. Le flux inducteur de la machine est réglable. Le bobinage d'induit est polyphasé et génère un champ tournant dans une machine tournante ou un champ glissant dans une machine linéaire. Le bobinage inducteur est centralisé et alimenté par un courant conti nu. REVENDICATIONS . Machine électrique formant moteur ou génératrice comprenant une partie fixe une partie mobile, caractérisée en ce que l'une parties fixe et mobile (4, 8,9 ; 34,36,41,42 ; 50,56,58) est passive et comprend deux pièces (8,9 ; 41 ; 53,54) en matériau ferromagnétique définissant entre elles un inter valle régulier (12 ;40 ;60), une au moins desdites pièces en matériau ferroma gnétique ;41,42 ;53,54) étant pourvue d'ouvertures (10a 42b ;41c,42c ; 53b,54b , ,54c) et lesdites pièces étant reliées entre elles une pièce de liaison (3 ;52) également en matériau ferromagnétique l'autre desdites parties fixe mobile comporte un bobinage d'induit (13 ;36 ;58) polyphasé géné rant un champ glissant ainsi qu'un bobinage inducteur centralise ;38 ;62) ali menté par courant continu, lesdits bobinages d'induit et inducteur étant dispo- sés dans entrefer défini par l'intervalle régulier (12 ;40 ;60). 2. Machine tournante suivant la revendication 1, comprenant un stator et un rotor, caractérisée en ce que le rotor (3 ,8,9 ;30,41,42,43) un rotor pas sif comprenant deux pièces de révolution coaxiales (8,9 ;41,42) en matériau fer romagnétique dont au moins une est pourvue d'ouvertures Oa ;41b ;42b ; 41 c,42c) reliées entre elles par une pièce de liaison (3 ;43) coaxiale aux deux pièces révolution également en matériau ferromagnétique stator com porte, disposés dans un entrefer défini par l'intervalle régulier ménagé entre les deux pieces de révolution, un bobinage d'induit fixe (13 ;36) génerant un champ tournant ainsi qu'un bobinage inducteur (14 ;38) également fixe. -3. Machine tournante suivant la revendication 2, caractérisée en ce que toutes les pièces ferromagnétiques (3,6,8,9 ;41,42,43) sont tournantes. 4. Machine tournante suivant les revendications 2 caractérisée en ce que le rotor est composé de deux disques ferromagnétiques (8,9) dont au moins un est denté. 5. Machine tournante suivant les revendications 2 à caractérisée ce que les disques tournants (8,9) sont calés sur un arbre (3) en materiau ferroma gnétique. 6. Machine tournante suivant les revendications 2 à 5, caractérisée ce que les bobinages d'induit (13) et inducteur (14) fixes sont disposés dans l'es pace (12) entre les disques (8,9). 7. Machine tournante suivant l'une des revendications 2 à 4, caractéri sée en ce que le bobinage d'induit (13) est un bobinage polyphasé dont les pha ses (P1, P2, P3) sont disposées dans un même plan ou selon des plans super posés dans l'entrefer (12) ménagé par les disques dentées (8,9) tournants. 8. Machine suivant l'une des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que les phases (P1,P2,P3) du bobinage d'induit (13) sont formées de spires dé calées angulairement et régulièrement réparties selon la périphérie la ma chine. 9. Machine suivant l'une des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que le bobinage inducteur (14) est disposé autour de l'arbre (3) et entouré par le bobinage d'induit (13). 10. Machine suivant l'une des revendications 2 à 9, caractérisee en ce que le bobinage inducteur (14) est un bobinage global fixe en forme de solé noïde. 11. Machine suivant la revendication 2 , caractérisée en ce que le rotor comporte un arbre (30) entouré par deux cylindres en matériau ferroma gnétique (41,42) coaxiaux pourvus de dents (41 a,42a) et d'échancrures (41 b,42b) régulièrement réparties à une de leurs extrémités et un flasque de liai son (43) en matériau ferromagnétique. 12. Machine suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le rotor comporte un arbre (30) entouré par deux cylindres en matériau ferromagnétique (41,42) pourvus de trous (41 c,42c) régulièrement répartis à une de leurs extré mités et un flasque de liaison (43) en matériau ferromagnétique. 13. Machine suivant l'une des revendications 11 et 12, caractérisée en ce que le cylindre intérieur (41) en matériau ferromagnétique est confondu avec l'arbre (30) du rotor. 14. Machine électrique suivant la revendication 1, de type à déplace ment linéaire, caractérisée en ce que la partie fixe comporte un rail (50) en ma tériau ferromagnétique comprenant des parois latérales (53,54) pourvues d'ouvertures (53b,54b ; 53c,54c) régulièrement réparties sur sa longueur et la partie mobile comporte un support (56) en matériau amagnétique, portant un bo binage d'induit (58) et un bobinage inducteur (62) disposés dans un entrefer dé fini par l'intervalle régulier (60) entre les parois latérales (53,54). 5. Machine électrique suivant la revendication caractérisée en ce que les ouvertures prévues dans les parois latérales (53,54) rail (50) sont des échancrures (53b,54b) séparant des dents (53a,54a) dudit rail. 6. Machine électrique suivant la revendication 1 caractérisée en ce que les ouvertures prévues dans les parois latérales (53,54) rail (50) sont des trous (53c,54c) ménagés à intervalles réguliers dans lesdites parois latérales.