Brevet FR2817404A1 — publié le 20020531

La présente invention concerne une machine électrique rotative spécialement conçue pour travailler dans le vide, et plus particulièrement pour être montée sur un volant de stockage d'énergie. Le stockage d'énergie par volant est une technologie bien connue, même si elle n'est pas utilisée de façon courante. Elle présente pourtant de nombreux avantages si on la compare à la technologie de stockage la plus utilisée: la batterie électrochimique. En particulier un volant peut être inusable, alors que la durée de vie d'une batterie est extrêmement courte en terme de nombre de cycles: quelques milliers tout au plus. Le rendement d'un volant peut être excellent, alors que celui d'une batterie est de l'ordre de 50%. Il serait donc très avantageux de pouvoir disposer de volants de stockage d'énergie en remplacement des batteries. Mais il s'avère que les machines électriques (moteur et/ou générateur) qui ont été proposées jusqu'ici pour relier le volant à l'extérieur ne sont pas satisfaisantes. La contrainte la plus importante vient du fait qu'un volant doit tourner dans une 1 5 atmosphère raréfiée pour ne pas dissiper son énergie en frottements, alors que la plupart des machines électriques sont conçues pour tourner dans l'air. Cela interdit d'utiliser les machines à collecteur tournant, car il est connu que la durée de vie d'un collecteur dans le vide est très réduite. Cela interdit aussi les machines avec des conducteurs au rotor, car il serait impossible d'évacuer la chaleur produite par l'effet Joule. Certains ont proposé des machines à aimants permanents au rotor, mais ces machines ont deux inconvénients majeurs: leurs pertes à vide sont très élevées, et la tension qu'elles produisent varie avec la vitesse de rotation. Récemment la société américaine Active Power a mis sur le marché une machine de technologie homopolaire, décrite par exemple dans le brevet américain US 5 969 457. Dans cette technologie, une bobine coaxiale avec le volant est parcourue par un courant continu qui crée un champ magnétique permanent d'excitation à travers le volant (qui doit être magnétiquement perméable) et le stator. Des dents sont taillées dans le volant pour concentrer le champ magnétique. Il suffit de placer des bobines induites face aux dents pour obtenir une tension alternative. Cette machine résout les problèmes précédents, mais elle a encore des inconvénients: le volant ne peut pas être optimisé pour le stockage d'énergie puisqu'il a un rôle électrique; le volant étant massif, les variations du champ magnétique dans les dents créent des courants de Foucault qui dissipent de l'énergie et échauffent le volant. :2- La présente invention a pour objet de proposer une machine électrique rotative spécialement conçue pour travailler dans le vide, et plus particulièrement pour être montée sur un volant de stockage d'énergie. La machine électrique rotative de l'invention est essentiellement caractérisée en ce que son rotor comporte une pluralité de dents en matériau ferromagnétique divisé, mais ne comporte ni conducteur ni aimant permanent, en ce que son stator comporte une pluralité de dents en matériau ferromagnétique divisé, en ce que chaque dent du stator est entourée d'une bobine, en ce qu'une partie des bobines est excitée par un courant produit par une unité de commande et de puissance, et en ce que l'autre partie des bobines produit une tension induite10 utile lorsque le rotor tourne. Dans des modes de réalisation préférés, on peut avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - les dents du rotor sont indépendantes les unes des autres; - le courant excitant une partie des bobines est réglé en fonction de la vitesse de rotation de la machine et de la tension de sortie désirée; - la réluctance totale du circuit magnétique entourant l'ensemble des bobines qui sont excitées par le courant reste sensiblement constante durant la rotation du rotor; - les dents au rotor sont au nombre de quatre et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ soixante degrés, les dents au stator sont au nombre de douze, et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ trente degrés, une bobine sur deux est excitée par le courant et les six autres bobines sont groupées deux par deux pour former trois phases; - les trois phases à fréquence variable sont transformées en une ou plusieurs phases à fréquence fixe par un cycloconvertisseur; - les trois phases à fréquence variable sont redressées en tension continue, qui est transformée en une ou plusieurs phases à fréquence fixe par un onduleur; - les dents au rotor sont au nombre de trois et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ soixante degrés, les dents au stator sont au nombre de quatre, et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ quatre-vingt dix degrés, deux bobines diamétralement opposées sont excitées par un courant et les deux autres bobines sont groupées pour former une phase; - la machine est installée sur un volant qui présente deux renflements, respectivement au centre et à la périphérie, et un amincissement entre les deux renflements, le rotor est fixé sur l'un des deux renflements, et le stator est placé dans l'amincissement; - les dents au rotor sont isolées thermiquement du volant. -3 - Les dessins annexés illustrent l'invention: - la figure 1 représente une vue schématique d'un système de production d'électricité comportant un volant de stockage et la machine électrique rotative de l'invention; - la figure 2 représente une vue de dessus axiale et une coupe radiale de la machine électrique rotative de l'invention; - la figure 3 représente une partie agrandie de la figure 1 pour montrer en détail les dispositions de refroidissement de la machine. L'invention va maintenant être décrite dans un mode de réalisation préférentiel, mais non limitatif, à l'aide des dessins. La figure 1 représente une vue schématique d'un système de production d'électricité comportant un volant de stockage et la machine électrique rotative de l'invention. Ce système est décrit en détail dans la demande de brevet français N 00 02286 du 23 février 2000, et seuls ses principaux éléments sont repris ici. Un ensemble moteur/générater té ( s composé d'un moteur thermique (2), d'un variateur de vitesse mécanique (3), d'un embrayage (4), d'un v-olant (5), d'un g-éatr (6) -la lachile de l'inveltiorl- et d'ue unité de commande et de puissance (7). Le volant (5) tourne dans une enceinte sous vide (8). L'ensembie moteur/générateur (i) ainsi que le moteur thermique (2) sont montés sur des supports antivibratoires (9). L'unité de commande et de puissance (7) commande le variateur de vitesse mécanique (3), à l'aide d'un moteur électrique (10), l'embrayage (4) et le générateur (6). L'unité de commande et de puissance (7) reçoit la puissance électrique du générateur (6) et la transforme en une tension électrique conforme aux attentes de l'utilisateur.25 Le volant (5) présente une forme à deux renflements, l'un au centre (11), l'autre en périphérie (12), avec un amincissement (13) entre les deux renflement (11, 12). Le rotor (14) du générateur (6) est fixé sur l'un des deux renflements (11, 12), et le stator (15) est placé au niveau de l'amincissement (13). L'avantage de ce mode de réalisation est que le générateur (6) est ainsi parfaitement intégré dans le volant (5): le rotor (14) est à un endroit o sa fixation est facile et o il est bien soutenu par la structure du volant (5) le stator (15) vient s'insérer dans un emplacement disponible, si bien que l'encombrement de l'ensemble volant/générateur (5, 6) est identique à celui du volant (5) seul. Ces considérations sont tres importantes, car les solutions connues auparavant présentaient de nombreux inconvénients: si le générateur (6) est distinct du volant (5), l'encombrement axial devient très important, et il faut ajouter des paliers et un accouplement; si le générateur (6) est intégré à la périphérie -4- du volant (5), l'encombrement radial devient très grand et le rotor (14) est soumis à une force centrifuge inacceptable; enfin si le générateur (6) est intégré au centre du volant (5), il faut percer ce dernier, ce qui augmente la contrainte et donc nécessite un volant (5) plus lourd. La figure 2 représente une vue schématique détaillée du générateur (6) de la figure 1 pour un mode de réalisation préférentiel. Le circuit magnétique est réalisé en matériau ferromagnétique convenant aux hautes fréquences, c'est-à-dire divisé et non massif: il peut s'agir de tôles minces découpées et empilées, ou de poudre frittée. Le rotor (14) est constitué de quatre dents (16) ayant la forme d'un secteur angulaire s'étendant sur environ 60 . Ces dents (16) sont indépendantes les unes des autres afin que pendant la rotation à vitesse élevée elles ne soient pas soumises à une contrainte trop importante, ce qui risquerait de se produire si elles étaient réunies dans une couronne monobloc. Le stator (15) est constitué d'une couronne comportant douze dents (17), s'étendant chacune sur un peu moins de 30 . La base des dents (17) est amincie afin de ménager de l'espace pour enrouler une bobine (18) autour de chacune d'elles. Une bobine (18) sur deux est parcourue par un courant d'excitation imposé par l'unité de commande et de puissance (7). Les bobines (18) d'excitation sont branchées de façon alternée, c'est-à-dire produisent un champ magnétique alternativement vers l'extérieur et vers l'intérieur de la dent (17), comme indiqué par les flèches sur la figure. Les autres bobines (18) sont soumises à une tension induite alternative provoquées par le passage des dents (16) devant les dents (17) lors de la rotation du rotor (14). Ces bobines (18) de réception sont branchées deux à deux (les bobines diamétralement opposées étant reliées ensemble), de façon à former trois phases U, V, W, comme indiqué sur la figure. Le courant d'excitation est le plus généralement de type continu, et il est régulé pour que la tension de sortie soit constante. En effet, pour un courant donné, la tension induite par la rotation du rotor (14) varie avec la vitesse de rotation. Si la demande est très faible, il est même possible d'arrêter le courant d'excitation, ce qui conduit à des pertes totalement nulle dans le générateur (6). On obtient finalement un générateur (6) triphasé parfaitement adapté au montage sur un volant (5) de stockage d'énergie. En effet, les seules pertes au rotor (14) sont dues au champ magnétique variable dans les dents (16). Comme on a pris soin de réaliser ces dents (16) en un matériau à faibles pertes, et que l'on régule le champ d'excitation en fonction des besoins, on a les pertes les plus faibles qu'il est possible d'avoir. Dans le cas d'un générateur (6) triphasé à tension régulée comme celui de la figure 2, on peut avantageusement utiliser pour l'unité de commande et de puissance (7) la technologie du cycloconvertisseur, qui offre l'avantage d'un bien meilleur rendement que la technologie classique consistant à redresser puis à onduler la tension produite. Une autre -5- possibilité est de faire varier le courant d'excitation périodiquement, à la fréquence de la tension désirée par l'utilisateur, de façon à produire directement une tension de sortie variant à la bonne fréquence, qu'il suffit de redresser pour éliminer la haute fréquence due à la rotation. -5 O, peut facilement réaliser un générateur (6) monophasé sur le même principe (non représenté). Il sera plus économique, avec seulement trois dents (16) au rotor (14) et quatre dents (17) au stator (15), mais en contrepartie la tension qu'il produira aura beaucoup plus d'ondulations une fois redressée. On peut remarquer une caractéristique importante du générateur (6) de la figure 2: la réluctance totale du circuit magnétique entourant l'ensemble des bobines (18) qui sont excitées par le courant reste sensiblement constante durant la rotation du rotor (14), parce que la surface totale des dents (16) qui leur font face reste elle-même sensiblement constante. Autrement dit, quand une dent (17) d'une bobine (18) d'excitation est découverte par une dent (16), une autre dent (17) est recouverte de la même quantité. Cela simplifie beaucoup la commande du courant d'excitation, car il n'y a pas de variation cyclique à compenser pendant la rotation du rotor (14). Une autre disposition intéressante du générateur (6) est que l'on peut très facilement isoler thermiquement le rotor (14) du volant (5), comme représenté sur la figure 3. Il suffit d'interposer une faible épaisseur de matériau isolant (20), comme par exemple de l'acier inoxydable ou de la matière plastique. Comme le rotor (14) est la seule partie tournante o de la chaleur est produite, sa température va devenir nettement plus élevée que celle du volant (5), ce qui offre l'avantage d'éviter que dernier devienne trop chaud. Il est nettement moins gênant que le rotor (14) devienne chaud; au contraire, une température élevée augmente sa résistivité, ce qui réduit les pertes, et augmente le rayomnnement, qui est le seul25 mode de refroidissement dans le vide. On peut augmenter encore le refroidissement par rayonnement en plaçant sur le rotor (14) une plaque d'appui (21) en étroit contact thermique, ce qui augmente la capacité calorifique et la surface d'émission. Face à la plaque d'appui (21), on peut placer sur le carter du volant (5) un radiateur (22) recueillant le rayonnement et l'évacuant dans l'air par des ailettes. On peut voir aussi sur la figure 3 le refroidissement du stator (15) à l'aide d'un circuit d'eau (19), si la puissance à dissiper est importante. Si la puissance est faible, la conduction vers le carter du volant (5) peut suffire. Une autre disposition intéressante consiste à réaliser une unité de commande et de puissance (7) qui soient réversible, c'est-à-dire capables de transmettre de l'énergie vers le volant (5) à travers le générateur (6) , qui se comporte alors comme un moteur. Le générateur (6) de la figure 2 peut tout à fait fonctionner en moteur, à condition d'être commandé correctement. Il justifie donc le titre de l'invention: " machine électrique rotative ". Ainsi, si -6- le système est raccordé à d'autres sources d'électricité, le volant (5) peut servir à stocker l'énergie qu'ils produisent. Cela est particulièrement intéressant avec des sources d'énergie renouvelables comme le soleil et le vent, dont les moments de production ne correspondent pas aux moments de consommation. 5 En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on obtient une machine électrique rotative spécialement conçue pour travailler dans le vide, et plus particulièrement pour être montée sur un volant de stockage d'énergie. Comme il va de soi, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. -7- LISTE DES REFERENCES 1. ensemble moteur/générateur 13.amincissement 2. moteur thermique 14. rotor 3. variateur de vitesse mécanique 15.stator 4. embrayage 16.dent du rotor 5. volant 17.dent du stator 6. générateur 18.bobine 7. unité de commande et de puissance 19.circuit d'eau 8. enceinte sous vide 20. matériau isolant 9. support antivibratoire 21.plaque d'appui 10.moteur électrique 22.radiateur 1 l.renflement central 12.renflement périphérique -8- REVENDICATIONS 1) Machine électrique rotative spécialement conçue pour travailler dans le vide, et plus particulièrement pour être montée sur un volant (5) de stockage d'énergie, comprenant un rotor (14) et un stator (15), caractérisée en ce que le rotor (14) comporte une pluralité de dents (16) en matériau ferromagnétique divisé, mais ne comporte ni conducteur ni aimant permanent, en ce que le stator (15) comporte une pluralité de dents (17) en matériau ferromagnétique divisé, en ce que chaque dent (17) du stator (15) est entourée d'une bobine10 (18), en ce qu'une partie des bobines (18) est excitée par un courant produit par l'unité de commande et de puissance (7), et en ce que l'autre partie des bobines (18) produit une tension induite utile lorsque le rotor (14) tourne. 2) Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la réluctance totale du circuit magnétique entourant l'ensemble des bobines (18) qui sont excitées par le courant reste sensiblement constante durant la rotation du rotor. 3) Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les dents (16) du rotor (14) sont au nombre de quatre et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ soixante degrés, en ce que les dents (17) du stator (15) sont au nombre de douze, et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ trente degrés, en ce qu'une bobine (18)20 sur deux est excitée par le courant et en ce que les six autres bobines (18) sont groupées deux par deux pour former trois phases. 4) Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les dents (16) au rotor (14) sont au nombre de trois et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ soixante degrés, en ce que les dents (17) au stator (15) sont au nombre de quatre, et couvrent25 chacune un secteur angulaire d'environ quatre- vingt dix degrés, en ce que deux bobines (18) diamétralement opposées sont excitées par un courant et en ce que les deux autres bobines (18) sont groupées pour former une phase. ) Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les dents (1 6) du rotor (14) sont indépendantes les unes des autres. 6) Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les dents (16) du rotor (14) sont isolées thermiquement du volant (5). 7) Procédé de commande de la machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant excitant une partie des bobines (18) est réglé en fonction de la vitesse de rotation de la machine et de la tension de sortie désirée. -9- 8) Utilisation de la machine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les trois phases à fréquence variable sont transformées en une ou plusieurs phases à fréquence fixe par un cycloconvertisseur. 9) Utilisation de la machine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les trois phases à fréquence variable sont redressées en une tension continue, qui est ensuite transformée en une ou plusieurs phases à fréquence fixe par un onduleur. )Utilisation de la machine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'on installe la machine sur un volant (5) qui présente deux renflements, respectivement au centre (11) et à la périphérie (12), et un amincissement (13) entre les deux renflements (11,10 12), en ce que le rotor (14) est fixé sur l'un des deux renflements (11, 12), et en ce que le stator (15) est placé dans l'amincissement (13).