Brevet FR2857517A1 — publié le 20050114

La présente invention concerne de manière générale un appareil électrique. Plus particulièrement, elle concerne un rotor à deux bobines destiné à une machine électrique et à améliorer la puissance électrique et le rendement de cette dernière. La présente invention concerne également un rotor à deux bobines destiné à une machine électrique et un système pour réduire le bruit émis, en particulier le bruit magnétique. La puissance électrique exigée par les véhicules continue d'augmenter. Dans le même temps, les dimensions hors tout du boîtier prévu pour le générateur électrique diminuent encore. En conséquence, il faut un système et un procédé à plus haute densité pour générer de l'électricité à bord. En outre, il est souhaitable de réduire le bruit sous le capot associé à un courant alternatif (CA) triphasé produit par un alternateur. Le courant alternatif triphasé est converti en courant continu, lequel peut être stocké dans une batterie d'un véhicule ou utilisé directement par le circuit électrique du véhicule qui est alimenté par une tension en courant continu (CC). On sait bien dans l'art antérieur que les générateurs de courant alternatif (CA) font appel à un alternateur traditionnel de configuration triphasée, équipé d'un rotor à douze pôles et d'un stator à trente six encoches/dents pour fournir une alimentation en courant appropriée à un système électrique de véhicule pour répondre à la demande électrique du véhicule. Ces modèles de générateurs triphasés sont connus pour produire une quantité importante de bruit magnétique en fonctionnement. Dans un effort pour réduire le bruit magnétique des générateurs triphasés traditionnels, un autre concept de générateur de courant alternatif équipé de deux ensembles d'enroulements triphasés a été utilisé avec efficacité. Un tel générateur exige un stator à soixante douze encoches/dents, lequel est cher à fabriquer et difficile à bobiner. Il est nécessaire de réduire encore le niveau de bruit magnétique produit par les générateurs CA, en particulier ceux utilisés dans les applications automobiles, pour améliorer le rendement électrique et réduire les coûts de fabrication. Les inconvénients et insuffisances présentés ci-dessus et d'autres sont éliminés ou atténués par une machine dynamoélectrique comprenant un stator muni d'un enroulement statorique comportant cinq phases, inséré dans une pluralité d'encoches définissant le stator, et un rotor susceptible de tourner 2857517 2 à l'intérieur du stator, rotor composé de plus deux segments transporteurs de flux, chaque segment comportant P/2 pôles à griffes, P correspondant à un nombre pair. Dans un exemple de mode de réalisation, l'enroulement statorique est relié de manière opérationnelle à un redresseur à cinq phases correspondant et un enroulement de bobine est placé au point intermédiaire entre les plus de deux segments transporteurs de flux, dans lequel chaque enroulement de bobine est excité en fournissant une première polarité magnétique sur les pôles à griffes d'extrémités opposées définissant le rotor et une deuxième polarité opposée à la première polarité sur les pôles à griffes au point intermédiaire entre les pôles à griffes d'extrémités opposées. L'invention est décrite ci-après en référence au dessin dans lequel: La figure 1 est une vue en coupe d'un générateur de courant alternatif comprenant un ensemble formant stator et un ensemble formant rotor avec pôles à griffes comportant trois segments et deux bobines construit selon la présente invention; La figure 2 est une vue en perspective de l'ensemble formant rotor de la figure 1; La figure 3 est un schéma de circuit d'un exemple de mode de réalisation d'un ensemble formant stator de la figure 1 possédant un enroulement de stator à cinq phases, qui communique de manière fonctionnelle avec un pont redresseur à cinq phases et l'ensemble formant rotor à deux bobines. La figure 4 est une vue schématique illustrant un schéma de connexion pentagonale pour les enroulements à cinq phases de la figure 3; et La figure 5 est une vue schématique des encoches/dents du stator illustrant un enroulement général à cinq phases du stator selon la présente invention dans lequel on utilise un enroulement progressif inverse du fil. Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de mode de réalisation d'un ensemble formant rotor 100 comportant trois segments munis de pôles à griffes. Les deux segments de pôles à griffes d'extrémités opposées, ou segments d'extrémité 1, sont dans l'alignement l'un de l'autre de sorte qu'ils sont tournés l'un vers l'autre et définissent une largeur de l'ensemble formant rotor 100. Chaque segment d'extrémité 1 est muni de P/2 pôles à griffes, P correspondant à un nombre pair et représentant le nombre total de pôles. Un troisième segment de pôles à griffe central 2 est placé au point intermédiaire entre les segments d'extrémité 1. Le segment de pôles à griffe central 2 possède des pôles qui se projettent en direction des segments d'extrémité 1 à griffes, et est généralement symétrique autour de son centre. Plus particulièrement, chaque pôle du segment de pôles à griffes central 2 s'étend entre un espace 10 créé entre deux pôles à griffes contigus de chaque segment d'extrémité 1. Le segment de pôles à griffes central 2 possède également P/2 pôles à griffes, P étant égal à un nombre pair correspondant à p définissant le nombre de P/2 pôles à griffes de chaque segment d'extrémité 1. II convient de noter que les segments de pôles à griffes d'extrémité 1 sont placés sur un bord extérieur circonférentiel suivant un pas angulaire uniforme dans le sens de la circonférence de manière à se projeter dans le sens axial, et chacun des segments à griffes d'extrémités opposées 1 est fixé à un arbre 14 en faisant face à l'autre, de sorte que les pôles magnétiques à griffes des segments d'extrémité se croiseraient si on les prolongeait. En outre, le segment de pôles à griffes central 2 est placé dans l'espace 10 défini par les segments contigus 1, de sorte qu'une paire de premier et deuxième pôles magnétiques à griffes 33 et 35 opposés s'étendant dans le sens axial pour définir une périphérie circonférentielle de chaque segment central s'interconnecte avec les pôles magnétiques à griffes 30 et 32 définissant les segments d'extrémité 1. Un enroulement 3 de bobine d'inducteur est placé entre chaque segment de pôles à griffes d'extrémité 1 sur une bobine 12 correspondante pour un total de deux enroulements 3 de bobine d'inducteur. Les enroulements 3 de bobine d'inducteur sont excités de sorte que la polarité magnétique des segments de pôles à griffes d'extrémités opposées ou d'extrémité 1 est identique et opposée à celle du segment à griffes central 2. Une telle disposition pour le rotor formant inducteur produit un champ magnétique tournant plus fort et permet d'allonger plus efficacement la longueur axiale d'un stator 4 par rapport à un alternateur pôles à griffes. Les spécialistes de l'art concerné reconnaîtront qu'il est possible de placer des aimants permanents entre les segments de pôles à griffes 1 et 2 pour améliorer encore la puissance électrique et le rendement du stator 4 et de l'ensemble formant rotor 100. En se référant maintenant à la figure 1, l'ensemble formant rotor 100 est placé dans une machine dynamoélectrique 200 qui fonctionne comme un alternateur dans un mode de réalisation préféré, mais ne se limite pas à ce dernier, et est construit en montant un rotor avec pôles à griffes ou ensemble formant rotor 100 en vue de sa rotation à l'aide d'un arbre 14 à l'intérieur d'un boîtier 16 constitué par un support avant 18 et un support arrière 20 en aluminium et fixant le stator 4 sur une surface de paroi interne du boîtier 16 de manière à couvrir un côté circonférentiel extérieur de l'ensemble formant rotor 100. L'arbre 14 est supporté en vue de sa rotation dans le support avant 18 via un palier 19 et le support arrière 20 via un palier 21. Une poulie 22 est fixée à une première extrémité de cet arbre 14, permettant de transmettre un couple de rotation en provenance du moteur à l'arbre 14 par l'intermédiaire d'une courroie (non illustrée). Des bagues collectrices 24 destinées à alimenter en courant électrique l'ensemble formant rotor 100 sont fixées à une deuxième partie d'extrémité de l'arbre 14, une paire de balais 26 étant logée dans un porte- balais 28 placé à l'intérieur du boîtier 16 de manière à coulisser au contact de ces bagues collectrices 24. Un régulateur de tension (non illustré) pour régler l'amplitude d'une tension alternative générée dans le stator 4 est couplé de manière opérationnelle avec le porte-balais 28. Un redresseur 48 (voir figure 3) pour convertir le courant alternatif généré dans le stator 4 en courant continu est monté à l'intérieur du boîtier 16, le redresseur 48 étant constitué par un redresseur pleine onde à cinq phases dans lequel cinq paires de diodes sont respectivement connectées en parallèle, chaque paire de diodes étant composée d'une diode dl côté positif et d'une diode d2 côté négatif connectées en série (voir figure 3). Le courant de sortie du redresseur 48 peut être envoyé à un accumulateur 42 et un compartiment électrique 44. Le redresseur 48 convertit le courant alternatif généré dans le stator 4 en courant continu et est monté à l'intérieur du boîtier 16. Comme décrit ci-dessus, l'ensemble formant rotor 100 est constitué de: la paire d'enroulements 3 d'inducteur destinée à générer un flux magnétique au passage d'un courant électrique; des noyaux ou segments magnétiques 1 et 2 placés de manière à couvrir les enroulements 3 d'inducteur, les pôles magnétiques étant formés dans les segments 1 et 2 par le flux magnétique généré par les enroulement 3 d'inducteur. Les segments d'extrémité et le segment central 1 et 2 respectivement sont de préférence en fer, chaque segment d'extrémité 1 possédant deux premier et deuxième pôles magnétiques à griffes 30 et 32, respectivement disposés sur un bord circonférentiel extérieur et alignés entre eux dans le sens de la circonférence de manière à se projeter dans le sens axial, et les noyaux magnétiques 30 et 32 des segments de pôles d'extrémité sont fixés sur l'arbre 14 l'un en face de l'autre de sorte que le noyau du segment central est situé entre les pôles magnétiques 30 et 32 des segments de pôles à griffes d'extrémité, et ils s'interconnectent avec les pôles magnétiques 33 et 35 du segment central 2, respectivement, comme on le voit mieux dans la figure 2. En se référant toujours à la figure 1, des ventilateurs 34 et 36 (ventilateurs internes) sont fixés à la première et à la deuxième extrémité axiale de l'ensemble formant rotor 100. Des ouvertures d'admission d'air avant et arrière (non illustrées) sont ménagées dans les surfaces d'extrémités axiales du support avant 18 et du support arrière 20, et les ouvertures d'évacuation d'air avant et arrière (non illustrées) sont ménagées dans des première et deuxième parties circonférentielles extérieures du support avant 18 et du support arrière 20, de préférence dans le sens radial à l'extérieur des groupes d'extrémités formant bobines avant et arrière de l'enroulement 38 d'induit installé dans le noyau formant stator 4. Dans la machine dynamoélectrique 200 construite de cette manière, un courant électrique est envoyé aux deux enroulements 3 d'inducteur à partir de l'accumulateur via les balais 26 et les bagues collectrices 24, générant un flux magnétique. Les premiers pôles magnétiques à griffes 30 et 32 des segments d'extrémités 1 sont magnétisés en une polarité fixée par ce flux magnétique (ex. pôles nord (N)), et les pôles magnétiques à griffes 33 et 35 du segment central sont magnétisés dans la polarité opposée (ex. pôles sud (S)). Dans le même temps, le couple de rotation en provenance du moteur est transmis à l'arbre 14 par l'intermédiaire de la courroie (non illustrée) et la poulie 22, entraînant en rotation l'ensemble formant rotor 100. Ainsi, un champ magnétique tournant est imprimé à l'enroulement 38 d'induit, induisant une tension à travers l'enroulement 38 d'induit. La figure 3 illustre la machine dynamométrique 200 sous la forme d'un schéma électrique. Cette force électromotrice à courant alternatif passe dans un redresseur 48 et est convertie en courant continu, l'amplitude de ce dernier est ajustée par le régulateur de tension (non illustré), un accumulateur 42 est chargé et le courant est envoyé à un compartiment électrique 44. s En même temps qu'une montée de la charge électrique, on note une tendance permanente à réduire le bruit admissible sous capot, en particulier le bruit magnétique. Pour traiter cette question, le stator 4 de la présente invention comporte un enroulement 46 à 5 phases illustré schématiquement dans la figure 3. L'enroulement à 5 phases est connecté à un redresseur 48 à 5 phases. En se référant aux figures 3 et 5, un exemple d'ensemble formant stator 26 comprend un enroulement 46 à 5 phases, chaque phase étant décalée de 72 degrés électriques par rapport aux autres, distribuées à travers et parmi les encoches 52 du stator de manière à obtenir un courant alternatif à cinq phases par l'intermédiaire des douze pôles magnétiques de l'ensemble formant rotor 100. Selon la présente invention, le nombre d'encoches du stator, S, s'écrit comme suit: S=10np avec n correspondant à un nombre entier quelconque (1 dans le mode de réalisation préféré), et p est le nombre de paires de pôles du rotor (tout nombre entier positif, six paires illustrées en figure 2). Dans un mode de réalisation générique de la présente invention, illustré dans la figure 5 par exemple, l'enroulement statorique 46 à 5 phases est enroulé sur un stator 4 à 60 encoches/dents en enroulant un fil de cuivre émaillé 58 en partant de S1 et en l'enroulant autour de cinq dents 54 du stator, puis en avançant de cinq dents sur le stator et en l'enroulant autour des cinq dents 54 suivantes du stator et en répétant ce schéma jusqu'à ce que toutes les dents du stator soient entourées pour constituer une phase, et le fil ressort en F1. Une deuxième phase de l'enroulement à cinq phases est enroulée de la même manière en partant de S2, situé à deux encoches de stator en partant du début de l'enroulement du premier ensemble de l'enroulement à cinq phases, S1, et finissant en F2. Une troisième phase de l'enroulement à 5 phases est de la même manière enroulée en partant de S3, à deux encoches de stator en partant du début de l'enroulement du deuxième ensemble de l'enroulement à cinq phases, S2, et finissant en F3. Une quatrième phase de l'enroulement à 5 phases est de la même manière enroulée en partant de S4, à deux encoches 52 de stator en partant du début de l'enroulement du troisième ensemble de l'enroulement à cinq phases, S3, et finissant en F4. Et une cinquième phase de l'enroulement à 5 phases est de la même manière enroulée en partant de S5, à deux encoches 52 du stator en partant du début de l'enroulement du quatrième ensemble de l'enroulement à cinq phases, S4, et finissant en F5. Comme illustré sur la figure 5, le schéma d'enroulement est un enroulement progressif inversé et on peut choisir n'importe quel nombre de spires pour l'enroulement autour des groupes de cinq encoches 52 de stator. Les enroulements de chaque phase doivent simplement respecter un espace, ou décalage, relatif approprié, et de manière plus pratique, les extrémités des fils de cuivre 58 sont maintenues proches les unes des autres pour être reliées suivant une configuration en étoile 50 comme illustré dans la figure 3 ou une configuration pentagonale 52 comme illustré dans la figure 4. Avec cette disposition d'enroulements, on crée douze bobines par phase, 60 dents / 5 encoches. Selon les modes de réalisation ci-dessus, le générateur de courant alternatif muni d'un stator à cinq phases fait appel à un nombre réduit d'encoches 42 par rapport à une machine de type triphasé et exige deux diodes en moins. En outre, l'ondulation est réduite en sortie de générateur par rapport à un générateur triphasé classique. Il est clair que de telles machines peuvent être bobinées, comme les machines triphasées traditionnelles, suivant une configuration à pas entier ou à pas raccourci. Dans une configuration de bobinage à pas raccourci, le fil à bobiner 58 n'est pas enroulé autour des cinq dents 54, mais peut être enroulé autour d'un nombre de dents inférieur à cinq. Ceci sert à réduire les différentes harmoniques de la force magnétomotrice de l'entrefer et réduire le bruit de la machine, et également peut permettre une éventuelle réduction de la résistance de phase du stator à partir de la longueur plus courte de la spire terminale de l'enroulement. La machine à cinq phases s'applique à un pont redresseur 48 comme illustré dans la figure 3. Une telle machine est configurée de manière très semblable à une machine triphasée, mais en faisant appel à dix diodes 70 plutôt qu'aux six habituelles. Cet enroulement 46 d'induit étant construit en reliant les cinq parties formant phases d'enroulement S1/F1 à S5/F5 suivant une forme annulaire, les troisièmes composantes harmoniques du courant électrique sont réduites par rapport aux cas dans lesquels un enroulement d'induit est construit en reliant en étoile les trois parties formant phases de l'enroulement, ce qui permet de réduire le bruit électromagnétique et d'augmenter le courant continu de sortie et améliorer le rendement. En outre, dans cette machine dynamoélectrique 200, puisqu'il est possible de réduire l'ondulation par rapport aux alternateurs adoptant des enroulements d'induits triphasés en étoile de la même manière que les alternateurs adoptant des enroulements d'induits à cinq phases en étoile traditionnels, on réduit les tensions d'ondulation, limitant ainsi les effets indésirables sur le compartiment électrique d'un véhicule et permettant ainsi d'obtenir une meilleure puissance électrique. Même si cela a déjà été illustré dans la configuration en étoile de la figure 3, il convient de reconnaître que les enroulements à cinq phases 46 peuvent être reliés suivant d'autres schémas, y compris par exemple, en formant un pentagone, comme dans la figure 4. L'enroulement à 5 phases 48 réduit une partie des harmoniques induites magnétiquement du stator 4 à l'origine du bruit magnétique indésirable, tout en permettant une puissance électrique plus élevée et un meilleur rendement. En conséquence, les avantages techniques obtenus avec un rotor formant inducteur composé de plus de deux segments transporteurs de flux et d'un enroulement statorique comportant cinq phases permettent d'augmenter significativement la puissance électrique et le rendement, et dans le même temps réduire significativement le bruit magnétique, et ce de manière très efficace en termes de coûts. Alors que nous avons décrit un exemple de rotor avec pôles à griffes muni de deux bobines et d'un stator à cinq phases destinés à des générateurs associés à des véhicules, on peut utiliser ces derniers en les intégrant dans des applications autres que des générateurs pour véhicules, là où on souhaite améliorer le rendement électrique et réduire le bruit magnétique. Alors que la présente invention a été décrite en se référant à un exemple de mode de réalisation, les spécialistes de l'art comprendront que divers changements peuvent être apportés et des éléments équivalents peuvent remplacer les éléments de ce dernier sans sortir du cadre de la présente invention. En outre, de nombreuses modifications peuvent être apportées pour adapter une situation ou un matériel particulier aux enseignements de la présente invention sans quitter le domaine essentiel de cette dernière. En conséquence, il est prévu que la présente invention ne se limite pas au mode de réalisation particulier décrit comme étant le meilleur mode de réalisation de la présente invention, mais la présente invention comprendra tous les modes de réalisation selon la portée des revendications jointes. REVENDICATIONS 1. Machine dynamoélectrique caractérisée en ce qu'elle comprend: - un stator (4) comprenant un enroulement statorique comportant cinq phases, ledit enroulement statorique étant inséré dans une pluralité d'encoches définissant ledit stator; et - un rotor susceptible de tourner à l'intérieur dudit stator, rotor composé de plus de deux segments (1, 2) transporteurs de flux, chaque segment comportant P/2 pôles à griffes, dans lequel P est un nombre pair. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enroulement statorique (4) est relié de manière opérationnelle à un redresseur (48) à cinq phases correspondant. 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le redresseur (48) à cinq phases est un redresseur pleine onde à cinq phases, comportant cinq paires de diodes (70) connectées en parallèle, chaque paire de diodes desdites cinq paires de diodes comprenant une diode d, côté positif et une diode d2 côté négatif connectées en série. 4. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un enroulement de bobine est placé au point intermédiaire entre chacun desdits plus de deux segments transporteurs de flux. 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque enroulement de bobine est excité en fournissant une première polarité magnétique sur des pôles à griffes (1) aux extrémités opposées définissant ledit rotor et une deuxième polarité opposée à ladite première polarité sur des pôles à griffes (2) situés au point intermédiaire entre lesdits pôles à griffes d'extrémités opposées. 6. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que des aimants permanents sont placés entre lesdits segments (1, 2) pour améliorer au moins la puissance électrique ou le rendement. 7. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enroulement statorique (46) comportant cinq phases est connecté suivant une configuration en étoile ou une configuration pentagonale. 8. Générateur de courant alternatif (CA) destiné à un véhicule à moteur comprenant: - un stator (4) comprenant un enroulement statorique comportant cinq phases, ledit enroulement statorique étant inséré dans une pluralité d'encoches définissant ledit stator; et - un rotor formant inducteur composé de plus deux segments (1, 2) transporteurs de flux, chaque segment possédant P/2 pôles à griffes, dans lequel P est un nombre pair. 9. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enroulement statorique (4) est relié de manière opérationnelle à un redresseur (48) à cinq phases correspondant. 10. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le redresseur (48) à cinq phases est un redresseur pleine onde à cinq phases comportant cinq paires de diodes (70) connectées en parallèle, chaque paire de diodes (70) desdites cinq paires de diodes comprenant une diode di côté positif et une diode d2 côté négatif connectées en série. 11. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enroulement de bobine d'inducteur est placé au point intermédiaire entre chacun desdits plus de deux segments transporteurs de flux. 12. Générateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque enroulement de bobine d'inducteur est excité en fournissant une première polarité magnétique sur les pôles à griffes d'extrémité (1) définissant ledit rotor formant inducteur et une deuxième polarité opposée à ladite première polarité sur les pôles à griffes (2) situés au point intermédiaire entre lesdits pôles à griffes d'extrémité. 13. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que des aimants permanents sont disposés entre lesdits segments (1, 2) pour améliorer au moins la puissance électrique ou le rendement. 14. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enroulement statorique (46) comportant cinq phases est connecté suivant une configuration en étoile ou une configuration pentagonale.