Brevet FR2857518A1 — 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, un système et un procédé pour réduire le bruit émis, en particulier le bruit magnétique. La puissance électrique exigée par les véhicules continue à 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). En particulier, il est souhaitable de réduire le bruit magnétique. Les inconvénients et insuffisances présentés ci-dessus et d'autres sont éliminés ou atténués par une machine dynamoélectrique comprenant un rotor composé de plus deux segments transporteurs de flux, chaque segment comportant P/2 pôles à griffes, P correspondant à un nombre pair; et comprenant n ensembles indépendants d'enroulements statoriques triphasés insérés dans une pluralité d'encoches définissant un stator, chaque ensemble d'enroulements triphasés étant décalé de 7t(3n) radians par rapport à un autre, dans lequel n est un nombre entier positif supérieur à 1. Dans un exemple de réalisation lorsque n = 2, le stator comprend deux ensembles d'enroulements triphasés, chacun étant connecté à un redresseur triphasé, chacun des deux ensembles d'enroulements statoriques est décalé de 30 degrés électriques par rapport à l'autre, et le stator est défini par 3nP ou 72 encoches. Le rotor est un rotor à griffes comportant 12 pôles et trois segments. L'invention est décrite ci-après en référence au dessin schématique annexé dans lequel: La figure 1 est une vue en coupe d'un générateur à courant alternatif CA comprenant un ensemble formant stator et un ensemble formant rotor 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 mode de réalisation d'un ensemble formant stator de la figure 1 comportant deux ensembles d'enroulements statoriques triphasés, chaque ensemble communiquant de manière opérationnelle avec un pont redresseur triphasé correspondant et un ensemble formant rotor à deux bobines; La figure 4 est une vue en plan partielle d'un stator à soixante douze encoches qui communique de manière opérationnelle avec les trois segments de l'ensemble formant rotor selon la présente invention; La figure 5 est un graphique illustrant les deux enroulements statoriques triphasés de la figure 3, décalés de trente degrés électriques l'un de l'autre; et Les figures 6 et 7 illustrent schématiquement les deux 15 enroulements statoriques triphasés correspondants présentés sous forme de graphique dans la figure 5. Les figures 1 et 2 illustrent un 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 griffes central 2 est placé au point intermédiaire entre les segments d'extrémité 1. Le segment de pôles à griffes central 2 possède des pôles qui se projettent en direction des segments de pôles à griffes d'extrémité 1, 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. Il convient de noter que les segments de pôles à griffes d'extrémités opposées 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 de pôles 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 les segments 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 1 est identique et opposée à celle du segment de pôles 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 à griffes de Lundell. Les spécialistes de l'art concerné constateront 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 exemple de mode de réalisation préféré, mais ne se limite pas à ce dernier, et est construit en montant un rotor à 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 en 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 sur 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 sur 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 (un des deux généralement indiqués par le numéro de référence 40) pour convertir le courant alternatif généré dans le stator 4 en courant continu est monté à l'intérieur du boîtier 16, le redresseur 40 étant constitué par un redresseur pleine onde triphasé dans lequel trois paires de diodes sont respectivement connectées en parallèle, chaque paire de diodes étant composée d'une diode di côté positif et d'une diode d2 côté négatif, connectées en série (voir figure 3). Le courant de sortie du redresseur 40 peut être envoyé à un accumulateur 42 et un compartiment électrique 44. 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 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 du 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 40 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. En même temps qu'une hausse 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 selon un exemple de mode de réalisation de la présente invention comporte deux ensembles d'enroulements triphasés 4-1 et 4-2, chacun étant connecté à un redresseur triphasé individuel, 51 et 52 respectivement. En se référant aux figures 4 et 7, on notera que les enroulements statoriques 4-1 et 4-2 respectifs sont décalés de 30 degrés électriques l'un par rapport à l'autre. Par exemple, la phase 1C de l'enroulement 4-1 est décalée par rapport à la phase 2C de l'enroulement 4-2, illustrée sous forme de graphique dans la figure 5 et schématiquement illustrée dans les figures 6 et 7. Pour réaliser un rotor type à douze pôles, tel qu'illustré dans la figure 2, on construit un stator 4 muni de 72 encoches 54 définies par des dents de stator 56 contiguës, comme on le voit mieux dans la figure 4. On constatera qu'une paire de segments d'extrémités opposées 1 et un segment central 2 sont illustrés en pointillés, et orientés par rapport aux dents 56 du stator et l'un par rapport à l'autre, dans lequel chaque segment central 2 est placé au point intermédiaire entre une paire de segments d'extrémités opposées 1. Chaque ensemble d'enroulements statoriques triphasés 4-1 et 4-2 est inséré de sorte que les conducteurs de chacune des trois phases (c'est-à- dire 1A, 1B et 1C, ou 2A, 2B et 2C) sont espacés entre eux de six encoches 54 ou 180 degrés électriques. Cependant, les deux ensembles d'enroulements triphasés 4-1 et 4-2 sont espacés entre eux d'une encoche 54 de stator qui est à 5 degrés mécaniques (c'est-à-dire 360 /72 encoches) ou 30 degrés électriques. Ce décalage électrique du courant de sortie du stator élimine les harmoniques qui produisent le bruit magnétique fortement indésirable. Alors que l'idée est d'utiliser deux ensembles d'enroulements triphasés 41 et 4-2, le concept décrit ci-dessus peut s'étendre à n ensembles d'enroulements triphasés, avec n correspondant à un nombre entier positif supérieur à 1. Dans une telle combinaison, le stator 4 comporte 3nP encoches et les enroulements 4-1 et 4-2, ... 4-n sont décalés suivant un angle électrique de rr(3n) radians. Le nombre prédéterminé de pièces polaires correspond à un nombre entier positif n supérieur à 1, alors que le nombre prédéterminé d'encoches est 3nP, réduisant les harmoniques spatiales magnétomotrices élevées, permettant ainsi de réduire le bruit électromagnétique. Par exemple, lorsque n = 2, correspondant au nombre d'ensembles d'enroulements statoriques 4-1 et 4-2, et le nombre de pôles (P) = 12, le nombre total d'encoches 54 est de 72 ou 3x(2)x(12)= 72. En outre, chacun des n ensembles d'enroulements triphasés est connecté à un redresseur triphasé 51 ou 52 25 correspondant. Dans cet exemple, on peut voir que lorsque n = 2 ensembles indépendants d'enroulements statoriques triphasés 4-1 et 4-2 insérés dans le stator, chaque enroulement 4-1 et 4-2 est décalé par rapport à l'autre de,r(3n) radians ou 7r(3x2)=rc/6=30 . Ainsi, avec un rotor formant inducteur composé de plus de deux segments transporteurs de flux, chaque segment comportant P/2 pôles à griffes, P correspondant à un nombre pair et n ensembles indépendants d'enroulements statoriques triphasés insérés dans le stator, de sorte qu'ils sont décalés entre eux de z(3n) radians dans une machine électrique classique, on obtient des puissances électriques plus élevées, un meilleur rendement et une 35 réduction du bruit magnétique. En conséquence, les avantages techniques obtenus en insérant au moins deux ensembles indépendants d'enroulements triphasés dans le stator, associé à un rotor comportant au moins trois pôles à griffes, permettent d'augmenter significativement la puissance électrique et le rendement, tout en réduisant significativement le bruit magnétique, et ce de manière très rentable en termes de coûts. Alors que nous avons décrit un exemple de rotor à griffes munis de deux bobines et de déphasage du stator 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 domaine 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 rotor (100) composé de plus de deux segments transporteurs de flux, chaque segment comportant P/2 pôles à griffes, dans lequel P est un nombre pair; et - n ensembles indépendants d'enroulements statoriques (4-1, 4-2) triphasés insérés dans une pluralité d'encoches définissant un stator, chaque ensemble d'enroulements triphasés étant décalé l'un par rapport à l'autre de,c(3n) radians. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque ensemble d'enroulements triphasés (4-1, 4-2) est relié de manière opérationnelle à un redresseur triphasé correspondant (40). 3. 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. 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque enroulement (3) 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. 5. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que des aimants permanents sont placés entre chacun desdits segments pour améliorer au moins la puissance électrique ou le rendement. 6. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que n est un nombre entier positif supérieur à 1. 7. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pluralité d'encoches (54) est définie par 3nP. 8. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lorsque n = 2, le stator comprend deux ensembles d'enroulements triphasés (4-1, 4-2), chacun étant relié à un redresseur triphasé (51, 52) 35 correspondant, chacun des deux ensembles d'enroulements statoriques est décalé de 30 degrés électriques par rapport à l'autre, le stator étant défini par 72 encoches (54). 9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que le rotor (100) comprend au moins un rotor à 12 pôles, avec P = 12 et un rotor à griffes comportant trois segments. 10. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que chacun des deux ensembles d'enroulements statoriques (4-1, 4-2) est inséré de sorte que chaque phase est espacée de six encoches (54) par rapport aux phases contiguës de chacun desdits deux ensembles d'enroulements statoriques. 11. Générateur de courant alternatif (CA) destiné à un véhicule à moteur, caractérisé en ce qu'il comprend: - un rotor (100) 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, et - n ensembles indépendants d'enroulements statoriques triphasés (4-1, 4-2) insérés dans une pluralité d'encoches (54) définissant un stator, chaque ensemble d'enroulements triphasés étant décalé par rapport à l'autre de z(3n) radians. 12. Générateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque ensemble d'enroulements triphasés (4-1, 4-2) est relié de manière opérationnelle à un redresseur triphasé correspondant (40). 13. Générateur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un enroulement de bobine d'inducteur est placé au point intermédiaire entre chacun desdits plus de deux segments transporteurs de flux. 14. Générateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque enroulement (3) de bobine d'inducteur est excité en fournissant une première polarité magnétique sur les pôles à griffes (1) d'extrémités opposées 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'extrémités opposées. 15. Générateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que des aimants permanents sont placés entre chaque segment pour améliorer au moins la puissance électrique ou le rendement. 16. Générateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que n est un nombre entier positif supérieur à 1. 17. Générateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la pluralité d'encoches (54) est définie par 3nP. 18. Générateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que lorsque n = 2, le stator comprend deux ensembles d'enroulements triphasés (4-1, 4-2) , chacun étant connecté à un redresseur triphasé (51, 52) correspondant, chacun des deux ensembles d'enroulements statoriques est décalé de 30 degrés électriques par rapport à l'autre, ledit stator est défini par 72 encoches (54). 19. Générateur selon la revendication 18, caractérisé en ce que le rotor (100) formant inducteur comprend au moins un rotor à 12 pôles, avec P = 12, et configuré comme un rotor à griffes comportant trois segments. 20. Générateur selon la revendication 18, caractérisé en ce que chacun des deux ensembles d'enroulements statoriques (4-1, 4-2) est inséré de sorte que chaque phase est espacée de six encoches (54) par rapport aux phases contiguës de chacun des deux ensembles d'enroulements statoriques.