Brevet FR2857520A1 — 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 charge 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). En particulier, il est souhaitable de réduire le bruit magnétique. Dans des alternateurs faisant appel à un refroidissement par ventilateur, il est également souhaitable de réduire le bruit associé au refroidissement. Les inconvénients et insuffisances présentés ci-dessus et d'autres sont éliminés ou atténués par une machine dynamoélectrique comprenant un logement définissant un côté entraînement et un côté opposé comportant les bagues collectrices, un stator, un rotor susceptible de tourner à l'intérieur du stator, le rotor comportant plus de deux segments transporteurs de flux, placés en vue de leur rotation sur un arbre de rotor dans le logement, chaque segment comportant P/2 pôles à griffes, P correspondant à un nombre pair, et un ensemble formant rotor comportant deux ventilateurs placés de manière adjacente aux segments d'extrémités opposées définissant le rotor et placés à l'opposé l'un à l'autre à l'intérieur du logement et montés de manière concentrique par rapport à l'arbre du rotor. Dans un mode de réalisation, un enroulement de bobine est placé au point intermédiaire entre chacun des 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 situés au point intermédiaire entre les pôles à griffes d'extrémités opposées. Les deux ventilateurs comprennent un ventilateur côté entraînement et un ventilateur côté bagues collectrices, placés du côté entraînement et du côté comportant les bagues collectrices respectivement. Le ventilateur côté entraînement est configuré pour envoyer de l'air dans le sens axial du côté entraînement, alors que le ventilateur côté bagues collectrices est configuré pour envoyer de l'air dans le sens axial du côté comportant les bagues collectrices. Le côté entraînement est configuré pour évacuer une première partie de l'air côté entraînement dans le sens radial à l'extérieur du logement sur un premier côté du stator correspondant au côté entraînement, alors qu'une deuxième partie de l'air côté entraînement est déviée dans le sens axial via le stator et est évacuée dans le sens radial à l'extérieur du logement sur un deuxième côté opposé du stator correspondant au côté comportant les bagues collectrices. 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 de 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 20 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 un enroulement statorique triphasé qui communique de manière opérationnelle avec un pont redresseur triphasé et un ensemble formant rotor à deux bobines; et La figure 4 est une vue en coupe d'un générateur de courant alternatif CA de la figure 1 illustrant une configuration à deux ventilateurs internes et un écoulement d'air qui en résulte selon un exemple de mode de réalisation. 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 à griffes central 2 est placé au point intermédiaire entre les segments d'extrémité 1. Le segment à griffes central 2 possède des pôles qui se projettent en direction des segments à griffes d'extrémité 1, et est généralement symétrique autour de son centre. Plus particulièrement, chaque pôle du segment 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 s'étendant dans le sens axial pour définir une périphérie circonférentielle de chaque segment central s'interconnectent 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'extrémité 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 de pôles 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 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 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 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 40 (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 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 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 fixe 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 que l'augmentation de la charge électrique, on note une demande constante des consommateurs pour réduire les émissions sonores. Pour traiter le bruit mécanique émis par la machine dynamoélectrique 200 ou l'alternateur décrit dans la figure 1 et reproduit dans la figure 4, le dispositif de refroidissement de cette dernière présente une configuration à deux ventilateurs internes (c'est-à-dire les ventilateurs 34 et 36). Dans cette configuration, un ventilateur 34 est placé du côté entraînement de l'ensemble formant rotor 100 et l'autre ventilateur 36 est placé du côté des bagues collectrices de l'ensemble formant rotor 100. Ces ventilateurs 34, 36 sont placés à l'intérieur du logement 16 de l'alternateur 200, d'où l'appellation à deux ventilateurs internes. Grâce à cette conception et à la conception d'entrée/sortie du logement 16, le ventilateur 34 côté entraînement attire l'air dans le sens axial dans l'alternateur 200, généralement indiqué par les flèches 67. Au niveau du ventilateur 36 côté entraînement, cet écoulement se divise et une partie de l'air est essentiellement évacuée dans un sens radial indiqué par les flèches 68, alors qu'une autre partie de l'écoulement continue dans un sens axial 69, puis ressort du côté opposé du stator 4 du côté des bagues collectrices, généralement indiqué par 69'. Du côté des bagues collectrices, à proximité des bagues collectrices 24, l'air est prélevé dans le sens axial à l'arrière de l'alternateur 200 par le deuxième ventilateur 36 dans un sens axial généralement indiqué par les flèches 70, puis ressort essentiellement dans un sens radial généralement indiqué par les flèches 70'. Un aspect de la présente invention est de combiner les deux éléments décrits ci-dessus, à savoir le rotor à pôles à griffes 100 composé de trois segments (soit une paire de segments d'extrémités opposées 1 et un segment central 2) et une configuration à deux ventilateurs internes 34 et 36, dans une machine électrique classique. De cette manière, la machine dynamoélectrique 200 aura une plus grande puissance électrique tout en réduisant le bruit mécanique dû à l'air. Dans un exemple de mode de réalisation, la machine dynamoélectrique 200 est un générateur de courant alternatif (CA) équipé d'un rotor formant inducteur composé de plus de deux segments 1, 2 transporteurs de flux, chaque segment comportant P/2 pôles à griffes, P correspondant à un nombre pair, et un ensemble formant rotor 100 équipé de deux ventilateurs placés de manière adjacente aux deux segments 1 transporteurs de flux aux extrémités opposées du rotor formant inducteur et à l'extérieur de ce dernier, placés à l'opposé l'un à l'autre et montés de manière concentrique par rapport à l'arbre du rotor sur le logement de l'alternateur. Un autre aspect technique réalisé par la présente invention est que le rotor à griffes comportant trois segments et deux ventilateurs augmente significativement la puissance électrique et réduit le bruit mécanique dû à l'écoulement d'air, à un coût bien moindre par rapport à celui des autres solutions offrant la même puissance électrique et le même rendement, par exemple la solution du refroidissement par liquide de l'alternateur pour réduire le débit d'air nécessaire aux ventilateurs. La présente configuration à deux ventilateurs internes décrite ci-dessus diminue le bruit d'écoulement d'air sans réduire le débit d'air à un niveau indésirable. En ce qui concerne le fonctionnement du générateur de courant alternatif de la construction ci-dessus, lorsque le rotor 100 est entraîné en rotation par une force d'entraînement extérieure via la poulie 22, un champ magnétique est généré par la paire d'enroulements 3 d'inducteur entourant les noyaux magnétiques 74, et le champ magnétique passe à travers l'enroulement statorique 38 suivant la rotation du rotor 100. De cette manière, du courant est généré dans l'enroulement statorique 38 et une puissance est générée via le redresseur 40. En outre, lorsque le rotor 100 tourne, les ventilateurs 34, 36 fixés à l'arbre 14 sont entraînés en rotation en même temps que les noyaux magnétiques 74, les lamelles 76 définissant des parties redressées s'étendant à partir des ventilateurs 34, 36, sont également mises en rotation pour produire un écoulement d'air à l'intérieur de la machine dynamoélectrique 200. L'écoulement d'air peut être principalement divisé en écoulements 67, 68, 69 et 69' ou écoulements 70 et 70', comme décrit ci-dessus. Les écoulements 67, 68, 69 et 69' représentent l'air qui s'écoule via un orifice d'entrée 80 du support avant 18 via le côté bobine de l'enroulement statorique 38, et qui se divise pour ressortir essentiellement dans un sens radial (à savoir 68), par un orifice de sortie 82 du support avant 18, la partie restante de l'écoulement d'air continuant dans un sens axial (à savoir 69) via un orifice de sortie 84 du support arrière 16. Les écoulements 70 et 70' représentent l'air s'écoulant via un orifice d'entrée 86 du support arrière 16, via le redresseur 40 (fig. 3) et le balais 26, et ressortant par l'orifice de sortie 84 du support arrière 16. L'intérieur de la machine dynamoélectrique 200 est refroidi par ces écoulements d'air. En général, la chaleur produite à l'intérieur du générateur de courant alternatif dépend des pertes à l'intérieur de l'alternateur, qui à leur tour dépendent de la puissance de sortie. Alors que le débit d'air de refroidissement produit par un ventilateur de refroidissement augmente proportionnellement au nombre de tours/minute, le bruit du vent augmente également. A cet égard, la valeur d'augmentation de la température de chaque pièce à l'intérieur de la machine dynamoélectrique refroidie par le ventilateur de refroidissement dépend d'une relation entre la puissance de sortie et le débit d'air. En combinant un rotor à griffes comportant trois segments et une configuration à deux ventilateurs internes dans une machine électrique classique, la puissance de sortie augmente et les émissions sonores diminuent. En outre, un tel dispositif pour le rotor formant inducteur (c'est-à-dire pôles à griffes avec trois segments) produit un champ magnétique tournant plus fort et permet d'allonger plus efficacement la longueur du stator dans le sens axial. Les avantages techniques réalisés par la présente invention permettent une augmentation significative de la puissance électrique et une réduction du bruit mécanique dû à l'écoulement d'air à un coût significativement moindre par rapport à celui des autres solutions pour une même augmentation de la puissance électrique et du rendement. Plus particulièrement, ces solutions prévoient d'ajouter des aimants entre les pôles à griffes du rotor ou des enroulements statoriques en épingle à cheveux. II est possible de réduire le bruit mécanique en refroidissant l'alternateur à l'aide d'un liquide pour réduire le débit d'air nécessaire aux ventilateurs et donc réduire leur taille ou éventuellement les éliminer totalement. Cependant, de telles solutions pour une même augmentation de la puissance électrique et du rendement selon les exemples de modes de réalisation décrits ici coûtent significativement plus cher. Alors que nous avons décrit l'exemple d'un rotor à griffes avec deux bobines et d'une configuration à deux ventilateurs internes 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 logement définissant un côté entraînement (22) et un côté opposé comportant des bagues collectrices (24, 26), - un stator (4), - un rotor susceptible de tourner à l'intérieur du stator, le rotor comportant plus de deux segments (1, 2) transporteurs de flux, placés en vue de leur rotation sur un arbre de rotor (14) dans le logement, chaque segment comportant P/2 pôles à griffes, P correspondant à un nombre pair, et - un ensemble formant rotor comportant deux ventilateurs (34, 36) placés de manière adjacente aux segments d'extrémité définissant le rotor et placés à l'opposé l'un de l'autre à l'intérieur du logement et montés de manière concentrique par rapport à l'arbre (14) du rotor. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux ventilateurs comprennent un ventilateur (34) côté entraînement et un ventilateur (36) côté bagues collectrices placés respectivement du côté entraînement et du côté comportant les bagues collectrices, le ventilateur (34) côté entraînement étant configuré pour envoyer de l'air dans le sens axial du côté entraînement, le ventilateur (36) côté bagues collectrices étant configuré pour envoyer de l'air dans le sens axial du côté bagues collectrices. 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le côté entraînement est configuré pour évacuer une première partie de l'air côté entraînement dans le sens radial à l'extérieur du logement sur un premier côté du stator (4) correspondant au côté entraînement (22), alors qu'une deuxième partie de l'air côté entraînement est déviée dans le sens axial via le stator (4) et est évacuée dans le sens radial à l'extérieur du logement sur un deuxième côté opposé du stator correspondant au côté bagues collectrices (24, 26). 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le côté comportant les bagues collectrices (24, 26) est configuré pour évacuer l'air côté bagues collectrices à l'extérieur du logement dans le sens radial sur le deuxième côté opposé du stator (4) correspondant au côté comportant les bagues collectrices. 5. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un enroulement (3) de bobine est placé au point intermédiaire entre chacun des plus de deux segments transporteurs de flux (1, 2). 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque enroulement (3) de bobine est excité en fournissant une première polarité magnétique sur des pôles à griffes d'extrémités opposées (1) définissant le rotor et une deuxième polarité opposée à la première polarité sur des pôles à griffes (2) situés au point intermédiaire entre les pôles à griffes d'extrémités opposées. 7. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que des aimants permanents sont placés entre les segments pour améliorer au moins la puissance électrique ou le rendement. 8. Générateur de courant alternatif (CA) destiné à un véhicule à moteur, caractérisé en ce qu'il comprend: - un logement définissant un côté entraînement (22) et un côté opposé comportant des bagues collectrices (24, 26), - un stator (4), - un rotor susceptible de tourner à l'intérieur du stator, le rotor comportant plus de deux segments (1, 2) transporteurs de flux, placés en vue de leur rotation sur un arbre de rotor (14) dans ledit logement, chaque segment comportant P/2 pôles à griffes, P correspondant à un nombre pair, et - un ensemble formant rotor comportant deux ventilateurs (34, 36) placés de manière adjacente aux segments d'extrémité définissant le rotor et placés à l'opposé l'un de l'autre à l'intérieur du logement et montés de manière concentrique par rapport à l'arbre du rotor. 9. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deux ventilateurs comprennent un ventilateur (34) côté entraînement et un ventilateur (36) côté bagues collectrices placés respectivement du côté entraînement et du côté comportant les bagues collectrices, le ventilateur (34) côté entraînement étant configuré pour envoyer de l'air dans le sens axial du côté entraînement, le ventilateur (36) côté bagues collectrices étant configuré pour envoyer de l'air dans le sens axial du côté bagues collectrices. 10. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le côté entraînement est configuré pour évacuer une première partie de l'air côté entraînement dans le sens radial à l'extérieur du logement sur un premier côté du stator (4) correspondant au côté entraînement, alors qu'une deuxième partie de l'air côté entraînement (22) est déviée dans le sens axial via le stator et est évacuée dans le sens radial à l'extérieur du logement sur un deuxième côté opposé du stator correspondant au côté bagues collectrices (24, 26). 11. Générateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le côté comportant les bagues collectrices (24, 26) est configuré pour évacuer l'air côté bagues collectrices à l'extérieur du logement dans le sens radial sur le deuxième côté opposé du stator (4) correspondant au côté comportant les bagues collectrices. 12. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un enroulement (3) de bobine est placé au point intermédiaire entre chacun des plus de deux segments transporteurs de flux (1, 2). 13. Générateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque enroulement (3) de bobine est excité en fournissant une première polarité magnétique sur des pôles à griffes d'extrémités opposées (1) définissant le rotor et une deuxième polarité opposée à la première polarité sur des pôles à griffes (2) situés au point intermédiaire entre les pôles à griffes d'extrémités opposées. 14. Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que des aimants permanents sont placés entre chacun des segments pour améliorer au moins la puissance électrique ou le rendement.