Brevet FR2938386A1 — publié le 20100514

Machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile La présente invention concerne une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile. Le brevet US 6 489 700 décrit une machine homopolaire à courant continu pour la propulsion de navire, comportant : - un retour de flux extérieur, - un arbre rotatif, - une armature (ou rotor), - deux bobinages de champ magnétique. L'armature comprend une pluralité d'enroulements empilés dans le sens radial et séparés les uns des autres par des isolants. Ces enroulements sont formés par des cylindres concentriques présentant une section en U dans un plan contenant l'axe de rotation de la machine. Ces enroulements d'armature conduisent un courant électrique vers une pluralité de collecteurs de courant. Lorsque la machine électrique tournante est configurée en moteur, un courant est fourni à l'armature (ou rotor) via les collecteurs entre le rotor et le stator. Un couple est généré lorsque le courant électrique circule à angle droit par rapport au flux magnétique créé par les deux bobinages de champ. Lorsque la machine électrique tournante est configurée en générateur, le 25 rotor génère un courant lors de la rotation de celui-ci. Ce type de machine avec mise en série radiale des enroulements concentriques dans le rotor présente l'inconvénient d'avoir un nombre faible de sections conductrices dans le rotor et également une décroissance de l'effet bénéfique de la mise en série du fait des rayons plus faibles des enroulements 30 radialement intérieurs du rotor. Dans cette machine homopolaire, un point sur le rotor voit en permanence le même niveau d'induction lors de sa rotation, cette induction étant notamment dirigée toujours dans le même sens dans la direction radiale Au contraire, dans une machine hétéropolaire (voir figure 1), un point sur l'induit se trouve successivement face à des pôles d'inducteur alternativement Nord et Sud, lors de la rotation. Une machine homopolaire présente les avantages suivants : - augmentation du taux d'utilisation des composants de la machine (par exemple toutes les sections d'induit sont actives, plutôt que soient exclues celles en commutation ; et induction maximale sur tout l'entrefer, au lieu d'être réduite à zéro dans les régions interpolaires où a lieu la commutation), - augmentation du couple et de la puissance de la machine en bénéficiant de l'absence de pertes par commutation et de pertes fer, - amélioration du couplage électromagnétique entre l'inducteur et l'induit, - réduction de l'usure par arcs des balais et du collecteur par suppression de la commutation, - suppression des interférences électromagnétiques dues aux arcs électriques de commutation qui n'existent plus, - suppression du bruit d'encoche, c'est-à-dire le bruit magnétique dû au passage d'encoches face à des saillances de pôles de l'inducteur au cours de la rotation. Dans ce type de machine homopolaire, il est possible de réaliser un induit parcouru par une seule nappe de courant électrique (voir figures 2A et 2B). Le courant de toute la nappe est égal au courant total d'alimentation de l'induit, ce courant n'étant pas démultiplié par des conducteurs en série comme dans une machine hétéropolaire classique. Avec une seule nappe de courant, le coefficient de couplage électromagnétique (défini comme le ratio couple/ courant, proportionnel au nombre de conducteurs actifs et inversement proportionnel au nombre de voies d'induit en parallèle) est relativement faible. L'invention vise notamment à proposer une machine homopolaire plus performante. L'invention a ainsi pour objet une machine électrique tournante homopolaire à courant continu, notamment un démarreur ou un générateur de véhicule automobile, la machine comportant : - un induit comprenant une pluralité de conducteurs électriques et au moins deux rangées de lames de collecteur, ces deux rangées étant espacées l'une de l'autre dans une direction axiale de l'induit, chaque conducteur de l'induit s'étendant depuis une lame de collecteur de l'une des rangées vers une lame de l'autre rangée, - un inducteur agencé pour générer un champ d'induction magnétique, ce champ magnétique présentant notamment des lignes de champ à proximité des courants, orientées radialement en étant toutes centrifuges ou toutes centripètes, - une pluralité de balais agencés pour permettre l'alimentation électrique des conducteurs de l'induit par contact avec des lames de collecteur de l'induit, les balais et l'induit étant agencés de manière à ce que, lors du fonctionnement de la machine, une pluralité de conducteurs de l'induit soient électriquement alimentés en série. Grâce à l'invention, l'induit, formé par exemple par un rotor, de la machine homopolaire peut comporter une pluralité de conducteurs actifs alimentés majoritairement par le courant total d'alimentation de l'induit, et ne subissant pas de mise en parallèle, ce qui permet d'améliorer le couplage électromagnétique de la machine. L'invention permet en outre d'avoir dans la machine un circuit magnétique 25 compact. Avantageusement, les conducteurs, notamment de forme cylindrique, de l'induit sont disposés sur une surface cylindrique commune, à égale distance d'un axe longitudinal de l'induit. Autrement dit, les conducteurs de l'induit, dans l'invention, peuvent être mis 30 en série circonférentiellement (plusieurs conducteurs à même distance de l'axe de rotation sont connectés en série, parcourus par un même courant), contrairement à la machine électrique décrite dans le brevet US 6 489 700 qui utilise une mise en série radiale des conducteurs de l'induit (plusieurs nappes cylindriques concentriques sont connectées en série, parcourues par le même courant). Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, les conducteurs, notamment de type filaire, de l'induit sont disposés dans des encoches formées sur celui-ci. L'une au moins des encoches de l'induit peut recevoir un seul conducteur ou, en variante, au moins deux conducteurs. De préférence, les conducteurs de l'induit s'étendent sur l'induit parallèlement à un axe longitudinal de celui-ci. De préférence, les balais présentent chacun une largeur, dans le sens circonférentiel, supérieure à celle entre deux lames de collecteur consécutives. Les balais présentent chacun une largeur, dans le sens circonférentiel, inférieure à celle d'une lame de collecteur. Si on le souhaite, le nombre de balais d'un groupe de balais, d'un côté d'induit, est inférieur au nombre de lames de collecteur d'une rangée, de ce côté d'induit, donnant lieu à un nombre de coïncidences balai/ espace entre-lames égal à au moins un, les positions des balais restants présentant au moins une non-coïncidence balai/ espace entre-lames (décalages différents entre balais et espaces entre- lames). De préférence, les balais se répartissent en deux groupes, chaque groupe étant associé à une rangée de lames de collecteur, et le nombre de balais d'un groupe de balais et celui de lames de collecteur d'une rangée sont choisis de manière à ce qu'un seul balai à la fois, du groupe de balais, chevauche deux lames de collecteur consécutives de la rangée. Par exemple, le nombre de balais d'un groupe de balais est égal au nombre de lames de collecteur d'une rangée moins un. Dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, le nombre de lames de collecteur par rangée est strictement égal au nombre de balais d'un groupe. Dans une telle configuration, toutefois, il y a une perte périodique de tout le gain d'efficacité réalisé. Il se produit également des pertes fer dues à une forte variation de l'induction générée par l'enroulement d'induit, qui serait périodiquement sous-alimenté localement (même courant global, mais beaucoup moins par conducteur). Ainsi il est préférable d'avoir une configuration avec le nombre de balais d'un groupe de balais égal au nombre de lames de collecteur d'une rangée moins un. Ceci peut permettre d'éviter un effet analogue à un flash au collecteur dû à un courant qui parcourrait des lames successives, pour aboutir à l'équivalent d'une seule nappe de courant, et au lieu de produire un effet de mise en série où le même courant (celui d'alimentation de l'induit) se retrouve successivement dans les conducteurs le long de la circonférence. Un autre effet lié à cette configuration est d'avoir deux conducteurs de l'induit fonctionnant périodiquement à 50% du courant total d'alimentation de l'induit, le restant des conducteurs de l'induit fonctionnant à 100% de ce courant. Si on le souhaite, l'induit comporte au moins deux conducteurs, voire au moins trois conducteurs, connectés électriquement à une lame commune d'une rangée de lames de collecteur. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, les deux groupes de balais comportent le même nombre de balais, chaque balai de l'un des groupes étant aligné axialement avec un balai de l'autre groupe de balais. De préférence, l'un au moins des balais de l'un des groupes est connecté électriquement à un balai de l'autre groupe qui est décalé circonférentiellement d'une place par rapport au balai dans l'alignement axial. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'inducteur comporte au moins un aimant permanent à aimantation radiale pour générer le champ d'induction. Dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'inducteur comporte au moins deux bobines inductrices pour générer le champ d'induction. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, schématiquement et partiellement, l'induit et l'inducteur d'un démarreur de véhicule automobile conforme à un exemple de l'état de la technique, - les figures 2A et 2B sont deux schémas de principe selon l'état de la technique, - la figure 3 représente, schématiquement et partiellement, l'induit et l'inducteur d'une machine homopolaire, - les figures 4A et 4B illustrent deux étapes de fonctionnement d'une machine homopolaire conforme à un exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 5 représente, schématiquement et partiellement, un induit d'une machine homopolaire selon un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 6 représente, schématiquement et partiellement, l'induit de la figure 5, avec les groupes de balais, - la figure 7 est une coupe, schématique et partielle, de l'induit en fonctionnement de la figure 5, - la figure 8 illustre une étape de fonctionnement de la machine homopolaire avec l'induit de la figure 5, - la figure 9 représente, schématiquement et partiellement, un induit d'une machine homopolaire selon un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, - les figures 10A, 10B et 11A, 11B représentent, schématiquement et partiellement, deux exemples d'inducteur de machine homopolaire conforme à l'invention, et - les figures 12 à 16 illustrent, très schématiquement et partiellement, d'autres exemples de mise en oeuvre de l'invention. On a représenté très schématiquement sur la figure 1 un induit et un inducteur de démarreur pour moteur à combustion de véhicule automobile, conformément à un exemple de l'état de la technique. Ce démarreur est une machine de type hétéropolaire, un point sur le rotor (ou induit) voyant une alternance de pôles magnétiques Nord et Sud de l'inducteur lors de la rotation du rotor. Un exemple de machine électrique tournante hétéropolaire est décrit dans le brevet US 4 823 037. Dans une machine homopolaire comme illustré sur la figure 3, tous les conducteurs C de l'induit sont actifs. Dans ce type de machine homopolaire, il est possible de réaliser un induit parcouru par une seule nappe de courant électrique I (voir figures 2A et 2B). Le nombre de voies de balais B est égal à 2, celui de bagues de collecteur R égal à 2 et celui de section conductrice C égal à 1. Toutefois, avec une seule nappe de courant, le coefficient de couplage électromagnétique n'est pas optimisé. On a représenté sur la figure 5 des éléments d'une machine électrique tournante homopolaire 1 à courant continu, formant un démarreur de véhicule automobile, conforme à un exemple de mise en oeuvre de l'invention. La machine 1 comporte : - un induit 2 comprenant une pluralité de conducteurs électriques 3, insérés dans des tôles formées de matériau ferromagnétique tel que l'acier, et deux rangées 4 et 5 de lames de collecteur 6, ces deux rangées 4 et 5 étant espacées l'une de l'autre dans une direction axiale X de l'induit 2, chaque conducteur 3 de l'induit 2 s'étendant depuis une lame de collecteur 6 de l'une des rangées 4 et 5 vers une lame 6 de l'autre rangée, - un inducteur 10 (visible sur les figures 10 et 11 notamment) agencé pour générer un champ d'induction radial dans la région de l'induit qui porte les courants, de signe constant suivant sa composante radiale dans un repère cylindrique, - une pluralité de balais 11 (visibles sur les figures 5 et 6 notamment) agencés pour permettre l'alimentation électrique des conducteurs 3 de l'induit 2 par contact avec des lames de collecteur 6 de l'induit, les balais 11 et l'induit 2 étant agencés de manière à ce que, lors du fonctionnement de la machine 1, une pluralité de conducteurs 3 de l'induit 2 soient électriquement alimentés en série. Les conducteurs 3 de l'induit 2 sont disposés sur une surface cylindrique 12 commune, à égale distance de l'axe longitudinal X de l'induit. Les conducteurs 3, comprenant par exemple des fils électriques, sont disposés dans des encoches 13 formées sur celui-ci, comme illustré sur la figure 7. Les encoches 13 de l'induit peuvent recevoir chacune un seul conducteur 3 ou, en variante, au moins deux conducteurs 3. Les conducteurs 3 de l'induit s'étendent sur l'induit 2 parallèlement à l'axe longitudinal X. Les balais 11 présentent chacun une largeur, dans le sens circonférentiel, supérieure à celle entre deux lames de collecteur 6 consécutives. Les balais 11 présentent en outre chacun une largeur, dans le sens circonférentiel, inférieure à celle d'une lame de collecteur 6. L'espace 17 entre deux lames consécutives 6 (voir figure 5) est formé par une zone électriquement isolante. Les balais 11 se répartissent en deux groupes 14 et 15, chaque groupe étant associé à une rangée 4 ; 5 de lames de collecteur 6, et le nombre de balais 11 d'un groupe 14 ; 15 de balais et celui de lames de collecteur 6 d'une rangée 4 ; 5 sont choisis de manière à ce qu'un seul balai 11 à la fois, du groupe de balais 14 ; 15, chevauche deux lames de collecteur 6 consécutives de la rangée 4 ; 5. Par exemple, le nombre de balais 11 d'un groupe 14 ; 15 de balais est égal au nombre de lames de collecteur 6 d'une rangée 4 ; 5 moins un. Dans l'exemple illustré sur les figures 5 et 6, chaque groupe 14 ; 15 de balais 11 comporte neuf balais, et chaque rangée 4 ; 5 de lames de collecteur 6 comporte dix lames 6. En variante, comme illustré sur la figure 8, chaque groupe 14 ; 15 de balais 11 comporte sept balais, et chaque rangée 4 ; 5 de lames de collecteur 6 comporte huit lames 6. Un effet lié à cette configuration est d'avoir deux conducteurs 3a (voir figure 8) de l'induit fonctionnant périodiquement à 50% de courant I, le restant des conducteurs 3 de l'induit pouvant fonctionner à 100% de courant I. A l'étape de fonctionnement de la figure 8, six balais 11 de chaque groupe 14 ; 15 se trouvent chacun en contact électrique uniquement avec une seule lame 6. Un seul des balais 11 a de chaque groupe 14 ; 15 chevauche deux lames 6 à la fois, d'une rangée 4 ; 5, ce qui entraîne l'alimentation de deux conducteurs 3a avec 50% de courant I. Les flèches B.f sur les figures 5 et 7 illustrent le champ inducteur radial. L'invention permet un nombre plus élevé de sections conductrices en série, ainsi qu'une contribution optimale de chaque section. Il est ainsi possible de se rapprocher du fonctionnement recherché d'une machine hétéropolaire, dans laquelle il est possible de multiplier le nombre n de conducteurs actifs à la périphérie pour bénéficier d'un niveau élevé de coefficient de couplage électromagnétique proportionnel au nombre n. Les deux groupes 14 ; 15 de balais 11 comportent le même nombre de balais, chaque balai de l'un des groupes 14 étant aligné axialement avec un balai de l'autre groupe 15 de balais. Chaque balai 11 de l'un des groupes 14 est connecté électriquement, par exemple via un fil conducteur 20, à un balai 11, de l'autre groupe 15, qui est décalé circonférentiellement d'une place par rapport au balai 11 dans l'alignement axial, comme illustré sur la figure 6. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'inducteur 10 comporte une pluralité d'aimants permanents 21, ou en variante un seul aimant, pour générer le champ d'induction orienté partout vers le centre (voir figure 10). En variante, l'inducteur 10 comporte deux bobines inductrices 22 de directions opposées pour générer le champ d'induction de direction radiale dans l'entrefer face à l'inducteur (voir figure 11). Dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, illustré à la figure 9, l'induit comporte trois conducteurs 3 en parallèle, connectés électriquement, à chaque extrémité axiale, à une lame commune 6 d'une rangée 4 ; 5 de lames de collecteur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits. Dans un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention (voir figures 4A et 4B), le nombre de lames de collecteur 6 par rangée 4 ; 5 est strictement égal au nombre de balais 11 d'un groupe 14 ; 15. Dans une telle configuration, toutefois, il y a une perte périodique de tout le gain d'efficacité réalisé. Il se produit également des pertes fer dues à une forte et brusque variation de l'induction générée par le système de courants de conducteurs d'induit. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits. Il est possible, comme illustré sur les figures 12 (avec inducteur à aimant permanent) et 13 (à inducteur à bobines), de prévoir plusieurs entrefers actifs 40 dans la machine homopolaire, équipée de plusieurs ensembles lames de collecteur/ balais tels que décrits à la figure 8. Dans les exemples des figures 12 et 13, il est prévu trois entrefers actifs 40. En variante, deux entrefers actifs 40 peuvent être prévus, comme illustré sur la figure 14. Par ailleurs, comme illustré sur les figures 15 (deux entrefers actifs) et 16 (trois entrefers actifs), l'inducteur 10 peut présenter une aimantation dont l'orientation comporte au moins une transition angulaire entre deux pôles Nord et Sud successifs, tous deux face à un entrefer.20 Revendications1. Machine électrique tournante homopolaire à courant continu, notamment un démarreur (1) ou un générateur de véhicule automobile, la machine comportant : - un induit (2) comprenant une pluralité de conducteurs électriques et au moins deux rangées de lames de collecteur (6), ces deux rangées (4 ; 5) étant espacées l'une de l'autre dans une direction axiale (X) de l'induit, chaque conducteur de l'induit s'étendant depuis une lame de collecteur (6) de l'une des rangées vers une lame de l'autre rangée, - un inducteur (10) agencé pour générer un champ d'induction magnétique (B.f), - une pluralité de balais (11) agencés pour permettre l'alimentation électrique des conducteurs de l'induit (2) par contact avec des lames de collecteur de l'induit, les balais et l'induit étant agencés de manière à ce que, lors du fonctionnement de la machine, une pluralité conducteurs de l'induit soient électriquement alimentés en série. 2. Machine selon la revendication précédente, caractérisée par le fait que les conducteurs (3) de l'induit sont disposés sur une surface cylindrique (12) commune, à égale distance d'un axe longitudinal (X) de l'induit. 3. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les conducteurs (3) de l'induit sont disposés dans des encoches (13) formées sur celui-ci. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les conducteurs (3) de l'induit s'étendent sur l'induit parallèlement à un axe longitudinal de celui-ci. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les balais (11) présentent chacun une largeur, dans le sens circonférentielle, supérieure à celle entre deux lames de collecteur consécutives. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les balais (11) présentent chacun une largeur, dans le sens circonférentielle, inférieure à celle d'une lame de collecteur (6). 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le nombre de balais d'un groupe de balais, d'un côté d'induit, est inférieur au nombre de lames de collecteur d'une rangée, de ce côté d'induit, donnant lieu à un nombre de coïncidences balai/ espace entre-lames égal à au moins un, les positions des balais restants présentant au moins une non-coïncidence balai/ espace entre-lames. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les balais (11) se répartissent en deux groupes (14 ; 15), chaque groupe étant associé à une rangée de lames de collecteur, et par le fait que le nombre de balais d'un groupe de balais et celui de lames de collecteur d'une rangée sont choisis de manière à ce qu'un seul balai à la fois du groupe de balais chevauche deux lames de collecteur consécutives (6). 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le nombre de balais (11) d'un groupe de balais est égal au nombre de lames de collecteur (6) d'une rangée moins un. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'induit comporte au moins deux conducteurs (3),voire au moins trois conducteurs, connectés électriquement à une lame commune d'une rangée de lames de collecteur. 11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les deux groupes de balais comportent le même nombre de balais, chaque balai (11) de l'un des groupes étant aligné axialement avec un balai de l'autre groupe de balais, et par le fait que l'un au moins des balais de l'un des groupes est connecté électriquement à un balai de l'autre groupe qui est décalé circonférentiellement d'une place par rapport au balai dans l'alignement axial. 12. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'inducteur (10) comporte au moins un aimant permanent (21) pour générer le champ d'induction (B.f). 13. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'inducteur (10) comporte au moins deux bobines inductrices (22) pour générer le champ d'induction (B.f). 20 14. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant plusieurs entrefers actifs (40), et équipée de plusieurs ensembles lames de collecteur/ balais. 25