Brevet FR2961037A1 — publié le 20111209

Etat de l'art antérieur La présente invention concerne une machine électrique tournante à structure homopolaire comportant un stator et un rotor tournant autour d'un même axe de rotation que le stator, logés dans une carcasse, au moins le stator ou le rotor étant constitué d'au moins une bobine électrique de forme annulaire portée par une culasse annulaire magnétique comportant au moins deux pôles décalés angulairement à égale distance l'un de l'autre, ces pôles étant constitués par des pattes solidaires de ladite culasse annu- taire et repliées parallèlement audit axe. La structure et le fonctionnement d'une machine électrique de ce type, telle qu'une machine tournante électrique, sont décrits dans les demandes de brevets n°2809240FR et n°2828027 (inventeur François Bernot). La figure 1 présente l'état de l'art antérieur pour cette structure homopolaire, dans une version octopolaire, à stator à griffes triphasé et rotor à aimants superficiels. Une autre version peut comporter un rotor à aimants enterrés. Une autre version peut comporter un stator polyphasé, le nombre de phase étant quelconque (supérieur ou égal à l'unité). Une autre version peut comporter un rotor externe inversé. La réalisation de la figure 1 comporte trois stators identiques, qui seront no-tés dans ce document phases lorsqu'ils sont complets avec leur bobine (c4, c5 ou c6). Lesdits stators sont numérotés (cl), (c2) et (c3). Ces galettes sont déphasées les unes par rapport aux autres d'un angle de 30° mécanique environ. Dans le cas de la réalisation présentée à la figure 1, l'angle (c10) vaut sensiblement 30° et l'angle (c11) vaut sensiblement 60°. L'angle (c10) correspond sensiblement au tiers de l'angle électrique de la machine tournante, ledit angle électrique étant égal à 360° (un tour) divisé par le nombre de paires de pôles (quatre dans ce cas octopolaire). L'angle (c11) vaut sen- 1 1 siblement le double de l'angle (cl 0). Ces décalages angulaires peuvent être différents, en fonction des applications, mais ces variations relèvent de l'état de l'art antérieur connu, appliqué à d'autres structures de machines tournantes notamment. Elles ne servent qu'à optimiser la machine finale. Une version diphasée de ladite machine ne comporterait que deux stators (cl) et (c2), qui seraient alors décalés d'un angle (c10)=45° dans la réalisation octopolaire décrite à la figure 1. Les règles de calcul des décalages angulaires entre phase ou stators respectifs font partie de l'état de l'art antérieur. Dans la réalisation de la figure 1, les stators (cl), (c2) et (c3) ont une structure à griffe, qui est caractérisée par une ondulation apparente des bobines statoriques, notées respectivement (c4), (c5) et (c6) autour des plans de rotation X/Y (c12) de chaque stator. Ladite ondulation peut être obtenue par vrillage des dents statoriques, comme le propose la demande de brevet n°2809240, ou encore par encerclement des bobines (c4), (c5) et (c6) comme le propose la demande de brevet n°2828027. Dans cette dernière réalisation astucieuse, présentée à la figure 2 pour un nombre de pôles égal à 28, les stators (cl), (c2) et (c3) sont tous réalisés de la même façon, à partir de deux galettes identiques (b1) et (b2), enserrant une bobine (b3). Lesdites galettes sont assemblées l'une sur l'autre, conformément à la demande de brevet n°2828027, de façon à ce que leurs dents respectives (b4) et (b5) soient sensiblement équidistantes. La galette (b1) est posée sur la galette (b2), comme l'indique la flèche (b7). Les zones de contact (b30) entre les galettes (b1) et (b2) doivent être correctement réalisées, afin d'éviter les entrefers magnétiques indésirables dans la zone de contact. La formes de cette zone de contact (b30) peut ne pas être constituée d'un plan coplanaire selon X/Y (c12), mais adopter toute autre forme comme une ondulation ou encore un crénelage, qui autoriserait le calage angulaire relatif desdites galettes (b1) et (b2). La galette (b2) est décalée angulairement par rapport à la galette (b1). Ledit angle de calage (b6) vaut 1 dans le cas du stator de la figure 2 sensiblement la moitié de l'angle électrique de la machine, c'est à dire pour cette polarité de 14 paires de pôles présentée à la figure 2, la valeur : 12,857°. Il est important de noter que les réalisations des figures 1 et 2 considèrent que chaque dent (b4) et (b5) forme un pôle électrique complet de la machine. Nous sommes par conséquent en présence dans la figure 1 d'un assemblage de machines électriques tournantes monophasées, réunies axialement autour d'un même rotor (c7). Ledit rotor peut être de plusieurs natures, synchrone, asynchrone ou à réluctance variable. Les différentes réalisations connues à ce jour des rotors font partie de l'état de l'art antérieur, elles s'adaptent toutes à la présence d'un ensemble de stators à griffes, tel que décrit à la figure 1. Nous nommerons dans la suite de ce document les stators (c1), (c2) et (c3) sous le nom de «phase», afin d'en clarifier le rôle. Dans toute la description qui suit, nous considérerons donc comme formant une phase complète l'en-semble formé par deux galettes (b1) et (b2), enserrant une bobine (b3). La figure 3 reprend de façon plus synthétique cette proposition, en présentant ces deux galettes (dl) pour (b1), et (d2) pour (b2), qui sont réunies l'une contre l'autre selon la direction (d3), pour former une seule phase (d4), telle que décrite ci-dessus correspondant à la réunion de deux galettes (b1) et (b2), enserrant une bobine (b3). II faut noter à ce stade la description de l'état de l'art, l'intérêt de prévoir un moyen de maintien axial des galettes (b1) et (b2) l'une sur l'autre, qui peut consister par exemple en une rondelle élastique de serrage, montée en un endroit quelconque de l'axe de rotation du plan XY (c12). Toutes ces descriptions des figures 1 et 2 font partie de l'état de l'art antérieur. Elles incluent la version à stator inversé, où les dents (b4) et (b5) des galettes (b1) et (b2) sont situées sur la périphérie extérieure, avec un rotor qui est situé extérieurement au stator. L'état de l'art antérieur fait apparaître clairement l'interchangeabilité des différents éléments d'une machine tournante électrique, notamment leur posi- tion relative interne ou externe, comme le présente la figure 4. La phase (d4), constituée de deux galettes (dl) et (d2) peut être située à l'extérieur d'une pièce (e2), pour former alors une machine tournante homopolaire monophasée (e4). La phase (d4), constituée de deux galettes (dl) et (d2) peut être située à l'intérieur d'une pièce (e3), pour former alors une machine tour- nante homopolaire monophasée (e5). La juxtaposition axiale des ces ma-chines complètes (e4) ou (e5), décalées angulairement d'un angle adéquat, tel que connu de l'état de l'art explicité ci-dessus, forme une machine tournante polyphasée. Dans cette présentation de la figure 4, les pièces (d4), (e2) et (e3) peuvent être statiques ou tournantes. Si une pièce (d4) est tournante, il faut alors l'alimenter par des bagues ou tout autre système (diodes tournantes par exemple). La combinaison (d4) statique et (e2) à aimants tournants (ou inducteur bobiné), correspond à une machine (e4) formant une machine dite synchrone. La phase (d4) est alors alimentée en courant alternatif et selon les procédés de contrôle dits brushless connus de l'homme de l'art. La combinaison (d4) statique et (e3) à aimants tournants (ou inducteur bobiné), correspond à une machine (e5) formant une machine dite synchrone inversée. La phase (d4) est alors alimentée en courant alternatif et selon les procédés de contrôle dits brushless connus. La combinaison (e3) statique et (d4) tournant, correspond à une machine (e5) formant un alternateur à griffes, dit de Lundell, largement utilisé dans les moteurs thermiques. Toutes les autres combinaisons sont possibles, comme (d4) tournant et (e2) statique, ou encore (d4) tournant et (e3) statique, ou encore les deux parties (d4) et (e2) tournantes, ou encore les deux parties (d4) et (e3) tournantes. Ces différentes combinaisons sont largement décrites dans l'état de l'art, pour les machines tournantes à structure coplanaire. La description qui suit de l'invention, concerne la réalisation de la phase (d4), qui peut s'insérer dans les diverses configurations, que nous venons d'évoquer. Ladite phase (d4) peut être intégrée dans une machine tournante, personnalisée par des parties (e2) ou (e3). La configuration finale de la machine qui intègre ladite phase (d4) concerne toutes les variantes d'utilisation finale de l'invention qui suivent, plus celles non-mentionnées qui re- lèvent de l'état de l'art antérieur. La liste suivante regroupe de façon non-exhaustive différentes variantes possibles d'applications de l'invention dans une machine électrique tournante : - machine synchrone avec rotor à aimants ou bobiné, - machine asynchrone avec rotor à cage ou bobiné, - machine à réluctance variable, à rotor passif ou actif (aimanté). La liste suivante regroupe de façon non-exhaustive différentes variantes 25 possibles de réalisation de l'invention pour former une machine électrique tournante : - la disposition relative des différentes parties (d4), (e2) et (e3), pour for-mer une machine de type (e4) ou (e5), conduit à une machine à stator extérieur ou à stator intérieur, dite inversée, - machine monophasée, diphasée, triphasée ou polyphasée, obtenue par empilement axial de machines élémentaires (e4) ou (e5) correctement 5 1 déphasées les unes par rapport aux autres d'un angle électrique sensiblement égal à un tour électrique (360° divisé par le nombre de paires de pôles) divisé par le nombre de phases, ledit déphasage angulaire pouvant être créé au niveau du rotor ou du stator, - machine polyphasée, comportant au moins une phase, où chaque phase électrique est constituée de plusieurs machines élémentaires (e4) ou (e5) électriquement connectées en série ou en parallèle électriquement - machine polyphasée, comportant au moins une phase, où les phases (d4) sont toutes alignées angulairement et où le déphasage inter-phase est causé par la rotation selon le cas, soit des aimants, soit des inducteurs bobinés, soit des conducteurs de la pièce complémentaire (e2) ou (e3) - machine polyphasée, comportant au moins une phase, où les bobines (b3) sont divisées en plusieurs enroulements distincts, eux-mêmes cou- plés d'une phase à l'autre en zig-zag, étoile, ou triangle pour former une machine polyphasée complète - l'ensemble peut former aussi un transformateur statique, où toutes les parties (d4), (e2) et (e3) étant statiques, forment un déphaseur statique. 25 2 Description de l'invention La présente invention expose une réalisation particulière du circuit magné-tique de cette structure de machine tournante homopolaire. La figure 5 pré- sente le trajet des flux magnétiques dans une galette (a0), correspondant à l'état de l'art. Ladite galette (a0) correspond soit à une galette (b1), soit à une galette (b2), dont la réunion forme une phase (d4). Le flux magnétique Id (a2) émis par la combinaison des flux rotorique et statorique est ramené le long des dents (b4) ou (b5), au travers d'un pied de dent (a5) et d'une jam- be de dent (a3), pour se diviser en deux parties identiques cc (a1) au ni-veau de la culasse externe (a4). Dans cette réalisation de l'état de l'art, l'espace (a6) inter-dents est vide. Les règles de conservation du flux magnétique font que l'homme de l'art dans son approche de la conception de la machine tournante, impose au flux magnétique de circuler au maximum dans le circuit magnétique et au minimum dans l'air. II en résulte que la section optimale d'une jambe (a3) au niveau de son raccordement avec la culasse (a4) est critique, car s'il y a trop de matériau magnétique à cet endroit, alors la section de cuivre disponible pour la bobine (b3) diminue, et le couple par conséquent. L'état de l'art consiste à faire circuler le flux magnétique (Dd (a2) radialement le long de la dent (a3), puis à le ramener par la culasse (a1). Une option pour augmenter la section de la bobine (b3), consiste à adopter une forme de dent, telle que décrite à la figure 9, où la phase est vue de l'intérieur, et dé-roulée à plat. On reconnaît dans cette figure 9 les deux galettes (b1) et (b2) formant une phase (d4). La première forme connue (b12a) est arrondie, elle permet de rapprocher angulairement les dents (bl3a) sans créer de fuites magnétiques. La deuxième forme connue (b13b) pointue, permet de rapprocher angulairement encore plus les dents, sans augmenter les fuites magnétiques. Dans ces deux dernières réalisations (bl3a) et (b13b), le flux 7 1 ramené par une dent est optimisé vis à vis de la section de la dent. La largeur latérale des parois des galettes (b1) et (b2) peut alors être réduite, et la hauteur radiale laissée libre pour la bobine (b3) est augmentée. Ces deux formes de dents (b13a) et (bl3b) permettent de rapprocher les dents, et donc de dévier le flux magnétique cd (a2) avant qu'il n'ait atteint la jambe (a3), ce qui permet de diminuer l'épaisseur des parois des galettes (b1) et (b2). Mais lesdites formes de dents (b13a) et (b1 3b) présentent le dé-faut de créer des interactions magnétiques au niveau de leurs pointes, en (bl4a) et (b14b), via la partie opposée (stator ou rotor selon le cas). Il s'en-suit alors une perte importante de couple dans la machine. La façon la plus astucieuse d'augmenter le couple fourni par la phase (d4) consiste à adopter des dents (b4) droites, qui ne présentent pas de fuites magnétiques en (b14), mais qui imposent de recourir à l'invention ci-dessous, pour obtenir une section de bobine (b3) suffisante. Dans la description qui suit, la présentation de l'invention est étayée par des figures : - la figure 5 représente la circulation des flux magnétiques dans une pha-20 se normale de machine - la figure 6 représente la circulation des flux magnétiques dans une phase optimisée de machine - la figure 7 représente un détail de l'optimisation de la forme de galette - la figure 8 représente les possibilités de perçage de trous dans la galette 25 optimisée - la figure 9 compare les formes de dents entre l'état de l'art et l'invention La présente invention expose à la figure 6 une réalisation particulière de la dent formée de son pied (a5) et de sa jambe (a3), ladite réalisation redirige le flux dans le plan de jonction entre deux dents consécutives (a3), afin de lui faire emprunter un chemin autre que radial. II en résulte une augmenta- tion de la section de cuivre correspondante disponible pour la bobine (b3). Dans la réalisation de la figure 6, le flux Id (a2) rentre par le pied (a5) de chaque dent, de la même façon que décrit à la figure 5. Mais comme l'espa- ce (a6) existant entre deux jambes consécutives (a3) de la dent est comblé par le matériaux magnétique à la place du vide existant à la figure 5, le flux magnétique Id (a2) se divise en deux flux 'c (a1), en passant dans ce der-nier espace inter-dents (a6), avant d'atteindre par un chemin vrillé la dent opposée (a5a), appartenant à la galette opposée de la phase (d4). Il en résulte une déconcentration du flux magnétique au niveau du pied de la dent (a3), qui permet de l'affiner axialement, et par conséquent de libérer de l'espace dans le sens axial pour la bobine (b3). L'augmentation du volume disponible pour le conducteur formant la bobine (b3), fait que les pertes Joule de la machine sont diminuées, son rendement est amélioré, et sa puissance est augmentée. La figure 7 montre comment optimiser dans la conception de la dent formée de (a3) et (a5), l'espace (a7) situé entre les différentes parties des dents de la galette (aO) et de l'autre galette (a8) collée sur (aO). Il est indispensable que cet espace (a7) soit suffisant, afin de limiter les fuites magnétiques entre les deux galettes (b1) et (b2), sinon l'interaction magnétique est minorée et le couple de la machine aussi. Une réalisation de cette optimisation consiste à pratiquer dans la zone (a7) au bout du pied (a5) de chaque dent un décrochement permettent de diminuer le rayon interne (a11) de la jambe (a3) et donc d'augmenter la section coplanaire de ladite jambe (a3). Cette astuce permet de réduire encore plus l'épaisseur axiale (a10) de la jambe (a3) et l'épaisseur radiale (a12) du pied (a5), ce qui pour conséquence de libérer encore plus d'espace pour la bobine (b3). La figure 8 présente comment des trous ou encoches (b9) ou (b10) peuvent être ménagés dans les galettes (b1) et (b2). Lesdits trous ou encoches (b9) ou (b10) ont pour but de faire passer les fils d'alimentation de la bobine (b3), ou de faciliter le passage de la résine de surmoulage, ou de réduire la quantité de matière des galettes (b1) et (b2). Lesdits trous sont placés à des en-droits où le flux magnétique est réduit. Dans une première réalisation lesdits trous sont situés en face d'une dent à la position (b9). Dans une autre réalisation lesdits trous sont situés sur le diamètre extérieur en (b10), sous la forme de demi-trous, complémentaires d'une galette (b1) à l'autre (b2), ce qui simplifie considérablement le passage du fil de la bobine (b3). Toute autre forme ou localisation des trous est possible et envisageable. Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être étendus à d'autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles électromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. II est particulièrement spécifié que la présente invention peut s'appliquer de façon directe à une structure de machine de type (e4) (dite directe, phase (d4) externe), ou de type (e5) (dite inversée, phase (d4) interne). Le passa- ge de la description de ce document, qui expose au travers de ses figures et explications essentiellement la structure de machine (e4), à la structure (e5), s'obtient en effectuant une transformation symétrique radiale des pièces constituant les phases (d4), notamment sur les dents (b4) et (b5), qui deviennent alors extérieures à la phase. L'homme du métier saura effectuer cette transposition sans difficulté. 10 11 REVENDICATIONS1/ Phase (d4) de moteur homopolaire, constituée d'une galette (aO), carac- térisée en ce que la jambe (a3) de chaque dent rejoint la jambe de la dent 5 suivante avant d'avoir touché la culasse(a4), ladite jambe (a3) remplissant partiellement ou complètement l'espace inter-dents (a6). 2/ Phase (d4) de moteur homopolaire, constituée d'une galette (aO), selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre interne (a11) est diminué par la présence d'un décrochement dans la zone (a7) en bout de dent (a5). 3/ Phase (d4) de moteur homopolaire, constituée d'une galette (aO), selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par la présence de trous (b9) ou d'encoches (b10) situés dans une zone de faible induction magnétique, lesdits trous (b9) ou encoches (b10) permettant de faire passer les fils d'alimentation des bobines (b3). 10 15 20 25