Brevet FR3006825A1 — publié le 20141212

Machine homopolaire à bobinage décalé. Contexte de l'invention. Dans la suite on appelle machine électrique un dispositif électromagnétique réversible pouvant fonctionner aussi bien en moteur électrique qu'en génératrice. Le domaine de l'invention est le domaine des machines électriques homopolaires avec entrefer à denture à courant continu de petite ou grande dimension pour des applications de faibles puissances (petits actionneurs électriques) ou de fortes puissances (production d'électricité ou traction électrique). Ces machines selon l'invention sont particulièrement silencieuses. Etat de l'art Rappelons que l'on nomme « homopolaire » des machines dont les lignes d'induction dans l'entrefer sont toujours dans le même sens sur toute la surface de l'entrefer. Les machines homopolaires du type « roue de Barlow » se sont essentiellement développées dans la configuration dite « machine de Poirson ». On connaît leurs avantages : Robustesse, commande très simple, silence, collecteur simple sans commutation de courant. Néanmoins, le principal inconvénient est qu'elles ont par construction un seul tour de bobinage induit, ce qui impose un fonctionnement à faible tension et très fort courant. Citons leurs applications déjà anciennes en Electrolyse (On connaît des machines de type 600 kW, 12V, 50000 A). De nos jours, seule une application pour la propulsion marine semble proposée, du fait notamment du silence de ces moteurs. On citera la référence : ("PERFORMANCE OF TWIN-ROTOR DC HOMOPOLAR MOTOR, Thesis Zhiwei, http:fietdisu.edu/docs/available/etd-04012011- 015743/unrestricted/Zhiwei_Thesis.pdf) Partant, les machines à courant continu à collecteur commutateur (machine cc) les ont remplacées car elles permettent la mise en série de multiple spires et la diminution de l'ampérage associé. On sait leurs gros avantages : réglage facile de la vitesse, du couple et du sens de rotation à travers une commande facile, mais aussi leur gros inconvénient du à leur collecteur à commutation de courant qui est complexe de réalisation, siège d'arcs électriques au moment de la commutation (donc leur emploi impropre dans certains environnement) qui l'usent rapidement, génèrent des parasites, les problèmes de frettage, de brasage des lames de collecteur etc. Bien qu'encore largement utilisées à cause de leurs avantages, de par les inconvénients liés à ces machines, on préfère souvent actuellement aux moteurs à courant continu à collecteur d'autres machines telles que les machines synchrones autopilotées, les machines à réluctance variable, les moteurs « brushless » connues de l'homme de métier mais qui ont aussi leurs inconvénients divers (commande par électronique de puissance pilotée par capteurs de positions, modélisation complexe, bruits ...). On trouve de nombreux ouvrages dans la littérature procurant une vision synthétique de l'ensemble des principes régissant ces machines. Par exemple : « Les moteurs électriques expliqués aux électroniciens : Réalisations pratiques démarrage, variation de vitesse, freinage » de Gérard Guihéneuf aux éditions Elektor. Tout en gardant tous les avantages des moteurs à courant continu, et conservant les avantages spécifiques des machines de types « Poirson » (simplicité, robustesse, absence de feuilletage et surtout un fonctionnement extrêmement silencieux), c'est l'objet de cette invention de pallier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Ce qui suit, décrit les principes et propose quelques structures de bases associées à l'invention sans les épuiser. Description La machine décrite ci-dessous pallie aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Elle est très simple tant d'un point de vue de sa construction que de son alimentation et fonctionne aussi bien en moteur qu'en génératrice. Elle peut avoir une large gamme de dimension et d'emploi. Du plus, il est parfaitement clair que, dans ce qui suit, le rôle de Stator inducteur et de rotor induit peut être changé en Stator induit et Rotor inducteur en vertu du principe de l'action et de la réaction. L'objet de l'invention est donc la machine électrique suivante : Machine électrique homopolaire tournante autour d'un axe (D), comportant : Un élément inducteur (1) à symétrie de révolution selon ledit axe (D) comprenant un dispositif d'aimantation (2) induisant dans un entrefer (E) un champ magnétique uniforme. Un élément induit à symétrie de révolution selon ledit axe (D) comportant : o Une pluralité de dents (d) portant des encoches (e), inscrites dans au moins un volume torique (V) (3,4), situées au contact de l'entrefer (E) et dont chacune est séparée, dans ce volume, de ses voisines par un espace (P) non ferromagnétique et porte au moins un bobinage alimenté par un courant continu. o Au moins un élément de guidage (5) du flux magnétique hors dudit volume (V) vers l'inducteur. Un entrefer (E) constitué par l'espace situé entres les surfaces (S) desdites dents ferromagnétiques et les surfaces de l'inducteur. Caractérisée en ce que : Ledit bobinage est composé de conducteurs (6) comportant plusieurs tours, entrelacés entre les dents, logés dans les encoches (e) des dents (d) d'au moins un volume torique (V), parcourus d'une part, dans toutes les dents du volume par un courant (I) de même sens, et parcourus d'autre part en se refermant dans les espaces vides (P) situés entre les dents par le même courant I en sens opposé. Dans ce qui suit : Les figures 1 à 4 décrivent les concepts fondateurs de l'invention : multi-spires, échappement du flux et bobinage entrelacé décrits ci-après. - La figure 5 et 5bis décrit les principes d'une réalisation avantageuse d'une machine tournante selon l'invention avec l'induit au Rotor (R) et l'inducteur au Stator (ST) et le bobinage entrelacé entre deux couronnes du Rotor. Le champ inducteur est radial et les courants actifs du rotor sont axiaux. La figure 6 décrit en détail une machine qui relève de l'invention mettant en oeuvre de façon pratique les principe des figures 5. La figure 7 illustre les principes de fonctionnement d'une autre réalisation possible, utilisant des pièces en « U » et dont chaque couronne de dents porte un bobinage entrelacé avec les dents de cette couronne. Le champ inducteur est radial et les courants actifs du rotor sont axiaux. La figure 8 propose un autre exemple possible de structures de machines possibles selon l'invention proposant une structure discoïde dont l'induction magnétique est radiale et le courant axial. La figure 9 décrit un autre type de structure, toujours selon l'invention, dont le champ magnétique inducteur est axial, composée d'une seule couronne dentée et dont le courant dans les conducteurs des dents est axial. Principes fondateurs de l'invention : Nous avons expliqué que dans les machines de type Poirson, décrite notamment dans « Actionneurs électromagnétiques-Classification technologique, Techniques de l'ingénieur, D3412, Fig 8 » et selon la figure 1, un flux magnétique radial CD homogène coupe un conducteur voire plusieurs parcourus par un courant I, engendrant une force de Laplace sur ledit conducteur. L'interaction des lignes de champs magnétiques et le courant électrique circulant dans l'induit (le stator), génère donc un couple par l'intermédiaire des forces de Laplace de nature à mettre en rotation le moteur. Dans ce type de machine cependant, l'agencement des conducteurs par rapport au champ magnétique ne permet pas de bénéficier d'un grand nombre de « tours » de conducteurs. Tout se passe comme si il n'y avait véritablement qu'un seul conducteur. Le premier élément constitutif de l'invention réside dans la figure 2. Nous conservons comme sur la figure 1 une orthogonalité entre les lignes de champs et le courant I, mais cette fois, le conducteur est bobiné sur un grand nombre de tours autour d'une pièce polaire ferromagnétique ou « barreau ». Cette mise en série permet in-fine d'augmenter la force électromotrice résultante. Telle quelle cependant, la machine ne peut pas fonctionner car le flux du champ inducteur coupe perpendiculairement des conducteurs en haut et en bas de la pièce conduisant des courants opposés et donne ainsi une force électromagnétique résultante nulle. Comme il est clair également que le flux magnétique inducteur considéré doit se refermer à travers un circuit magnétique, un second élément constitutif de l'invention va consister à fournir au flux magnétique une solution de « fuite » du barreau précédent afin de le mener hors des conducteurs de retour du courant tout en permettant de refermer le circuit magnétique de la machine. Ceci est décrit figure 3. Sur cette figure, on va forcer le flux magnétique à ressortir hors des conducteurs par au moins une autre des 3 autres faces de la dite pièce. On va ainsi canaliser le flux magnétique grâce à des pièces ferromagnétiques appelées « liaisons » par la suite. Ainsi, Sur la figure 3, par exemple, le flux ressort par une des faces latérales de la pièce portant le bobinage, après un trajet dans celle-ci, solutionnant le problème précédent. La seconde caractéristique constitutive de l'invention consiste donc en ce que le circuit ferromagnétique du moteur se referme par l'intermédiaire de liaisons ferromagnétiques qui partent d'au moins une autre surface de la pièce ci-dessus, différentes de celle induite. Ainsi, selon une première réalisation (R1) de l'invention, au moins une des dents d'une pièce en « U » est soumise un champ d'induction B uniforme sur toute la surface et sensiblement normale (perpendiculaire) à cette surface. Ce champ d'induction, passe à l'intérieur de la dent et suit un trajet axial dans le « U » sans couper d'autres conducteurs. Alternativement, dans un second mode (R2) de réalisation de l'invention le champ peut se refermer par le cylindre ferromagnétique axial liant deux couronnes ferromagnétiques entre elles. Mais les deux caractéristiques précédentes ne sont pas suffisantes. Pour être en mesure de créer un effort mécanique dans l'entrefer de ce type de machine, il convient que la composante du tenseur de Maxwell BN. HT , dans laquelle BN est la composant normale du champ magnétique et HT la composante tangentielle de l'excitation magnétique dans l'entrefer, soit non nulle. Il est évident que BN l'est dans l'entrefer car par hypothèse le champ inducteur est normal et constant. Il faut maintenant s'assurer qu'il existe un champ magnétique tangentiel non nul dans l'entrefer. C'est l'objet du troisième élément constitutif de l'invention et va nous amener à proposer un bobinage des conducteurs dit « décalé » et différent de celui schématisé sur les figures 1 à 3. En effet si chaque dent portant le bobinage était telle que les conducteurs actifs autour de la dent portant des courants de sens opposés soient symétriques par rapport au plan (P) médian de la dent, alors, même en l'absence de flux coupé par le conducteur de retour du courant, le champ tangentiel dans l'entrefer serait nul, de la même façon qu'un champ magnétique est quasi-nul à l'extérieur d'un solénoïde, et il n'y aurait pas ou peu d'efforts générés dans l'entrefer. Tout se passe comme si la totalité du flux magnétique généré par le système de conducteurs restait confiné entre les conducteurs sans générer de composante tangentielle dans l'entrefer. L'idée supplémentaire consiste donc à décaler dans l'espace (P) inter-dents le conducteur de retour du courant. On voit le parcours du courant sur la figure 4 qui représente une vue développée et en coupe radiale de deux dents de l'induit. Le conducteur de retour (identifié par une croix) se trouve décalée du plan du conducteur actif (identifié par un point) et placé dans l'espace vide inter-dents (P)). En s'aidant de la figure 7 détaillée un peu plus loin, on montre à l'aide du théorème d'ampère qu'il existe une composante tangentielle dans l'entrefer. En effet n'importe quel contour perpendiculaire au courant utile sur la surface de la dent que l'on peut utiliser pour calculer la circulation du champ magnétique - et donc sa valeur dans l'entrefer - n'englobe alors qu'un seul conducteur selon l'invention. Comme indiqué sur la figure 7, la composante tangentielle du champ n'est donc pas annulée par le conducteur de retour car celui-ci n'est pas actif sur le contour « abcd ». On voit également que l'espace inter-dents ne concoure pas à créer sur la machine un effort négatif important parasitant son fonctionnement car la taille de l'entrefer dans l'espace (E) rendant faible l'interaction des champs. Le calcul des champs sur les contours « efgh » le montre s'il est besoin de façon évidente. Les concepts décrits précédemment, multi-spires, liaisons de guidage du flux, et bobinage décalé en association, posent donc les bases d'une nouvelle architecture de machine qui consiste en une machine analogue à une machine à courant continu mais à collecteur sans commutation. Nous allons maintenant décrire deux réalisations de machines basées sur les principes précédents. Premier mode préféré de réalisation de l'invention. On décrit ci-après un mode de réalisation avantageux de l'invention. De façon simple, l'induit est constitué selon les figures 5 et 5bis d'au moins deux couronnes porteuses de dents et décalées angulairement d'une dent. Dans la suite de l'invention, sans perdre en généralité, nous considérerons que chaque dent possède une section polygonale avantageusement rectangulaire pour des raisons de simplicité de réalisation de la machine. Cette section pourrait aussi être de section quelconque. Selon la figure 5 qui illustre le principe de fonctionnement, le bobinage est ici assez facile à réaliser car il entoure alternativement les dents et les espaces inter-dents des deux couronnes de façon à ce que les courants circulent toujours dans les encoches (e) des dents d'une même couronne dans le même sens (opposé respectivement sur chaque couronne). Les courants passent ensuite dans l'espace entre les dents (P) de ladite couronne dans un sens opposé au premier. Le circuit du courant est représenté en pointillé sur la figure 5. Ici, selon la figure 5bis, le flux magnétique sort de la première couronne par le cylindre ferromagnétique axial liant les deux couronnes qui est donc lui-même l'élément de guidage du flux et se referme dans le stator par les dents de la deuxième couronne et l'entrefer. On a représenté schématiquement sur la figure 5bis, qui est une coupe axiale de la machine simplifiée, le trajet du flux le long du rotor et du stator en trait « point carré ». D'un point de vue vocabulaire, on comprendra que les dents des machines décrites en rotation balaient un ou plusieurs volumes de type torique ou cylindrique. Dans ce volume, pour la pièce portant les dents, nous avons choisi le mot « couronne » qui évoque le caractère dentée de cette pièce. Nous allons maintenant décrire la figure 6 qui est une implémentation plus détaillée d'une machine mettant avantageusement en oeuvre les principes ci-dessus. Sur la figure 6, on voit donc un stator Ferromagnétique ST (1) qui porte un bobinage inducteur (2) alimenté par un courant continu, qui peut également selon l'état de l'art être remplacé par au moins au aimant et qui créé un champ magnétique uniforme radial sur les faces supérieures des dents des couronnes du rotor (R). Avantageusement, le stator ne comporte pas de denture et présente à l'entrefer une surface lisse. En (3) et (4) on a représenté deux couronnes dentées décalées angulairement de l'équivalent d'une dent, ici munies de trois dents (d) munies d'encoches et de trois espaces inter-dents ou « creux ». Les deux couronnes sont reliées par une pièce ferromagnétique, le cylindre hexagonal (5) qui assure la jonction du flux magnétique. On a représenté en (6) un ensemble de conducteurs reliant ici un « creux » de la première couronne à une dent du second, puis le « creux » adjacent de celle-ci avant de revenir par une dent de la première couronne. Pour ne pas surcharger le dessin, nous n'avons représenté qu'une seule série de conducteurs alors qu'ils sont disposés dans toutes les dents. En (7) on remarque que les conducteurs sont reliés à la source de courant continu par un conducteur à bagues rotatif classique ou « slip ring ». Selon un second mode de réalisation de l'invention, l'induit est encore au rotor (R) et l'inducteur est au stator (ST). Le Rotor de la machine est composé de pièces en forme de « U ». On appelle « U » induit la pièce polaire dessinée en deux exemplaires à la figure 7 et Ibis. Pour des raisons de simplicité et de symétrie, on a choisi de représenter une pièce en « U » qui comporte deux dents (les barres verticales du « U »), mais ce n'est pas une obligation et le flux magnétique pourrait se fermer d'une façon asymétrique. Symétrie oblige, nous limiterons notre description au rôle joué par une seule dent. Placées sur un cylindre non ferromagnétique, ces pièces en « U » séparées par un espace d'air représentent dans un plan normal à l'axe de rotation deux « couronnes » toriques de dents ferromagnétiques séparées par des interstices, et chaque dent étant liée à celle de « derrière » par la liaison magnétique horizontale du « U ». L'espace balayée par chaque dent du « U » constitue un volume Torique dans lequel s'inscrit l'ensemble des dents. La surface des dents constitue par ailleurs un entrefer avec le dispositif inducteur. Pour cette réalisation, au moins une couronne comporte des dents autour desquelles sont entrelacés des conducteurs et avantageusement, un cylindre amagnétique porte ces pièces en « U » . Par conséquent, les éléments de liaison de fermeture du circuit magnétique entre les couronnes sont les liaisons « horizontales » axiales des « U ». On notera que les dents des deux couronnes pourront avantageusement porter des bobinages pour renforcer le nombre de spires induites, bien que selon le principe, une seule couronne peut être bobinée et la seconde peut être passive. Naturellement, il est fondamental selon l'invention de bobiner les conducteurs dans les encoches des dents de façon à ce que ceux-ci passent dans un même sens axial dans de toutes les dents limitant l'entrefer et repassent dans l'espace inter-dents dans un sens axial opposé. D'autres types de structures sont également possibles selon l'invention. On peut en effet imaginer à partir des principes évoqués un grand nombre de structures. A titre d'exemple, nous allons schématiser deux nouvelles structures ci-après. Ainsi, toujours comportant un champ inducteur radial et des conducteurs axiaux, nous proposons une machine de type discoïde selon la figure 8. Le champ inducteur, du fait de la forme du circuit magnétique, peut être induit dans l'entrefer en haut et en bas d'une dent dans les encoches ou passent les conducteurs. Chaque dent porte donc avantageusement deux bobinages en haut et en bas qui traversent périodiquement respectivement le haut et le bas de la dent (d) dans des encoches axiales, puis traverse le Bras (B) amagnétique de support puis le creux (c) au regard de la première dent, pour se refermer successivement dans la dent voisine du creux (c) puis le creux au regard de cette dernière et ainsi de suite. Dans cette réalisation, une même dent porte avantageusement deux bobinages pour une grande efficacité. Sur la figure 9 on voit une autre forme possible de machine de type discoïde qui a ceci de remarquable que le champ magnétique induit cette fois est axial et les encoches de circulation du courant sont radiales, comme la circulation du courant. Il y a un seul couronne dentée, composé de dents et de creux qui se succèdent. Les conducteurs passent sur les côtés des dents dans une direction radiale et interagissent avec le champ magnétique axial de part et d'autre de la couronne induite à travers les entrefers de droite et de gauche. Là encore, chaque dent porte avantageusement deux bobinages. Dans le cas général, le courant d'alimentation de l'inducteur du stator peut être différent de celui qui circule dans les spires du rotor. Dans le cas où l'élément d'aimantation du stator est une bobine alimentée en série avec le même courant que le courant circulant dans le circuit du rotor composé de la bobine, les contacts et le rotor , on obtient la possibilité d'alimenter le stator ET le Rotor en courant alternatif, car comme les machines à courant continu à alimentation en série, les courants induits suivent la polarité du champ d'induction. Dans ce cas, on pourra feuilleter les tores et les pièces de liaison pour limiter les pertes par hystérésis. On obtient alors un moteur dit « universel ». D'autre part, il est également aisé de transformer ces moteurs en actionneurs linéaires. Enfin, en vertu de la réciprocité liée à ce type de machine, il est clair que la machine décrite peut fonctionner en moteur ou en génératrice. Lorsque l'inducteur est au rotor et que la machine fonctionne en génératrice, la machine peut alors fonctionner en dynamo ou alternateur et produire du courant continu ou alternatif pour de nombreuses applications (voiture, éolienne etc.) REVENDICATIONS1/ Machine électrique homopolaire tournante autour d'un axe (D), comportant : Un élément inducteur (1) à symétrie de révolution selon ledit axe (D) comprenant un dispositif d'aimantation (2) induisant dans un entrefer (E) un champ magnétique uniforme. Un élément induit à symétrie de révolution selon ledit axe (D) comportant : o Une pluralité de dents (d) portant des encoches (e), inscrites dans au moins un volume torique (V) (3,4), situées au contact de l'entrefer (E) et dont chacune est séparée, dans ce volume, de ses voisines par un espace (P) non ferromagnétique et porte au moins un bobinage alimenté par un courant continu. o Au moins un élément de guidage (5) du flux magnétique hors dudit volume (V) vers l'inducteur. Un entrefer (E) constitué par l'espace situé entres les surfaces (S) desdites dents ferromagnétiques et les surfaces de l'inducteur. Caractérisée en ce que : Ledit bobinage est composé de conducteurs (6) comportant plusieurs tours, entrelacés entre les dents, logés dans les encoches (e) des dents (d) d'au moins un volume torique (V), parcourus d'une part, dans toutes les dents du volume par un courant (I) de même sens, et parcourus d'autre part en se refermant dans les espaces vides (P) situés entre les dents par le même courant I en sens opposé. 2/ Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que le champ magnétique de l'inducteur est radial, les encoches (e) et le courant (I )sont axiaux. 3/ Machine électrique selon la revendication 2 caractérisée en ce les dents (d) de l'élément induit font partie d'au moins un volume torique de type couronne ferromagnétique plein porté par un cylindre ferromagnétique axial qui constitue l'élément de guidage du flux. 4/ Machine électrique selon la revendication 3 caractérisée en ce que : o L'élément induit comporte deux volumes toriques de types couronnes ferromagnétiques (D1, D2) identiques décalés angulairement (3, 4) et qu' un même bobinage s'intercale entre les dents des deux couronnes et parcourt successivement et périodiquement les encoches des dents de la première couronne et l'espace inter-dent de la seconde couronne dans unmême sens, puis les encoches des dents de la seconde couronne et l'espace inter-dents de la première couronne dans des sens opposés. o Le cylindre (5) de guidage du flux est un cylindre polygonal qui connecte magnétiquement lesdites couronnes. 5/ Machine électrique selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'élément induit est composé : o De deux ensembles de dents inscrites dans deux volumes toriques et constituées par les barres radiale d'une pièce en «U » , ladite pièce est isolée de ses voisines par un espace (P) non ferromagnétique et portée par un axe amagnétique. o L'élément de guidage est constitué par la barre axiale de ladite pièce en « U ». o Chaque ensemble de dents porte au plus un bobinage indépendant. 6/ Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que le sens du champ magnétique de l'inducteur est axial, les sens des encoches (e) et le courant I sont radiaux. 7/ Machine électrique selon la revendication 6 caractérisée en ce qu'elle ne comporte qu'un seul volume torique induit. 8/ Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que l'élément induit est au rotor (R) et l'élément inducteur au stator (ST). 9/ Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que l'élément induit est au stator (ST) et l'élément inducteur au rotor (R). 10/ Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que l'élément inducteur (1) est constituée d'au moins un aimant permanent ou d'un bobinage (2) alimenté par une source de courant continu.