Brevet FR3002382A1 — publié le 20140822

MACHINE ELECTRIQUE A FLUX SELON AU MOINS DEUX FACES D'UN TORE 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 sans denture avec entrefer lisse 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). 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. On citera la référence : ("PERFORMANCE OF TWIN-ROTOR DC HOMOPOLAR MOTOR, Thesis Zhiwei, http:fietd.Isu. eduiclocs/availableetd-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 leur préfère souvent actuellement 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, 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 10 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, 15 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 à entrefer lisse sans denture, tournante autour d'un axe (D), comportant : Un élément induit à symétrie de révolution selon (D) comprenant au moins un Tore 20 ferromagnétique T1 (3-10) d'axe (D) autour duquel est enroulé au moins un bobinage (5-13) alimenté par un courant continu ou alternatif, Un élément inducteur à symétrie de révolution selon (D) comprenant un dispositif d'aimantation (2-12) induisant un champ magnétique normal uniforme à au moins toute une surface Si du segment de Tore Ti, 25 caractérisée en ce que ledit élément induit comprend au moins une liaison ferromagnétique locale (4-14) (plot) canalisant le flux d'induction à travers au moins une surface S2 du Tore différente de la surface induite Si. Dans la suite de l'invention, sans perdre en généralité, nous considérerons que le Tore possède une section polygonale avantageusement rectangulaire pour des raisons de simplicité de réalisation de la machine. Le 30 Tore peut aussi être de section elliptique, mais l'interface avec les plots de fermeture du circuit magnétique seront plus difficile à réaliser. On parlera donc de manière avantageuse d'une machine électrique caractérisée en ce que le Tore T1 est un Tore à section rectangulaire et qu'au moins une liaison électromagnétique locale est issue d'au moins une des trois autres surface 52 du tore (T3) dans une direction sensiblement normale à cette surface. Il est clair que dans le cas d'un Tore à section rectangulaire ou polygonale, la surface Si induite du Tore sera clairement définie et se limitera à une face du Tore, induite sur toute sa circonférence. Le cas général où le Tore serait de section quelconque est équivalent. On définit par exemple simplement la surface Si comme étant la surface qui reçoit la quasi-totalité du flux de l'inducteur et la surface S2 comme une autre surface ne recevant quasiment rien. Par ailleurs, par liaison « locale », on veut dire que la, ou les liaison(s) ne sont pas issues de toute une surface du Tore, mais une petite partie de celle-ci Dans ce qui suit : Les figures 1, 2 et 3 décrivent les concepts fondateurs de l'invention : Principe d'action, multispires et échappement du flux décrits ci-après. La figure 4 décrit l'ensemble des surfaces possibles d'induction et d'échappement pour un Tore à section rectangulaire. La figure 5 décrit une réalisation possible d'une machine tournante selon l'invention avec l'induit au Rotor (R) et l'inducteur au Stator (S). La figure 6 décrit une autre réalisation possible d'une machine tournante selon l'invention avec l'inducteur au Rotor (R) et l'induit au Stator (S). La figure 7 illustre les principes de fonctionnement de la machine de la figure 5. La figure 8 illustre les principes de fonctionnement de la machine de la figure 6. La figure 9 propose d'autres exemples possibles de structures de machines possibles selon l'invention. La figure 10 décrit une machine linéaire selon 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 IrD 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, l'agencement des conducteurs par rapport au champ magnétique ne permet pas de bénéficier d'un grand nombre de « tours » de conducteurs. Un des éléments constitutifs 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'un tore ferromagnétique. Cette mise en série permet in-fine d'augmenter la force électromotrice résultante. Il est clair cependant que le flux magnétique inducteur considéré doit se refermer à travers un circuit magnétique. Par conséquent un second élément constitutif de l'invention va consister à fournir au flux magnétique une solution de « fuite » du tore afin de le mener hors des conducteurs et 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 du Tore. On va ainsi canaliser le flux magnétique grâce à des pièces ferromagnétiques (6) appelées plots par la suite. Ainsi, Sur la figure 3, par exemple, le flux ressort par une des faces latérales du Tore après un trajet dans le tore solutionnant le problème précédent. Les concepts décrits précédemment, multi-spires et liaisons d'échappement du flux, 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. En ce qui concerne le circuit « d'échappement » du flux magnétique à travers au moins une face du Tore, on dénombre selon la figure 4, pour un Tore à section rectangulaire, au moins 12 dispositions possibles pour l'élément de liaison ferromagnétique de court-circuit du flux. Sur la figure 4, E est une des 4 faces possible du Tore recevant le flux magnétique, on dénombre à chaque fois trois autres faces possibles de sortie, soit au moins 4*3=12 arrangements possibles de machines. On peut naturellement envisager de sortir le flux par plus d'une face du Tore. Une caractéristique essentielle de l'invention consiste en ce que le circuit ferromagnétique du stator se referme par l'intermédiaire de liaisons ferromagnétiques -appelées plots- qui partent d'au moins une autre surface du Tore ci-dessus, différentes de celle induite. Ainsi, selon l'invention, au moins une des faces d'un Tore est soumise un champ d'induction B uniforme sur toute la surface et sensiblement normale (perpendiculaire) à cette surface. Ce champ d'induction, lorsqu'il passe à l'intérieur du Tore suit un trajet le long du Tore puis sort vers l'extérieur à certains endroits, par au moins une des trois autres faces du Tore. Ces sorties sont réalisées par l'intermédiaire et de pièces ferromagnétiques, les plots, en général sensiblement perpendiculaires à la face de sortie qui canalisent le flux magnétique hors du Tore. Nous allons maintenant décrire deux réalisations de machines basée sur les principes précédents. La description qui suit décrit une première réalisation qui se base sur la figure 5. Dans cette réalisation, l'induit est au rotor (R) et l'inducteur est au stator (S). Dans cette partie, nous décrivons une machine présentant des conditions de symétrie évidentes sur la figure 5, mettant en oeuvre les principes revendiqués. De plus, la surface Si induite est la surface extérieure du tore et la surface S2 portant au moins un élément de liaison ferromagnétique (plots (4)) est la surface intérieure du tore parallèle à Si. Sur la figure 5, on voit donc un stator Ferromagnétique (S) 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 radial et qui créé un champ magnétique radial sur la face supérieure d'au moins un tore (3) du rotor (R). Pour cette réalisation le rotor comprend donc deux Tores parallèles dont au moins un Tore(3) autour duquel sont bobinés des conducteurs (5) et un cylindre ferromagnétique (6) portant ces Tores. Par conséquent, les éléments de liaison sont les simples raccordements ferromagnétiques issus de la surface intérieure du Tore avec le cylindre ferromagnétique (6) portant le Tore. Ce Tore est donc doté par endroit de plots ou ponts ferromagnétiques (4) qui le raccorde au cylindre (6) dont le rôle est d'amener le flux induit dans le Tore vers le second Tore afin de refermer le circuit magnétique par le cylindre et l'entrefer. On notera que les deux Tores pourront avantageusement porter des bobinages (5) pour renforcer le nombre de spires induites, bien que selon le principe, un seul Tore peut être bobiné et le second peut être passif. On remarque également sur la figure 5 les bagues (7) de contact avec le collecteur d'alimentation, le bâti (8) du stator ainsi que les fils (9) d'arrivée du courant. La figure 7 résume fonctionnellement le fonctionnement des moyens ci-dessus en représentant respectivement en pointillé le circuit magnétique d'induction (I) du rotor et en trait gras le circuit du courant électrique I qui passe par les contacts, et les spires des Tores du rotor. On notera selon l'invention que le flux magnétique entre dans la surface supérieure du tore est conduit dans le tore (3) selon une composante tangentielle puis sort en dehors des conducteurs par la surface parallèle à la première surface induite avant d'être conduite vers le second tore par un plot axial (4) puis refermé dans le stator à travers l'entrefer. 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 (5) alimenté en série avec le même courant que le courant circulant dans le circuit du rotor composé de la bobine (4), 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 ». Dans un second mode de réalisation de l'invention, on va décrire une machine électrique dans laquelle l'induit est au stator et l'inducteur est au rotor. De plus, la surface Si induite est la surface intérieure du tore et la surface S2 portant au moins un élément de liaison ferromagnétique axiale (plots (4)), parallèle à l'axe (D) est une surface latérale du tore perpendiculaire à Si. Dans cette partie, nous décrivons une machine présentant des conditions de symétrie évidentes sur la figure 7, mettant en oeuvre les principes revendiqués. Sur la figure 6, on voit donc un rotor Ferromagnétique (R) composé d'une pièce polaire formé d'un cylindre ferromagnétique (15) et des couronnes (11) insérant un bobinage inducteur (12) alimenté par un courant continu qui créé un champ magnétique radial sur la face inférieure d'au moins un tore (3) d'un stator ferromagnétique (S). Cet élément inducteur peut évidemment être remplacé par un ou plusieurs aimants permanents. On peut noter ici que dans le cas où l'élément inducteur est un aimant placé au Rotor, la machine est intégralement sans commutation de courant et sans contacts. On supprime ainsi totalement le besoin de collecteur pour cette machine ce qui en fait une machine particulièrement intéressante. Pour cette réalisation le stator (S) comprend deux Tores parallèles (10) dont au moins un Tore autour duquel sont bobinés des conducteurs (13). Ce Tore est doté par endroit de plots ferromagnétiques (14) dont le rôle est d'amener le flux induit dans le premier Tore vers le second Tore afin de refermer le circuit magnétique par l'entrefer. On notera que les deux Tores pourront avantageusement porter des bobinages (13) pour renforcer le nombre de spires induites, bien que selon le principe, un seul Tore peut être bobiné et le second peut être passif. On remarque également sur la figure 6 les bagues (16) de contact avec le collecteur d'alimentation, le bâti (17) du stator ainsi que les fils (18) d'arrivée du courant. La figure 8 résume fonctionnellement le fonctionnement des moyens ci-dessus en représentant respectivement en pointillé le circuit magnétique d'induction 4' du stator et en trait gras le circuit du courant électrique I qui passe avantageusement par une première bague de contact, les spires des Tores du stator, les spires de l'inducteur du rotor pour ressortir par une seconde bague de contact (Pour des raisons de commodités, nous n'avons pas représenté sur la figure 6 les liaisons filaires entres les contacts mobiles (16) du rotor et la bobine (12)). On notera selon l'invention que le flux magnétique entre dans la surface inférieure du tore est conduit dans le tore (10) selon une composante tangentielle puis sort en dehors des conducteurs vers le second tore par un plot axial (14) selon une surface latérale du Tore puis referme dans le stator à travers l'entrefer. De manière évidente, l'alimentation en courant du stator et du rotor peut être indépendante, au prix de contacts supplémentaires. 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. Nous avons décrit ici le cas où l'élément d'aimantation du rotor est une bobine (5) alimenté en série avec le même courant que le courant circulant dans le circuit du stator et notamment de la bobine (13) à l'aide des contacts (16) , 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 éviter les pertes par hystérésis. 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.) Les exemples que nous avons décrits selon le principe de l'invention ne sont nullement limitatifs. Sans entrer plus avant dans une description qui entrerait en redondance avec tout ce qui précède, on reconnaîtra sur le schéma de la figure 9 les éléments constitutifs de l'invention. Ce sont des machines homopolaires, munies de Tore(s) bobiné(s) (T) traversés par un flux homopolaire sur au moins une des faces du Tore et dont ledit flux ressort par au moins une autre face à l'aide de plots locaux (P). On donne donc en aperçu, un certain nombre de structures possibles sur ladite figure 9. Ces machines présentent une symétrie par rapport à un axe vertical et une symétrie de révolution autour de l'axe horizontal, exceptée pour les plots « P » qui sont placés comme expliqué précédemment localement, le long du Tore, à certains endroits. Sur la figure 9 en haut en gauche, on voit (traits pleins) que deux surfaces induites (situées latéralement) du tore bobiné travaillent à produire des forces de Laplace. Ainsi, les conducteurs portés par les deux faces du tore induites autres que celle d'échappement sont utilisées de façon utile. Mieux, si l'on considère une pièce supérieure chapotant la machine (traits pointillés) alors, trois surfaces induites (deux situés latéralement et une supérieurement) du tore bobiné travaillent à produire des forces de Laplace. Ainsi, les conducteurs portés par les trois faces du tore induites autres que celle d'échappement sont utilisées cette fois, de façon utile, réalisant dans ce cas une machine particulièrement optimale. On voit sur cette figure en haut de la figure 9, qu'un seul Tore suffit à mettre en oeuvre les principes de l'invention qui peut en comporter également plusieurs, actifs ou passifs comme décrit précédemment aux figures 5 et 6. Dans tout ce qui précède, nous avons décrit pour des raisons de commodités de réalisation que le Tore induit était un Tore complet dotés de plots d'échappement du flux par des surfaces différente de la face induite. Les principes de l'invention restent parfaitement valables dans le cas où le Tore est constitué de plusieurs segments ferromagnétique bobinés disjoints desquels s'échappent le flux par des surfaces différente de la surface induite. Selon l'invention, l'intersection entre ces liaisons issues du segment de Tore (dans des directions pouvant être quelconques) et ledit Tore portant le segment de Tore correspond à au moins une surface S2 différente de la surface induite Si du segment de Tore. Par exemple, selon un cas extrême, les liaisons de fermeture du circuit magnétiques pourraient être issues de ces segments de Tore par pliage ou conformation. Par ailleurs, toujours selon les principes de l'invention, un développement des Tores selon un axe (le moteur linéaire est un cas particulier de machine tournante avec un rayon de rotor infini) conduit à des structures linéaires adoptant les mêmes principes. Sur la figure 10, on a développé selon un axe les éléments inducteur et induit précédent. Sur la figure. On reconnait un stator fixe comprenant un aimant permanent (dont la flèche indique le sens d'aimantation) et un rotor mobile en « H » dans un plan et sur un axe perpendiculaire à la feuille, comprenant deux parallélépipèdes rectangles (les Tores développés) bobinés alimentés à travers des contacts. Ici, la barre horizontale du « H » est l'élément de liaison ferromagnétique locale d'échappement du flux magnétique selon l'invention. Ici, l'induction se fait donc à travers la face intérieure d'au moins un Tore développé (une barre verticale du « H ») et le flux s'échappe par un plot issu d'une surface latérale.25 REVENDICATIONS1/ Machine électrique homopolaire à entrefer lisse sans denture, tournante autour d'un axe (D), comportant : Un élément induit à symétrie de révolution selon (D) comprenant au moins un Tore ferromagnétique Ti (3-10) d'axe (D) autour duquel est enroulé au moins un bobinage (5-13) alimenté par un courant continu ou alternatif, Un élément inducteur à symétrie de révolution selon (D) comprenant un dispositif d'aimantation (2-12) induisant un champ magnétique normal uniforme à au moins toute une surface Si du segment de Tore Ti, caractérisée en ce que ledit élément induit comprend au moins une liaison ferromagnétique locale (4-14) (plot) canalisant le flux d'induction à travers au moins une surface S2 du Tore différente de la surface induite Si. 2/ Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'élément induit est au rotor (R) et l'élément inducteur au stator (S). 3/ Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'élément induit est au stator (S) et l'élément inducteur au rotor (R). 4/ Machine électrique selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisée en ce que le Tore Ti (3-10) est un Tore à section polygonal et avantageusement rectangulaire 5/ Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que l'élément inducteur (2-12) est constituée d'au moins un aimant permanent. 6/ Machine électrique selon la revendication 1, 2, 3 ou 4 caractérisée en ce que l'élément inducteur (2-12) est un bobinage alimenté par une source de courant continu ou alternatif. 7/ Machine électrique selon la revendication 6 caractérisée en ce que le bobinage (5-13) de l'induit et le bobinage (2-12) de l'inducteur sont alimentés en série par le même courant continu ou alternatif. 8/ Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'au moins un Tore de l'élément induit ne comporte pas de bobinage.9/ Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'au moins un Tore de l'élément induit est composé de plusieurs segments de Tore ferromagnétiques bobinés. 10/ Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les éléments inducteur et induit sont développés selon un axe et que l'un d'eux est mobile selon cet axe.