Brevet FR3033101A1 — publié le 20160826

Machine électrique à commutation de flux La présente invention se rapporte à une machine électrique à commutation de flux. Dans le domaine des machines électriques, de nombreuses structures de rotor et de stator ont été conçues pour optimiser le rendement, la puissance massique et la facilité de commande des machines. On connait notamment des machines à reluctance, dont le rotor io est en matériau ferromagnétique et dont le stator comprend une pluralité de bobinages qui, une fois alimentés électriquement, agissent comme des électro-aimants, amenant le rotor à s'orienter suivant le champ magnétique produit par le stator. Cependant, les forces mécaniques produites ne sont liées qu'à l'attraction des pôles 15 rotoriques avec les pôles statoriques, ce qui fait que les performances de ces moteurs sont relativement faibles. On connait notamment du document US5111096 un moteur biphasé unidirectionnel à reluctance commutée, dans lequel le rotor comprend des pôles magnétiquement isolés les uns des autres. 20 Autrement dit, le rotor est constitué d'une pluralité de dents rotoriques en matériau ferromagnétique isolées les unes des autres, le coeur du rotor étant dans un matériau amagnétique. De cette manière les pertes, notamment liées aux courants résiduels dans le rotor, sont diminuées. Cependant, un tel moteur présente une 25 puissance massique relativement faible. On connait aussi des moteurs à aimants permanents dont la force électromotrice est la combinaison de l'attraction produite par certains bobinages du stator sur certains aimants permanents du 3033101 2 rotor et de la répulsion de certains bobinages du stator avec certains aimants permanents du rotor. Ces machines présentent de relativement bonnes performances, en particulier une relativement bonne puissance massique, mais ne sont pas défluxables. 5 Autrement dit, le moteur n'est pas apte à fonctionner au-delà de sa vitesse de base sans défluxage statorique. On connait aussi des machines à commutation de flux, constituées d'un stator et d'un rotor généralement constitué d'un matériau ferromagnétique. Le rotor canalise des flux entre des io bobinages du stator diamétralement opposés. Ces moteurs présentent de nombreux avantages, ils sont facilement défluxables et sont d'une conception relativement simple. Cependant, un inconvénient est que les pôles rotoriques doivent être de relativement petite taille afin de ne pas créer de court-circuit entre 15 deux pôles statoriques adjacents. Ceci impose donc une faible surface d'entrefer et diminue la puissance massique de la machine. Aussi, l'invention vise à obtenir une machine électrique qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur. En particulier, on cherche à obtenir une machine électrique 20 défluxable et apte à fournir une puissance massique relativement élevée. On propose une machine électrique à commutation de flux comprenant un stator et un rotor, le stator présentant une succession de dents, le stator comprenant en outre une pluralité de bobinages. 25 Ladite pluralité de bobinages comprend un premier ensemble de bobinages alimenté par un réseau de courant continu et un deuxième ensemble de bobinages alimenté par un réseau de courant alternatif, de telle sorte que les dents successives du stator 3033101 3 reçoivent en alternance un bobinage du premier ensemble et un bobinage du deuxième ensemble. le rotor comprenant une pluralité de pôles rotoriques isolés magnétiquement les uns des autres, chaque pôle rotorique 5 présentant un segment périphérique interne et un segment périphérique externe, ledit segment périphérique externe définissant une surface d'entrefer en vis-à-vis du stator, ladite surface d'entrefer étant conformée pour pouvoir autoriser le passage d'un flux magnétique entre deux dents adjacentes. io Ainsi, le flux est aiguillé, ou bouclé, entre un bobinage alimenté par un courant continu, aussi appelé bobinage d'excitation, et un bobinage alimenté par un courant alternatif, aussi appelé bobinage d'induit, et en agissant sur le courant traversant le bobinage d'excitation, on peut gérer le défluxage de manière relativement 15 simple, tout en assurant une surface d'entrefer importante. Avantageusement et de manière non limitative, deux bobinages consécutifs du premier ensemble peuvent recevoir un courant de sens opposé et, pour chaque bobinage du deuxième ensemble, le courant alternatif reçu est déphasé d'une valeur prédéterminée par 20 rapport au bobinage précédent du deuxième ensemble. Ainsi, le stator peut comprendre des pôles magnétiques constants produits par les bobinages du premier ensemble, aussi nommés bobinages d'excitation, respectivement des bobinages produisant un pôle nord et un pôle sud, toutes les deux dents 25 adjacentes. Le stator comprend aussi des pôles induits, produits par les bobinages du deuxième ensemble, dits bobinages d'induits, par exemple produits par des réseaux alternatifs à N phases, N étant un 3033101 4 entier supérieur ou égal à 1, les bobinages d'induits étant répartis régulièrement autour du stator, toutes les deux dents, de manière à ce que les bobinages d'excitation soient encadrés par deux bobinages d'induits, de deux phases différentes, si N est supérieur à 5 2. Avantageusement et de manière non limitative, le réseau de courant alternatif peut comprendre trois phases d'un réseau triphasé. Avantageusement et de manière non limitative, les pôles rotoriques peuvent comprendre des plaquettes réalisées en tôle io magnétique feuilletée. Avantageusement et de manière non limitative, le rotor peut comprendre un coeur amagnétique autour duquel sont agencés régulièrement les pôles rotoriques, les pôles rotoriques comprenant des moyens de solidarisation adaptés pour solidariser radialement 15 les segments périphériques internes des pôles rotoriques au coeur amagnétique. Avantageusement et de manière non limitative, les moyens de solidarisation peuvent comprendre une partie en queue d'aronde, faisant saillie du segment périphérique interne, insérée dans le coeur 20 amagnétique. Avantageusement et de manière non limitative, le rotor peut comprendre sept pôles rotoriques, le stator comprenant douze dents. De cette manière, le moteur présente un rapport de puissance massique relativement élevé tout en en étant de conception 25 relativement simple. Avantageusement et de manière non limitative, le rotor peut comprendre quatorze pôles rotoriques et le stator comprenant vingt-quatre dents. Ainsi, on peut limiter les forces parasites en obtenant 3033101 5 une symétrie axiale des pôles rotoriques, deux à deux, par rapport à l'axe de rotation du rotor. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation 5 particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une machine électrique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un pôle io rotorique d'une machine électrique selon le mode de réalisation de la figure 1. En référence à la figure 1, un moteur électrique 1, ici un moteur électrique 1 à commutation de flux, comprend un stator 3 et un rotor 2 séparés l'un de l'autre par un espace d'entrefer. 15 Le stator 3 est un stator de conception classique, du type utilisé pour les machines à reluctance. Le stator 3 présente une forme de cylindre de révolution creux, s'étendant le long d'un axe de rotation 18, et définissant une face circonférentielle externe 3a et une face circonférentielle interne 3b. 20 La face circonférentielle interne 3b présente une alternance de dents 7 et d'encoches 8, chaque encoche 8 étant encadrée par deux dents 7. Chaque dent 7 s'étend radialement en saillie de la face circonférentielle interne 3b et chaque dent 7 présente une face 25 d'entrefer 3b, de forme sensiblement incurvée, dont le rayon de courbure définit une valeur de rayon interne du stator 3, avec pour référence l'axe de rotation 18. 3033101 6 La succession de dents 7 est répartie de manière régulière sur le stator, tout autour de l'axe de rotation 18. Le stator 3 comprend une succession de douze dents 7 s'étendant radialement en saillie de la face circonférentielle interne 5 3b, de manière régulière sur la face circonférentielle interne 3b du stator 3. Autrement dit, les dents sont disposées régulièrement, à l'intérieur du stator 3, chaque dent 7 étant pivotée, par rapport aux dents 7 adjacentes, d'un angle de PI/6 radians autour de l'axe de io rotation 18. Le stator 3 comprend aussi une pluralité de bobinages Bcc,A1,B1,C1,A2,B2,C2, à laquelle on fera référence pour une lecture plus simple par la référence Bcc,ABCn. Le stator 3 comprend un premier ensemble de bobinages Bcc, 15 alimenté par un réseau de courant continu et un deuxième ensemble de bobinages A1,B1,C1,A2,B2,C2, alimenté par un réseau de courant alternatif. Le deuxième ensemble de bobinage sera référencé ABCn dans la suite de la description pour une lecture plus simple. 20 Ici, le deuxième ensemble de bobinages ABCn est alimenté par trois phases d'un réseau triphasé. Chaque dent 7 du stator reçoit un bobinage de la pluralité de bobinage Bcc, ABCn selon un agencement prédéterminé. Les bobinages montés sur les dents 7 du stator s'étendent dans 25 une direction sensiblement parallèle à l'axe de rotation 18 lorsqu'ils passent dans les encoches 8, de manière à s'enrouler autour des dents 7, et dans une direction sensiblement ortho-radiale, ou dans une direction localement circonférentielle, lorsqu'ils passent sur les 3033101 7 dents 7. Autrement dit, les têtes de bobines s'étendent dans une direction sensiblement ortho-radiale du stator 3. Ceci étant une configuration relativement simple d'un bobinage sur dents 7 des stators 3 de machine électrique 1. 5 Ici, pour une dent 7 du stator 3 recevant un bobinage d'un ensemble parmi le premier ensemble Bcc et le deuxième ensemble ABCn de bobinages, les deux dents 7 adjacentes reçoivent un bobinage d'un ensemble différent de celui de la dent 7 concernée. Autrement dit, lorsqu'une dent 7 reçoit un bobinage du premier io ensemble Bcc, les deux dents 7 adjacentes reçoivent un bobinage du deuxième ensemble ABCn. De manière similaire, lorsqu'une dent 7 reçoit un bobinage du deuxième ensemble ABCn, les deux dents 7 adjacentes reçoivent un bobinage du premier ensemble Bcc. 15 Dit autrement, les dents 7 successives du stator reçoivent en alternance un bobinage du premier ensemble Bcc et un bobinage du deuxième ensemble ABCn. Le terme de dent adjacente, est ici utilisé pour faire référence à la dent 7 directement disposée à côté d'une autre dent 7, à l'intérieur 20 du stator 3, en parcourant les dents 7 par une rotation autour de l'axe de rotation 18. De par l'aspect circulaire du stator 3, chaque dent 7 a toujours deux dents 7 adjacentes. Il est à noter que pour qu'une dent 7, recevant un bobinage d'un ensemble parmi les premier Bcc et le deuxième ABCn ensemble de 25 bobinages, aient ses deux dents 7 adjacentes recevant un bobinage d'un autre ensemble, il faut que le stator 3 comprennent un nombre pair de dents 7 bobinées. 3033101 8 En outre, deux bobinages consécutifs du premier ensemble Bcc, reçoivent un courant continu de sens opposé. Autrement dit, pour deux dents 7 consécutives recevant un bobinage du premier ensemble Bcc, dit bobinage d'excitation, les 5 bobinages sont alimentés par des courants de sens opposés, de manière à produire des champs magnétiques inversés, en l'occurrence un pôle nord N constant ou un pôle sud S constant créés par les bobinages du premier ensemble Bcc. Pour reformuler, en ne considérant que les dents 7 recevant des io bobinages du premier ensemble Bcc, en parcourant ces dents, par une rotation dans le stator 3 autour de l'axe de rotation 18, chaque dent 7 reçoit un bobinage du premier ensemble alimenté par un courant de sens opposé au courant reçu par le bobinage du premier ensemble Bcc reçu par la dent 7 précédente. 15 Dit autrement, les bobinages du premier ensemble Bcc, produisent toutes les deux dents, et successivement, un pôle sud S et un pôle nord N. Ainsi, on dénombre dans le stator trois pôles sud S constants et trois pôles nord N constants, espacés les uns des autres d'un angle 20 de PI/3 radians. De plus, pour chaque bobinage du deuxième ensemble ABCn, le courant alternatif est déphasé d'une valeur prédéterminée par rapport au bobinage précédent du deuxième ensemble ABCn. Ici, les bobinages du deuxième ensemble ABCn sont alimentés 25 par trois phases d'un réseau triphasé, déphasées entre elles d'un angle de 2*PI/3 radians. Autrement dit, les bobinages du deuxième ensemble ABCn, dits bobinages d'induits, comprennent des bobinages Al ,A2 alimentés 3033101 9 par une première phase de référence, des bobinages B1,B2 alimentés par une deuxième phase présentant un déphasage de 2*PI/3 et des bobinages Cl ,C2 alimentés par une troisième phase présentant un déphasage de 4*PI/3. 5 Les dents 7 recevant des bobinages du deuxième ensemble ABCn, reçoivent successivement un bobinage alimenté, respectivement, par une première phase du réseau triphasé, par une deuxième phase et par une troisième phase du réseau triphasé alimentant le deuxième ensemble de bobinages. io L'agencement des bobinages Bcc, ABCn pour douze dents 7 du stator 3 est représenté figure 1. Le rotor 2 est installé à l'intérieur du stator 3, autrement dit, dans le rayon interne du stator 3. Le rotor 2 est centré sur l'axe de rotation 18, de manière à 15 pouvoir être entrainé en rotation par les champs magnétiques produits par la pluralité bobinages Bcc, ABCn montés sur les dents 7 du stator 3, autour de l'axe de rotation 18. Le rotor 2 comprend un coeur 2a en matériau amagnétique, par exemple en métal amagnétique, en résine, en céramiquen ou en 20 matériau polymère, de forme sensiblement cylindrique. Le coeur 2a présente une forme de cylindre de révolution centré sur l'axe de rotation 18. Le rotor 2 comprend un outre une pluralité de pôles rotoriques 10, ici des plaquettes 10 en matériau ferromagnétique, ici en tôles 25 magnétiques feuilletées. Ici le rotor 2 comprend sept plaquettes 10 réparties régulièrement autour du coeur amagnétique 2a. 3033101 Chaque plaquette 10 est isolée magnétiquement des autres plaquettes 10. En référence à la figure 2, les plaquettes 10 présentent un segment périphérique interne 12 et un segment périphérique externe 5 11. Les plaquettes 10 sont solidarisées au coeur amagnétique 2a par des moyens de solidarisation 13 adaptés pour solidariser radialement le segment périphérique interne 12 au coeur amagnétique 2a. io Ici, les plaquettes 10 comprennent une partie 13 en saillie du segment périphérique interne 12, en forme de queue d'aronde 13. Cette partie 13 en queue d'aronde, est adaptée pour assurer le maintien de la plaquette 10 lorsque le rotor est entrainé en rotation, en particulier lorsque le rotor tourne à une des vitesses relativement élevées, par exemple lorsque le rotor tourne à des vitesses proches des 7000 à 8000 tours par minute. Les parties 13 en queue d'aronde sont insérées radialement dans le coeur amagnétique 2a. Elles peuvent aussi être noyées dans la masse du coeur amagnétique 13, par exemple lors d'une étape de 20 moulage. Le segment périphérique externe 11 est de forme sensiblement incurvé, et présente une valeur de rayon de courbure sensiblement complémentaire au rayon interne du stator 3. Le segment périphérique externe 11 définit une surface 25 d'entrefer 11, en regard des dents 7 du stator. La surface d'entrefer 11 est conformée pour pouvoir être simultanément en regard de deux dents 7 statoriques adjacentes. 3033101 11 De par la configuration des bobinages du stator 3 défini précédemment, la surface d'entrefer 11 d'une plaquette 10 du rotor, est conformée pour pouvoir être en regard d'une dent 7 autour de laquelle est montée un bobinage du premier ensemble de bobinages 5 Bcc et d'une dent 7 autour de laquelle est montée un bobinage du deuxième ensemble de bobinages ABCn. De cette manière, les plaquettes 10 peuvent orienter un flux magnétique produit par un bobinage du premier ensemble Bcc, aussi appelé bobinage d'excitation, vers un bobinage du deuxième io ensemble ABCn, aussi appelé bobinage d'induit. Ainsi, on obtient une valeur de surface d'entrefer 11 relativement importante, ce qui améliore le passage des flux magnétiques. La distance parcourue par le flux magnétique dans la plaquette 10 est relativement faible, ce qui réduit les pertes magnétiques dans 15 la plaquette 10. Les plaquettes 10 aiguillent un flux magnétique entre deux dents 7 adjacentes. Ainsi les courants parasites, par exemple les courants de Foucault sont réduits par rapport à des configurations de machine à commutation de flux dans lesquelles le flux magnétique traverse diamétralement le rotor entre deux pôles rotoriques. Ici, le flux magnétique reboucle sur un même pôle rotorique 10, autrement dit sur une même plaquette 10. La couple produit pour un pôle rotorique 10 étant fonction de la portion de surface d'entrefer 11 du pôle rotorique 10 en vis-à-vis d'une face d'entrefer 3b d'une dent 7 ; plus la face d'entrefer 3b de la dent est importante et plus la portion de surface d'entrefer 11 en vis-à-vis de la dent 7 est importante, plus le couple sera important. Autrement dit, on améliore la puissance massique du moteur en 3033101 12 ayant des faces d'entrefer 3b des dents 7 relativement larges et en maximisant la surface d'entrefer 11 d'un pôle rotorique 10 pouvant être en vis-à-vis de deux dents adjacentes 7 à un instant donné. Les plaquettes 10 fonctionnent ici sur le principe d'un pont en H. 5 Les bobinages du premier ensemble Bcc produisent des pôles nord N et sud S dans le stator 3, ce qui crée des champs sensiblement constants. Les bobinages du deuxième ensemble de bobinages ABCn récupèrent le champ variable aiguillé par les plaquettes 10 du rotor 2 depuis les bobines du premier ensemble Bcc vers les io bobinages du deuxième ensemble ABCn, situés sur deux dents adjacentes. Les bobinages du deuxième ensemble ABCn et d'une même phase du réseau triphasés sont mis en série de manière à obtenir une tension s'approchant du sinus. En effet, pour un moteur à 12 15 dents statoriques, 6 dents statoriques appartiennent au deuxième ensemble ABCn, ce qui conduit à 6 bobines pour seulement 3 phases. Les bobines Al ,B1,C1,A2,B2,C2 produisant des tensions sensiblement en phase ou en opposition de phase sont mises en série. Ainsi Al et A2 sont mises en série, B1 et B2 sont mises en 20 série et Cl et C2 sont aussi mises en série. L'effet sur la forme de la tension produite est une moyenne de deux tensions qui permet de s'approcher du sinus. En particulier, les tensions produites sont liées à la dérivée du flux qui traverse les bobines. Pour supprimer les harmoniques pairs dans la décomposition en série de Fourier d'un 25 signal f(t) de période T, il suffit de réaliser la symétrie de glissement c'est-à-dire f(t+T/2)=-f(t). En supprimant ces harmoniques pairs dans le flux induit, on supprime ces harmoniques pairs dans la tension induite. Il suffit donc de mettre en série des bobines identiques dont 3033101 13 les surfaces d'entrefer sont décalées de T/2. En notant Télec la période électrique et Tméca la période mécanique, avec un rotor à 7 plaquettes, on obtient Télec =1/7 Tméca. Pour des bobines diamétralement opposées on obtient pour un demi tour : Tméca/2 = 5 7Télec/2 E Télec/2 modulo un nombre entier de périodes électriques. Pour un rotor à 14 pôles, il suffit de choisir des bobines décalées de T/4 (un quart de tour). Ainsi, la mise en série réalisée permet de supprimer les harmoniques pairs dans la tension induite, et permet donc aux tensions induites de s'approcher d'une forme sinus. io On contrôle le défluxage de la machine électrique 1 en modifiant les valeurs de courant continu des bobinages du premier ensemble de bobinages Bcc. Autrement dit, la commande de la machine électrique 1 est relativement aisée, en effet, elle peut fonctionner avec un réseau 15 triphasé classique, le défluxage étant géré par la commande du réseau de courant continu alimentant les bobinages du premier ensemble de bobinages Bcc. Selon un deuxième mode de réalisation, non représenté, le rotor peut comprendre 14 pôles rotoriques et le stator comprendre 24 20 pôles, autrement dit 24 dents 7 recevant 24 bobinages selon un agencement de bobinage similaire au premier mode de réalisation, mais effectué deux fois consécutives. Ce deuxième mode de réalisation permet de rendre symétrique par rapport à l'axe de rotation 18 de la machine électrique 1 les tensions 25 produites et les forces radiales, ce qui permet de limiter les forces inutiles, en particulier les bruits mécaniques parasites. L'invention ne se limite aucunement aux modes de réalisation précédemment décrits. 3033101 14 En particulier, on pourrait remplacer en partie les bobinages d'excitation Bcc par des aimants permanents de façon à produire un flux d'excitation sans perte, mais cela serait au détriment de la défluxabilité de la machine. 5 La machine électrique 1 selon l'invention est ainsi facilement défluxable contrairement aux machines à aimants. La machine électrique 1 ne comporte pas de balais contrairement à la machine à rotor bobiné. La machine électrique 1 peut être commandée par une io excitation simple, par exemple à courant continu, et par un système triphasé de la même manière qu'une machine à rotor bobiné. La machine électrique 1 offre ainsi une puissance massique en pointe comparable à une machine à aimants. 15 REVENDICATIONS1. Machine électrique (1) à commutation de flux comprenant un stator (3) et un rotor (2), le stator (3) présentant une succession de 5 dents (7), le stator (3) comprenant en outre une pluralité de bobinages (Bcc, ABCn), caractérisée en ce que ladite pluralité de bobinages (Bcc, ABCn) comprend un premier ensemble de bobinages (Bcc) alimenté par un réseau de courant continu et un deuxième ensemble de bobinages io (ABCn) alimenté par un réseau de courant alternatif, de telle sorte que les dents (7) successives du stator (3) reçoivent en alternance un bobinage du premier ensemble (Bcc) et un bobinage du deuxième ensemble (ABCn). le rotor (2) comprenant une pluralité de pôles rotoriques (10) isolés 15 magnétiquement les uns des autres, chaque pôle rotorique (10) présentant un segment périphérique interne (12) et un segment périphérique externe (11), ledit segment périphérique externe (11) définissant une surface d'entrefer (11) en vis-à-vis du stator (3), ladite surface d'entrefer (11) étant conformée pour pouvoir autoriser 20 le passage d'un flux magnétique entre deux dents adjacentes (7). 2. Machine électrique (1), selon la revendication 1, caractérisée en ce que deux bobinages (Bcc) consécutifs du premier ensemble (Bcc) reçoivent un courant de sens opposé, et en ce que pour chaque 25 bobinage (A1,B1,C1,A2,B2,C2) du deuxième ensemble (ABCn), le courant alternatif reçu est déphasé d'une valeur prédéterminée par rapport au bobinage (A1,B1,C1,A2,B2,C2) précédent du deuxième ensemble (ABCn). 3033101 16 3. Machine électrique (1), selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réseau de courant alternatif comprend trois phases d'un réseau triphasé. 4. Machine électrique (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pôles rotoriques (10) comprennent des plaquettes (10) réalisées en tôle magnétique feuilletée. 5. Machine électrique (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rotor (2) comprend un coeur amagnétique (2a) autour duquel sont agencés régulièrement les pôles rotoriques (10), les pôles rotoriques (10) comprenant des moyens de solidarisation (13) adaptés pour solidariser radialement les segments périphériques internes (12) des pôles rotoriques (10) au coeur amagnétique (2a). 6. Machine électrique (1), selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de solidarisation (13) comprennent une partie (13) 20 en queue d'aronde, faisant saillie du segment périphérique interne (12), insérée dans le coeur amagnétique (2a). 7. Machine électrique (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rotor (2) comprend sept pôles 25 rotoriques (10) et le stator (3) comprend douze dents (7). 3033101 17 8. Machine électrique (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le rotor (2) comprend quatorze pôles rotoriques (10) et le stator comprend vingt-quatre dents (7). 5