Brevet FR3066054A1 — publié le 20181109

CORRECTION D'EXCENTRICITE DANS UNE MACHINE ELECTRIQUE L'invention a trait au domaine des machines Ã©lectriques, et plus particuliÃ¨rement Ã la correction d'excentricitÃ© entre le rotor et le stator de machines Ã©lectriques. Le document de brevet publiÃ© WO 99/39426 Al divulgue un systÃ¨me d'entraÃ®nement constituÃ© d'une machine Ã©lectrique comprenant un stator et au moins deux rotors montÃ©s selon le mÃªme axe. Il dÃ©crit le mode d'alimentation de ce type de machine Ã©lectrique. La machine fonctionnant en courant triphasÃ©, les paires de pÃ´le de chaque phase sont alimentÃ©es d'un mÃªme courant. Cependant, ce document manque d'aborder la problÃ©matique d'excentricitÃ© entre rotor et stator. Les problÃ¨mes d'excentricitÃ© peuvent Ãªtre limitÃ©s en usinant des logements de paliers du rotor directement dans le carter du stator. De telles mesures sont d'une efficacitÃ© limitÃ©e car la valeur de l'entrefer entre le rotor et le stator ne peut Ãªtre mesurÃ©e directement avec prÃ©cision, et restent contraignantes quant Ã l'architecture de la machine Ã©lectrique. Il peut en effet Ãªtre dÃ©sirable de prÃ©voir d'autres architectures, comme notamment d'assembler le rotor et le stator sur une piÃ¨ce externe, ce qui a pour consÃ©quence d'augmenter les chaÃ®nes de cÃ´te et, partant, les tolÃ©rances de concentricitÃ©. Un dÃ©faut de concentricitÃ© entre le stator et le rotor d'une machine Ã©lectrique provoque des vibrations et des bruits parasites. La correction d'excentricitÃ© peut par ailleurs s'avÃ©rer fastidieuse, voire telle que certaines machines sont Ã mettre au rebut. L'invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvÃ©nients de l'Ã©tat de la technique susmentionnÃ©. Plus particuliÃ¨rement, l'invention a pour objectif de proposer une mÃ©thode de correction de l'excentricitÃ© statique entre le rotor et le stator, qui entraÃ®ne moins de contraintes au niveau du choix de l'architecture et de l'assemblage des piÃ¨ces constitutives des machines Ã©lectriques. L'invention a pour objet une mÃ©thode de correction d'excentricitÃ© entre un rotor et un stator d'une machine Ã©lectrique, le stator comprenant plusieurs bobines rÃ©parties Ã la circonfÃ©rence du stator, remarquable en ce qu'elle comprend les Ã©tapes suivantes : mesure de la variation circonfÃ©rentielle de l'entrefer entre le rotor et le stator rÃ©sultant de l'excentricitÃ©, ladite mesure comprenant une mise en rotation du 3066054 2 rotor et une mesure de la force Ã©lectromotrice induite Ã chaque bobine rÃ©sultant de ladite rotation, l'entrefer Ã©tant proportionnel Ã ladite force Ã©lectromotrice ; et compensation d'une variation circonfÃ©rentielle de forces de Laplace dans le rotor due Ã la variation circonfÃ©rentielle de l'entrefer mesurÃ©e. 5 La machine Ã©lectrique est avantageusement une machine synchrone ou asynchrone. La machine Ã©lectrique est avantageusement un moteur Ã©lectrique qui peut Ã©galement fonctionner en gÃ©nÃ©rateur. Selon un mode avantageux de l'invention, l'Ã©tape de compensation de la variation circonfÃ©rentielle de forces de Laplace dans le rotor comprend la mise en oeuvre de 10 moyens corrigeant l'amplitude du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines lorsqu'elles sont parcourues par un courant Ã©lectrique. Alternativement, ou de maniÃ¨re complÃ©mentaire, l'Ã©tape de compensation de la variation circonfÃ©rentielle de forces de Laplace dans le rotor peut comprendre une correction gÃ©omÃ©trique de l'excentricitÃ©, notamment en agissant sur des paliers du 15 rotor fixÃ©s au stator. La correction d'amplitude du champ magnÃ©tique peut Ãªtre rÃ©alisÃ©e de plusieurs maniÃ¨res, comme notamment en modifiant le courant Ã©lectrique parcourant les bobines, en gÃ©nÃ©rant des champs magnÃ©tiques additionnels, en mettant en place des Ã©crans Ã champ magnÃ©tique, en modifiant le nombre de spires de certaines 20 bobines, ou en combinant plusieurs de ces mesures. Selon un mode avantageux de l'invention, la correction du champ magnÃ©tique comprend une amplification du courant Ã©lectrique circulant dans les bobines. Le gain d'amplification peut Ãªtre supÃ©rieur ou infÃ©rieur Ã 1. Selon un mode avantageux de l'invention, les moyens de correction du champ 25 magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines sont mis en oeuvre au niveau de l'alimentation gÃ©nÃ©rale de la machine Ã©lectrique, telle qu'un onduleur. Cette mesure est particuliÃ¨rement intÃ©ressante lorsque la machine Ã©lectrique comprend une paire de pÃ´les par phase, car dans ce cas, les courants des diffÃ©rentes phases peuvent Ãªtre corrigÃ©s directement au niveau de l'alimentation. Cette mesure est Ã©galement 30 applicable aux machines Ã©lectriques comprenant plusieurs paires de pÃ´les par 3066054 3 phase, auquel cas l'alimentation contrÃ´le la distribution de courant parmi les paires de pÃ´les d'une mÃªme phase. Selon un mode avantageux de l'invention, les moyens de correction du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines sont mis en oeuvre au niveau de l'alimentation 5 des bobines. Cette mesure est particuliÃ¨rement intÃ©ressante lorsque la machine Ã©lectrique comprend plusieurs paires de pÃ´les par phase, car dans ce cas il est utile de corriger les courants parcourant les diffÃ©rentes bobines d'une mÃªme phase. Une telle correction se fait alors avantageusement au niveau de la connexion des bobines sur le stator. Les bobines sont alors dÃ©couplÃ©es et sont alimentÃ©es avec 10 des courants diffÃ©rents et proportionnels avec un rapport fixe par rapport au courant unique qui serait appliquÃ© si le stator et le rotor Ã©tait concentriques. Selon un mode avantageux de l'invention, les moyens de correction du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines comprennent des composants Ã©lectroniques de puissance connectÃ©s aux bobines. 15 Selon un mode avantageux de l'invention, la correction du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines comprend une variation du nombre de spires des bobines. Selon un mode avantageux de l'invention, les moyens de correction du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines comprennent un circuit rÃ©partiteur de courant et/ou de tension parmi les bobines. 20 Selon un mode avantageux de l'invention, le champ magnÃ©tique est corrigÃ© par l'application au courant parcourant les bobines d'un gain proportionnel au rapport entre un entrefer moyen et l'entrefer au niveau de la bobine concernÃ©e. L'invention a Ã©galement pour objet une machine Ã©lectrique comprenant un rotor et un stator, le stator comprenant plusieurs bobines rÃ©parties Ã la circonfÃ©rence du 25 stator et aptes Ã gÃ©nÃ©rer un champ magnÃ©tique lorsqu'elles sont parcourues par un courant Ã©lectrique, remarquable en ce que ladite machine comprend, en outre, des moyens configurÃ©s pour corriger l'amplitude du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines de maniÃ¨re Ã compenser localement une variation circonfÃ©rentielle de forces de Laplace dans le rotor, ladite variation Ã©tant due Ã une excentricitÃ© entre le 30 stator et le rotor. 3066054 4 Les mesures de l'invention sont intÃ©ressantes en ce qu'une telle mÃ©thode rÃ©duit les exigences de tolÃ©rances dans l'assemblage des machines Ã©lectriques. Elle permet en effet de facilement mesurer l'excentricitÃ© en vue de sa correction. Lorsque la correction est appliquÃ©e au niveau du champ magnÃ©tique, l'invention permet 5 d'accepter l'erreur statique entre le rotor et le stator, et d'attÃ©nuer les vibrations en Ã©quilibrant les forces de Laplace mettant en rotation le rotor. La mÃ©thode de correction d'excentricitÃ© peut avantageusement s'appliquer Ã la correction d'une excentricitÃ© rÃ©sultant d'une erreur d'angle ou d'une erreur de parallÃ©lisme entre les axes du rotor et du stator, ou d'une combinaison des deux 10 types d'erreurs. Lorsque le dÃ©saxage provient, partiellement ou exclusivement, d'un dÃ©salignement angulaire, le champ magnÃ©tique local peut Ãªtre corrigÃ© en fonction du dÃ©saxage moyen le long de la machine. Si la machine prÃ©sente un jeu de bobines sur sa longueur, la mÃ©thode permet Ã©galement de corriger le champ magnÃ©tique localement en fonction du positionnement axial. Ce type de correction peut Ãªtre mis 15 en oeuvre par l'application de champs magnÃ©tiques externes et, alternativement ou de maniÃ¨re complÃ©mentaire, une alimentation adaptÃ©e du jeu de bobines le long de la machine. D'autres caractÃ©ristiques et avantages de la prÃ©sente invention seront mieux compris Ã l'aide de la description et des dessins parmi lesquels : 20 - La figure 1 est un schÃ©ma de la disposition des enroulements dans un stator ; - La figure 2 illustre le principe d'excentricitÃ© ; - La figure 3 prÃ©sente un mode de mise en oeuvre de l'invention ; - La figure 4 prÃ©sente une variante de l'invention. La figure 1 prÃ©sente sur la partie (a) un schÃ©ma de la disposition des enroulements 25 ou bobines dans un stator 1. Ces enroulements sont dÃ©calÃ©s les uns par rapport aux autres de 27/3p, oÃ¹ p est le nombre de paires de pÃ´les. Le nombre de paires de pÃ´les p d'une machine Ã©lectrique donne le nombre d'enroulements par phase. L'intÃ©rÃªt d'augmenter le nombre de paires de pÃ´les est de crÃ©er un champ magnÃ©tique multipolaire dans l'entrefer 2. 3066054 5 Dans le cas d'une machine alimentÃ©e en courant alternatif triphasÃ© et Ã deux paires de pÃ´les, alors chaque phase est constituÃ©e de 2 bobines, et le stator est constituÃ© de 6 bobines au total. Ces enroulements statoriques constituent l'inducteur de la machine lorsqu'elle 5 fonctionne en rÃ©gime moteur. AlimentÃ©s en courant alternatif triphasÃ©, ils produisent un champ magnÃ©tique tournant dans l'entrefer de la machine, du fait de leur disposition dans le stator. La vitesse de rotation de ce champ tournant, dite vitesse de synchronisme et notÃ©e N, est donnÃ©e par le rapport de la pulsation du courant statorique sur le nombre de paires de pÃ´les. Ainsi, en doublant le nombre de paires 10 de pÃ´les, la vitesse de synchronisme est divisÃ©e par deux. La partie (a) de la figure 1 montre Ã©galement l'influence du nombre de paires de pÃ´les sur la forme du champ magnÃ©tique rÃ©sultant. La partie (b) de la figure 1 reprÃ©sente la forme du courant dans chacune des phases. La figure 2 illustre le principe d'excentricitÃ© entre le rotor 3 et le stator 1 lorsqu'ils 15 sont montÃ©s de faÃ§on coaxiale. Une vue de face d'un rotor 3 statiquement excentrique par rapport Ã l'axe de la machine, met en Ã©vidence le dÃ©calage entre chacun des centres du rotor et du stator, et reflÃ¨te le degrÃ© de dÃ©placement du rotor. L'excentricitÃ© statique correspond au cas oÃ¹ l'axe de rotation du rotor et l'axe du stator sont parallÃ¨les mais non confondus, bien que le rotor soit Ã©quilibrÃ©, c'est-Ã - 20 dire que son axe d'inertie et son axe de rotation soient confondus. La figure 3 prÃ©sente un mode de mise en oeuvre de l'invention. Le schÃ©ma (a) de la figure 3 reprÃ©sente la disposition du rotor Ã l'intÃ©rieur du stator. Pour un entrefer moyen de 0.1 en Ã©chelle absolue, le schÃ©ma met en Ã©vidence une excentration de 0.07 au niveau de l'angle 130Â°. Cela illustre le fait que la distance 25 est rÃ©duite au niveau de cet angle. Le schÃ©ma (b) reprÃ©sente la variation de l'entrefer selon l'angle de rotation du rotor. L'Ã©quation polaire de la surface circulaire dans laquelle s'inscrit le rotor est donnÃ©e par l'expression suivante : 3066054 6 -\/- cos(a)2 exc2 sin(e)2 + 2 cos(a) sin(a) exc2 cos(e) sin(e) - sin(a)2 exc2 cos(e)2 + (R - J)2 + sin(a) exc sin(e) + cos(a) exc cos(e) L'entrefer est un espace d'air fonctionnel sÃ©parant le rotor et le stator, permettant d'assurer la mobilitÃ© d'une partie du circuit magnÃ©tique. Il est notamment caractÃ©risÃ© par sa rÃ©luctance, qui reprÃ©sente son aptitude Ã s'opposer Ã sa pÃ©nÃ©tration par un champ magnÃ©tique. Cette grandeur physique, analogue Ã une rÃ©sistance dans un 5 circuit Ã©lectrique, est proportionnelle Ã l'Ã©paisseur locale de l'entrefer. La force magnÃ©tomotrice est la force physique motrice permettant de gÃ©nÃ©rer un flux magnÃ©tique. Elle est analogue Ã la force Ã©lectromotrice dans un circuit Ã©lectrique. La force magnÃ©tomotrice F gÃ©nÃ©rÃ©e par les enroulements ou bobines statoriques est donnÃ©e par la formule suivante, oÃ¹ I est l'intensitÃ© du courant statorique, et N le 10 nombre de spires de la bobine considÃ©rÃ©e : F = I ,. La rÃ©luctance R permet ensuite de relier la force magnÃ©tomotrice F au flux cf) de champ magnÃ©tique B au niveau de l'entrefer, selon la relation suivante : 1 Cette relation provient de la loi d'Hopkinson. 15 Lorsque l'alimentation de la machine Ã©lectrique ne fait l'objet d'aucune correction, la force magnÃ©tomotrice gÃ©nÃ©rÃ©e par les enroulements de chaque phase est uniforme. Les points du rotor situÃ©s dans des zones d'entrefer rÃ©duit seront donc soumis Ã un champ magnÃ©tique B plus Ã©levÃ© par rapport aux zones oÃ¹ cet entrefer est plus grand. Cela est dÃ» au fait que la rÃ©luctance est proportionnelle Ã l'Ã©paisseur 20 d'entrefer locale. Les forces de Laplace qui apparaissent sur le rotor seront donc plus Ã©levÃ©es au niveau des zones d'entrefer rÃ©duit. Elles sont en effet proportionnelles au carrÃ© du champ magnÃ©tique. Ce phÃ©nomÃ¨ne aura donc tendance Ã accentuer l'excentricitÃ© du rotor. 3066054 7 Le schÃ©ma (c) de la figure 3 illustre la courbe (i) des forces auxquelles le rotor excentrique est soumis. Celles-ci sont comparativement plus Ã©levÃ©es que les forces exercÃ©es au niveau de l'angle 3100 par exemple, lÃ oÃ¹ l'entrefer est plus grand. En comparaison, la courbe (ii) illustre les forces auxquelles un rotor serait soumis en 5 l'absence d'excentricitÃ© ou en cas d'excentricitÃ© respectant les tolÃ©rances de coaxialitÃ©. La mÃ©thode de l'invention propose donc de corriger cet effet, en appliquant Ã l'amplitude du courant de chaque bobine, un gain proportionnel Ã la valeur de l'entrefer local, comme illustrÃ© sur le schÃ©ma (d) de la figure 3. Ce gain 10 d'amplification est indÃ©pendant de la valeur du courant appliquÃ© si la machine Ã©tait Ã©quilibrÃ©e, et est Ã©gal au rapport de l'entrefer mesurÃ© localement sur l'entrefer moyen. Les efforts rÃ©sultant de cette correction sont rÃ©partis uniformÃ©ment sur la circonfÃ©rence du rotor. La figure 4 prÃ©sente une variante de l'invention, qui propose d'identifier la valeur de 15 l'entrefer angulaire en mesurant les forces Ã©lectromotrices gÃ©nÃ©rÃ©es dans le stator, lorsque la machine fonctionne comme une gÃ©nÃ©ratrice. L'entrefer local Ã©tant proportionnel Ã la valeur de la force Ã©lectromotrice, sa variation en fonction de l'angle polaire peut Ãªtre obtenue avec prÃ©cision. Lors de l'Ã©tape (a) de la figure 4, la machine est assemblÃ©e, et le rotor est mis en 20 rotation. Une force Ã©lectromotrice apparaÃ®t dans les enroulements statoriques, et un courant est gÃ©nÃ©rÃ©. La mesure de la variation de cette force Ã©lectromotrice en fonction de l'angle polaire permet d'ajuster la position du rotor, comme illustrÃ© Ã l'Ã©tape (b) de la figure 4. Ce rÃ©glage se fait de faÃ§on itÃ©rative, jusqu'Ã ce que la force Ã©lectromotrice mesurÃ©e en 25 tout point Ã©gale sa valeur moyenne. La position du rotor est ensuite fixÃ©e grÃ¢ce Ã des paliers 5 lors de l'Ã©tape (c), et l'assemblage obtenu est donc une machine Ã©lectrique dont le rotor prÃ©sente une excentricitÃ© acceptable. REVENDICATIONS1. MÃ©thode de correction d'excentricitÃ© entre un rotor (3) et un stator (1) d'une machine Ã©lectrique (10), le stator comprenant plusieurs bobines (4) rÃ©parties Ã la circonfÃ©rence du stator ; caractÃ©risÃ©e par les Ã©tapes suivantes : mesure de la variation circonfÃ©rentielle de l'entrefer (2) entre le rotor et le stator rÃ©sultant de l'excentricitÃ©, ladite mesure comprenant une mise en rotation du rotor et une mesure de la force Ã©lectromotrice induite Ã chaque bobine rÃ©sultant de ladite rotation, l'entrefer Ã©tant proportionnel Ã ladite force Ã©lectromotrice ; et compensation d'une variation circonfÃ©rentielle de forces de Laplace dans le rotor due Ã la variation circonfÃ©rentielle de l'entrefer (2) mesurÃ©e. 2. MÃ©thode selon la revendication 1, caractÃ©risÃ©e en ce que l'Ã©tape de compensation de la variation circonfÃ©rentielle de forces de Laplace dans le rotor comprend la mise en oeuvre de moyens corrigeant l'amplitude du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines lorsqu'elles sont parcourues par un courant Ã©lectrique. 3. MÃ©thode selon la revendication 2, caractÃ©risÃ©e en ce que la correction du champ magnÃ©tique comprend une amplification du courant Ã©lectrique circulant dans les bobines. 4. MÃ©thode selon l'une des revendications 2 et 3, caractÃ©risÃ©e en ce que les moyens de correction du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines sont mis en oeuvre au niveau de l'alimentation gÃ©nÃ©rale de la machine Ã©lectrique, telle qu'un onduleur. 5. MÃ©thode selon l'une des revendications 2 Ã 4, caractÃ©risÃ©e en ce que les moyens de correction du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines sont mis en oeuvre au niveau de l'alimentation des bobines. 6. MÃ©thode selon l'une des revendications 2 Ã 5, caractÃ©risÃ©e en ce que les moyens de correction du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines 3066054 9 comprennent des composants Ã©lectroniques de puissance connectÃ©s aux bobines. 7. MÃ©thode selon l'une des revendications 2 Ã 6, caractÃ©risÃ©e en ce que la correction du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines comprend une 5 variation du nombre de spires des bobines. 8. MÃ©thode selon l'une des revendications 2 Ã 7, caractÃ©risÃ©e en ce que les moyens de correction du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines comprennent un circuit rÃ©partiteur de courant et/ou de tension parmi les bobines. 10 9. MÃ©thode selon l'une des revendications 2 Ã 8, caractÃ©risÃ©e en ce que le champ magnÃ©tique est corrigÃ© par l'application au courant parcourant les bobines d'un gain proportionnel au rapport entre un entrefer moyen et l'entrefer au niveau de la bobine concernÃ©e. 10. Machine Ã©lectrique (10) comprenant un rotor (3) et un stator (1), le stator 15 comprenant plusieurs bobines (4) rÃ©parties Ã la circonfÃ©rence du stator et aptes Ã gÃ©nÃ©rer un champ magnÃ©tique lorsqu'elles sont parcourues par un courant Ã©lectrique, caractÃ©risÃ© en ce que ladite machine comprend, en outre, des moyens configurÃ©s pour corriger l'amplitude du champ magnÃ©tique gÃ©nÃ©rÃ© par les bobines de maniÃ¨re Ã compenser localement une variation 20 circonfÃ©rentielle de forces de Laplace dans le rotor, ladite variation Ã©tant due Ã une excentricitÃ© entre le stator et le rotor.