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EP2638620A2 - Machine electrique a bobinage dentaire a phases regroupees - Google Patents

Machine electrique a bobinage dentaire a phases regroupees

Info

Publication number
EP2638620A2
EP2638620A2 EP11794542.8A EP11794542A EP2638620A2 EP 2638620 A2 EP2638620 A2 EP 2638620A2 EP 11794542 A EP11794542 A EP 11794542A EP 2638620 A2 EP2638620 A2 EP 2638620A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
machine according
phases
phase
winding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11794542.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Julien Jac
Nicolas Philippe Ziegler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Erneo SAS
Original Assignee
Erneo SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Erneo SAS filed Critical Erneo SAS
Publication of EP2638620A2 publication Critical patent/EP2638620A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/36—Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to an electric machine that can be used as a generator in wind power generation equipment in particular.
  • the field of the invention is more particularly but not limited to that of the production of electricity from sources of mechanical energy.
  • the electrical energy conversion chain generally comprises:
  • a source of mechanical energy which can be for example of wind, hydraulic origin, or based on a system for recovering wave energy
  • an electric machine used as a generator that converts the mechanical energy supplied by the source into electrical energy.
  • the technology generally used is that of the synchronous magnet machine, associated with a three-phase electrical circuit;
  • the rectifier which is an electronic device making it possible to convert the alternative energy delivered by the electric machine into continuous energy.
  • the rectifier is generally passive, that is to say it consists of power switches that are not controlled or controlled. These are generally three-phase diode bridges with double alternation;
  • a network coupling inverter which, by converting the continuous energy into alternative energy, the connection of the device to a fixed frequency electrical network. It can also provide a power control function;
  • the electricity grid which constitutes the load of the entire energy conversion chain. It is generally three-phase and fixed frequency (50 Hz or 60 Hz). This conversion chain thus makes it possible to inject the alternative energy delivered by the electric machine, which is variable in frequency since it depends on the speed of rotation, on the fixed frequency network.
  • the rectifiers used are often said to be passive because they consist of power diodes.
  • This type of rectifier has the advantage of being simple, easy to implement and inexpensive.
  • their use has two main disadvantages:
  • the operating principle of the diode bridge imposes a non-zero phase shift between the electromotive force and the current within the electric generator. As a result, there is no longer a minimum Joule loss in the electric generator and the output of the generator is altered.
  • the operating principle of the diode bridge involves non-sinusoidal phase current waveforms. The harmonic content of the phase currents can be relatively large so that it further decreases the efficiency of the electric generator (current harmonics also create Joule losses);
  • the operating principle of the diode bridge involves non-sinusoidal phase current waveforms. It follows that the harmonic content of the phase currents can be relatively high, which generates strong mechanical torque ripples. These ripples of torque can be the source of vibrations and therefore sources of noise. This creates a real problem of noise pollution, especially when electric machines are implemented in wind turbines.
  • the document EP 2082471 discloses electromechanical energy conversion devices whose stator windings are made in the form of several sets of coils comprising an identical number of phases (for example 2 sets of 3 phases). Each set is connected to a rectifier, and the rectifiers are combined at their outputs, in series or in parallel.
  • the winding assemblies are constituted by diametral windings, and are distributed on the stator in a phase relation which makes it possible to substantially reduce the harmonic content of the stator phase currents compared to a machine which comprises only one set of windings. It is thus obtained an effect of reducing electrical losses, and thus of improving energy efficiency.
  • EP 2082471 are however known to have significant torque ripples. They also have the disadvantage of having a significant relaxation torque.
  • This relaxation torque corresponds to the idling torque generated by the interaction between the rotor magnets and the stator toothing, and opposes the setting in motion of the machine. It is troublesome especially in the area of low power wind power generation. Indeed, the quality of a wind turbine is partly determined by its ability to recover energy at low wind speed. However, at low wind speed, the torque generated by the blades of the wind turbine is low and if the relaxation torque is high, the blades will not rotate. As a result, we will inevitably increase the minimum wind speed to recover energy.
  • Document EP 1487085 discloses a generator comprising two sets of three-phase windings, respectively connected in star and in triangle.
  • the magnetized surfaces of the rotor are made so as to have an inclination with respect to the axis of rotation of the machine.
  • This technique however has the disadvantage of making the realization of the machine noticeably more complex. It also leads to a reduction in the relationship between the couple obtained and Joule losses, and therefore a reduction in performance of the electric generator in terms of performance.
  • the object of the present invention is to propose an electric machine that can operate as a generator associated with a diode rectifier, of optimal efficiency and easy to manufacture, in which the torque ripples are substantially reduced.
  • stator and a rotor at least partially made of magnetic material, separated by an air gap, said stator comprising a plurality of notches flanking teeth facing the air gap, said rotor comprising a plurality of magnets arranged so as to generate in the gap an alternation of magnetic fields of substantially perpendicular orientation to the air gap and of substantially opposite polarity, and
  • stator winding disposed in the stator slots, and comprising N groups of m phases
  • the stator winding comprises a plurality of dental windings arranged in the notches of the stator so as to surround the teeth
  • the machine comprising a stator with a number Ns of notches, a rotor with a number Nr of magnets of substantially identical magnetic orientation with respect to the air gap, and a stator winding with a number p of pairs of poles of winding, satisfactorily satisfies the following set of relationships:
  • Ns Q m N p, (Eq, la)
  • Nr k p, (Eq, lb) with m an odd number greater than 1; N an integer greater than 1; p an integer other than zero; k an odd number greater than 1, different and not multiple of m; and Q an integer equal to 4 or a multiple of 4, and
  • the groups of phases are arranged on the stator so that any two phases belonging to two consecutive groups of phases on said stator are separated by an electric angle substantially equal to:
  • the electrical angles a are in addition different from 90 degrees modulo 180 degrees.
  • the machine according to the invention can furthermore satisfactorily satisfy the relation:
  • the parameter m can satisfy at least one of the following conditions: m ⁇ 5, m ⁇ 7;
  • the parameter N can satisfy at least one of the following conditions: N ⁇ 3, N ⁇ 4, N ⁇ 5, N ⁇ 6;
  • the parameter p can satisfy at least one of the following conditions: p ⁇ 2, p ⁇ 3;
  • the parameter Q can satisfy at least one of the following conditions: Q ⁇ 8, Q ⁇ 12, Q ⁇ 16.
  • the electrodynamic machine according to the invention may further comprise at least one passive rectifier electrically connected to the stator winding.
  • the passive rectifier (s) may include an alternating input electrically connected to a group of phases and a rectified output.
  • the electrodynamic machine according to the invention may be shaped such that each group of phases is connected to a separate passive rectifier.
  • the electrodynamic machine according to the invention may comprise at least one group whose phases are electrically connected together at a neutral point in a star arrangement;
  • the neutral points of the star phase groups may not be directly electrically connected to one another;
  • the electrodynamic machine according to the invention may comprise at least one group whose phases are electrically connected together in series, each phase being connected to two other phases of the group.
  • the phases of a group can thus be connected together in the form of a closed chain.
  • phase groups of the machine can be shaped substantially in the same way, with their respective phases connected either in series or in star for all groups.
  • the phase shift can be obtained in the machine according to the invention by the geometric arrangement (that is to say the position) of the phases on the stator, rather than by a purely electrical phase difference generated by a difference in wiring phases between groups.
  • a machine comprising N groups of m phases can be designed so that when the teeth of the stator are scanned, the coils of a phase of group 1 and then of a phase of group 2 are successively encountered , and so on until a phase of the group N, then another phase of the group 1, ....
  • One can have for example as a provision:
  • the groups 1 and 2 which have adjacent phases at the level of the stator windings are said to be "consecutive" and it follows that in the machine according to the invention any phase of the group 1 and a phase any of group 2 are separated by an electrical angle ⁇ according to equation 1.
  • the electrodynamic machine according to the invention may comprise a stator with a number Ns of notches, a rotor with a number Nr of magnets of magnetic orientation substantially identical with respect to the gap, and a stator winding with a number p of pairs of winding poles.
  • the electrodynamic machine according to the invention can be further designed so as to substantially satisfy any one of the following relationships:
  • Nr (Ns / 2) - p, or (Eq.3a)
  • Nr (Ns / 2) + p. (Eq 3b)
  • Nr (Ns / 2) - 1, or (Eq.4)
  • Nr (Ns / 2) + 1. (Eq.5)
  • the number p of pairs of winding poles defines the periodicity of the winding of a phase on the stator, and the electric angle a corresponds to the relative electrical phase shift of the voltage of any two phases of two consecutive groups of phases when the machine is moving.
  • an improved electric mechanical winding generator according to the invention is obtained with an electric generator with a dental winding.
  • the torque ripples are much lower in the dental winding generators because the ratio of the number Ns of notches to the number Nr of magnets of substantially identical magnetic orientation with respect to the air gap must be fractional so that the machine can work, as illustrated in equations 2 and 3.
  • the ratio Ns on Nr is on the contrary whole. This results in a gradual shift of the magnets relative to the stator teeth, which reduces the relaxation torque ripples.
  • the winding of an electrodynamic machine with a dental winding is simplified in comparison with that of a winding machine diametrical because, as the coils surround the stator teeth, there is no overlap of the phases at the coil heads.
  • the size of the buns at the coil heads is reduced, which reduces the amount of non-active copper used and therefore reduce Joule losses.
  • the stator winding of the electrodynamic machine comprises N groups of m phases distributed over the stator so as to satisfy the conditions on the electrical angles a defined by equation 1.
  • This arrangement makes it possible to repel torque ripple due to harmonic coupling between the current and the emf at high frequencies in the order of (2 N ⁇ ⁇ m) times the fundamental frequency of the electromotive forces (emf), resulting in a much better filtering of these undulations.
  • This gives a machine (N ⁇ m) phases whose behavior from the point of view of the torque ripple is that of a machine (2 ⁇ N ⁇ m) phases.
  • stator winding satisfies the phase constraints defined by equation 1, to repel the torque ripples at frequencies where they are lower and better filtered.
  • EP 1487085 discloses a generator in which a dental winding is implemented. However, to reduce the relaxation torque, it is resorted to an inclination of the magnets.
  • stator winding implemented is based on a three-phase star-delta architecture.
  • This architecture makes it possible to obtain an electrical phase shift of 30 °, but the structure of the machine remains that of a conventional three-phase dental winding machine whose half of the poles is connected in a triangle and the other half is connected in star. It follows that without recourse to the inclination of the magnets the torque ripple related to the trigger is identical to a three-phase machine which consists of a single three-phase star.
  • the stator winding can be arranged so that one tooth out of two of the stator is surrounded by a dental winding.
  • Dental winding is then said monolayer. There are half as many coils as stator teeth, a stator tooth on only two teeth is wound, and there is no phase mixing within the notches.
  • This winding has the advantages of physical phase decoupling because there is no direct contact between copper wires of different phases in the notches. It also has the advantage of magnetic decoupling between the phases of a group and between groups of phases because, at least in the first order, there is little effect of mutual inductance.
  • stator winding can be arranged in such a way that each tooth of the stator is surrounded by a dental winding.
  • the dental winding is then called double layer. There are as many coils as stator teeth, all the stator teeth are wound, and there is a mixture of phase within the notches.
  • the rotor may comprise a plurality of pairs of magnets alternately having their north pole and their south pole side of the gap.
  • the rotor may thus comprise Nr pairs of magnets each comprising a magnet having its north pole on the air gap side and a magnet having its south pole on the air gap side, ie Nr magnets of substantially identical magnetic orientation having their pole north side of the air gap, and Nr magnets of substantially identical magnetic orientation having their south pole side of the gap.
  • Nr pairs of magnets each comprising a magnet having its north pole on the air gap side and a magnet having its south pole on the air gap side, ie Nr magnets of substantially identical magnetic orientation having their pole north side of the air gap, and Nr magnets of substantially identical magnetic orientation having their south pole side of the gap.
  • the relaxation torque is substantially reduced thanks to the implementation of the dental winding and its distribution in groups of phases. It is therefore not necessary to tilt the magnets or the magnetized surfaces as in EP 1 487 085. They can be arranged, in a conventional manner, in a direction substantially perpendicular to the direction of relative movement of the rotor relative to the stator in the air gap, which has the particular advantage of greatly simplifying the manufacture of the electrodynamic machine.
  • the electrodynamic machine according to the invention may comprise passive bridge rectifiers of diodes with full wave.
  • it may comprise passive rectifiers electrically connected in series on the side of their rectified output, to obtain a summation of the rectified voltages.
  • it may comprise passive rectifiers electrically connected in parallel on their output side rectified, to obtain a summation of the rectified currents.
  • This configuration has the advantage of reducing, at given power, the current size of the output cables of the generator, which facilitates its connection.
  • the stator and the rotor may have a cylindrical geometry.
  • stator and the rotor may have a discoid geometry.
  • FIG. 1 illustrates a wind energy conversion chain implementing an electrodynamic machine according to the invention
  • FIG. 2 presents an electrical diagram of the phases and rectifiers (a) connected in series and (b) connected in parallel in a machine according to the invention
  • FIG. 3 shows in a diagram the electrical angles of the phases (a) of the first group and (b) of the second group in a machine according to the invention
  • FIG. 4 illustrates a sectional view of an embodiment of an electrodynamic machine according to the invention
  • FIG. 5 illustrates a sectional view of another embodiment of an electrodynamic machine according to the invention.
  • an electrodynamic machine 10 whose rotor is coupled to wind turbine blades driven by the wind 14. This machine delivers electrical energy of variable frequency as a function of its speed of rotation;
  • rectifier 11 whose function is to transform the alternating electrical energy supplied by the machine 10 into continuous energy;
  • a network coupling inverter 12 which, by converting the continuous energy into alternative energy, the connection to the electrical distribution network 13 fixed frequency;
  • the electrical distribution network 13 which is the load of the entire energy conversion chain. It is generally three-phase and fixed frequency (50 Hz or 60 Hz).
  • the machine according to the invention 10 is a synchronous machine with magnets, with a cylindrical rotor.
  • the phases 1, 3, 5 and 2, 4, 6 are connected in a star. They are connected on the one hand to a neutral point to which are connected all the phases of their respective group, and on the other hand to the input of a rectifier l ia or 11b.
  • the neutral points of the different groups are not interconnected.
  • the rectifiers 11a and 11b are full-wave diode-bridge phase-phase rectifiers which output a substantially continuous electrical voltage 20. These rectifiers 11a and 11b can be connected in series (FIG. 2a) or in parallel (FIG. 2b). ) according to which it is preferred to perform a summation in voltage or current of the continuous energy.
  • rectifiers l ia and 11b constitute an element of the electric charge of the machine 10 and exert as previously explained a direct influence on its operation, in particular by imposing non-sinusoidal phase current waveforms with relatively large harmonic content.
  • this causes annoying mechanical torque ripples. It is precisely these disadvantages that are solved in the electrodynamic machine 10 according to the invention.
  • a group of phases (1, 3, 5 or 2, 4, 6) of the machine according to the invention 10 is a three-phase star circuit, the three phases are distributed uniformly over 360 °.
  • the phase shift of the phases of the first group is therefore: phase 1: 0 °; phase 3: 120 °; phase 5: 240 °.
  • phase 2 30 °; phase 4: 150 °; phase 6: 270 °.
  • the rank of the first harmonic of torque is at twelve times the fundamental frequency of the fe m. (compared to 6 times the fundamental frequency of fem, if using a conventional three-phase machine). It is therefore the higher order current harmonics, which in addition are of smaller amplitude, which are at the origin of the torque ripples.
  • the filtering of these harmonics of torque is further reinforced by the low-pass effect related to the inertia of the mechanical system.
  • the machine 10 comprises a stator 40 and a rotor 44 cylindrical separated by an air gap 47.
  • the stator 40 and the rotor 44 are formed in a stack of pre-cut sheet metal plates.
  • the rotor 44 comprises on its periphery pairs of magnets 45 and 46 whose magnetization direction 48 is substantially radial with respect to the gap 47. These magnets 45 and 46 are arranged so as to alternately present their north pole and their south pole on the side of the gap.
  • the stator 40 comprises teeth 42 separated by notches 41 in which are housed windings of copper wire 43 which surround the teeth 42.
  • the dental winding is said to be monolayer, that is to say that there is only one winding 43 per notch 41, and therefore no mixing of phases in the notches. Only one tooth out of two is wound.
  • phase 1 0 ° (reference phase); phase 3: 120 °; phase 5: 240 °;
  • a two-group machine configuration 1 and 2 the groups are necessarily consecutive, and each of the phases 1, 3, or 5 of the group 1 is separated by an angle ⁇ according to equation 1 with respect to any which phases 2, 4 and 6 of the group 2.
  • a winding 43 of a phase of the group 1 is always followed by a winding 43 of a phase of the group 2, and vice and versa.
  • the dental winding is said to be double-layered, that is to say that there are two windings 43 per notch 41, so that all the teeth 42 are wound .
  • phase 1 0 ° (reference phase); phase 3: 120 °; phase 5: 240 °;
  • phase 2 30 °; phase 4: 150 °; phase 6: 270 °.
  • each of the phases 1, 3, or 5 of the group 1 is separated by an angle ⁇ according to the equation 1 with respect to any of the phases 2, 4 and 6 of the group 2.
  • windings 43 of a phase of group 1 are always followed by windings 43 of a phase of group 2, and vice versa.
  • the following phases are thus obtained:
  • phase 1 0 °; phase 3: 72 °; phase 5: 144 °; Phase 7: 216 °; phase 9: 288 °;
  • phase 2 18 °; phase 4: 90 °; phase 6: 162 °; phase 8: 234 °; phase 10: 306 °.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Dental Tools And Instruments Or Auxiliary Dental Instruments (AREA)

Abstract

La présente invention concerne une machine électrodynamique fonctionnant en générateur, comprenant (i) un stator et un rotor, lequel stator comprenant un nombre Ns d'encoches encadrant des dents faisant face à l'entrefer, lequel rotor comprenant un nombre Nr d'aimants, et (ii) un bobinage statorique avec un nombre p de paires de pôles de bobinage disposé dans les encoches du stator, et comprenant N groupes de m phases, selon laquelle (i) le bobinage statorique comprend une pluralité de bobinages dentaires disposés dans les encoches du stator de telle sorte à entourer les dents, (ii) la machine satisfait l'ensemble de relations suivantes : Ns = Q.m. N. p; Nr = k. p et (iii) les groupes de phases sont disposés sur le stator de telle sorte que deux phases quelconques appartenant à deux groupes de phases consécutifs sur ledit stator soient séparés par un angle électrique sensiblement égal à a = ± (180 / (N. m) + c. 360 / m), avec c un nombre entier.

Description

« Machine électrique à bobinage dentaire à phases regroupées »
Domaine technique
La présente invention concerne une machine électrique utilisable en génératrice dans des équipements de production d'électricité d'origine éolienne notamment.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui de la production d'électricité à partir de sources d'énergie mécanique.
Etat de la technique antérieure
Les dispositifs de production d'énergie de petite capacité mettent en œuvre des niveaux de puissance allant du kilowatt à quelques dizaines de kilowatts. Pour ces niveaux de puissance, la chaîne de conversion d'énergie électrique comprend en général :
- une source d'énergie mécanique, qui peut être par exemple d'origine éolienne, hydraulique, ou basée sur un système de récupération de l'énergie des vagues ;
- une machine électrique utilisée en génératrice qui convertit l'énergie mécanique fournie par la source en énergie électrique. La technologie généralement utilisée est celle de la machine synchrone à aimants, associée à un circuit électrique triphasé ;
- un redresseur qui est un dispositif électronique permettant de convertir l'énergie alternative délivrée par la machine électrique en énergie continue. Pour la gamme de puissance citée précédemment, le redresseur est généralement passif, c'est-à-dire qu'il est constitué d'interrupteurs de puissance qui ne sont pas commandés ou pilotés. Il s'agit généralement de ponts de diodes triphasés à double alternance ;
- un onduleur de couplage au réseau qui permet, en convertissant l'énergie continue en énergie alternative, le raccordement du dispositif à un réseau électrique à fréquence fixe. Il peut aussi assurer une fonction de régulation de puissance ;
- le réseau électrique, qui constitue la charge de l'ensemble de la chaîne de conversion de l'énergie. Il est généralement triphasé et de fréquence fixe (50 Hz ou 60 Hz). Cette chaîne de conversion permet ainsi d'injecter l'énergie alternative délivrée par la machine électrique, qui est à fréquence variable puisqu'elle dépend de la vitesse de rotation, sur le réseau à fréquence fixe.
Comme on l'a dit précédemment, les redresseurs utilisés sont souvent dits passifs car ils sont constitués de diodes de puissance. Ce type de redresseur présente l'avantage d'être simple, facile à mettre en œuvre et peu coûteux. Leur utilisation présente toutefois deux principaux inconvénients :
- une altération du rendement de la génératrice électrique. En effet, le principe de fonctionnement du pont de diode impose un déphasage non nul entre la force électromotrice et le courant au sein de la génératrice électrique. De ce fait, on ne fonctionne plus à pertes Joule minimales dans la génératrice électrique et le rendement de la génératrice est altéré. De plus, le principe de fonctionnement du pont de diodes implique des formes d'ondes de courant de phases non sinusoïdales. Le contenu harmonique des courants de phase peut être relativement important de sorte que cela diminue encore le rendement de la génératrice électrique (les harmoniques de courant créent aussi des pertes Joule) ;
- un accroissement des ondulations de couple mécanique. Comme dit précédemment, le principe de fonctionnement du pont de diodes implique des formes d'ondes de courant de phases non sinusoïdales. Il s'ensuit que le contenu harmonique des courants de phase peut être relativement important, ce qui engendre de fortes ondulations de couple mécanique. Ces ondulations de couple peuvent être à l'origine de vibrations et donc sources de bruit. Cela crée un réel problème de pollution sonore, en particulier lorsque les machines électriques sont mises en œuvre dans des éoliennes.
Parmi les solutions connues pour réduire le contenu harmonique des courants de phases parcourant la génératrice électrique, on peut citer par exemple une solution consistant à utiliser une génératrice électrique à aimants à inductances élevées (ou dans laquelle on a rajouté des inductances en série avec les phases de la génératrice électrique), de façon à « lisser » fortement l'allure des courants de phase et donc à les rendre plus sinusoïdaux. Cette solution est relativement efficace pour réduire les ondulations de couple, cependant on constate dans ce cas une nette dégradation du rendement. En effet, en optant pour une génératrice électrique à aimants avec une forte inductance en série, on accroît encore plus le déphasage entre les forces électromotrices et les courants, et les pertes Joule augmentent.
Le document EP 2082471 divulgue des dispositifs de conversion d'énergie électromécanique dont les bobinages statoriques sont réalisés sous la forme de plusieurs ensembles de bobinages comprenant un nombre identique de phases (par exemple 2 ensembles de 3 phases). Chaque ensemble est relié à un redresseur, et les redresseurs sont combinés au niveau de leurs sorties, en série ou en parallèle. Les ensembles de bobinages sont constitués de bobinages diamétraux, et sont répartis sur le stator selon une relation de phase qui permet de réduire sensiblement le contenu harmonique des courants de phase du stator par comparaison à une machine qui ne comprendrait qu'un ensemble de bobinages. Il est ainsi obtenu un effet de réduction des pertes électriques, et donc d'amélioration du rendement énergétique.
Les machines à bobinage diamétral telles que divulguées dans
EP 2082471 sont toutefois connues pour présenter des ondulations de couple importantes. Elles présentent en outre l'inconvénient de présenter un couple de détente important.
Ce couple de détente correspond au couple de crantage à vide engendré par l'interaction entre les aimants du rotor et la denture statorique, et s'oppose à la mise en mouvement de la machine. Il est gênant en particulier dans le secteur de la production d'électricité d'origine éolienne de faible puissance. En effet, la qualité d'une éolienne est en partie déterminée par sa capacité à récupérer de l'énergie à basse vitesse de vent. Or, à basse vitesse de vent, le couple engendré par les pales de l'éolienne est faible et si le couple de détente est élevé, les pales ne se mettront pas en rotation. En conséquence, on augmentera inévitablement la vitesse minimale de vent permettant de récupérer l'énergie.
On connaît le document EP 1487085 qui divulgue une génératrice comprenant deux ensembles de bobinages triphasés, connectés respectivement en étoile et en triangle. Afin de réduire le couple de détente, les surfaces aimantées du rotor sont réalisées de telle sorte à présenter une inclinaison par rapport à l'axe de rotation de la machine. Cette technique a toutefois l'inconvénient de rendre la réalisation de la machine notablement plus complexe. Elle entraine en outre une réduction du rapport entre le couple obtenu et les pertes Joule, et donc une réduction des performances de la génératrice électrique en termes de rendement.
Le but de la présente invention est de proposer une machine électrique pouvant fonctionner en génératrice associée à un redresseur à diodes, de rendement optimal et facile à fabriquer, dans laquelle les ondulations de couple sont sensiblement réduites.
Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec une machine électrodynamique fonctionnant en générateur, comprenant :
- un stator et un rotor au moins partiellement en matériau magnétique, séparés par un entrefer, lequel stator comprenant une pluralité d'encoches encadrant des dents faisant face à l'entrefer, lequel rotor comprenant une pluralité d'aimants disposés de telle sorte à engendrer dans l'entrefer une alternance de champs magnétiques d'orientation sensiblement perpendiculaire à l'entrefer et de polarité sensiblement opposée, et
- un bobinage statorique disposé dans les encoches du stator, et comprenant N groupes de m phases,
caractérisée en ce que :
- le bobinage statorique comprend une pluralité de bobinages dentaires disposés dans les encoches du stator de telle sorte à entourer les dents,
- la machine, comprenant un stator avec un nombre Ns d'encoches, un rotor avec un nombre Nr d'aimants d'orientation magnétique sensiblement identique par rapport à l'entrefer, et un bobinage statorique avec un nombre p de paires de pôles de bobinage, satisfait sensiblement l'ensemble de relations suivantes :
Ns = Q m N p, (Eq . la)
Nr = k p, (Eq . lb) avec m un nombre impair supérieur à 1 ; N un nombre entier supérieur à 1 ; p un nombre entier différent de zéro ; k un nombre impair supérieur à 1, différent et non multiple de m ; et Q un nombre entier égal à 4 ou à un multiple de 4, et
- les groupes de phases sont disposés sur le stator de telle sorte que deux phases quelconques appartenant à deux groupes de phases consécutifs sur ledit stator sont séparés par un angle électrique sensiblement égal à :
a = ± (180 / (N ■ m) + c ■ 360 / m) degrés, (Eq . 1) avec c un nombre entier.
De préférence, les angles électriques a sont en outre différents de 90 degrés modulo 180 degrés.
De préférence, la machine selon l'invention peut satisfaire en outre sensiblement la relation :
a = ± 180 ■ IMr / (N ■ m) degrés. (Eq . le)
Suivant des exemples de modes de réalisation :
- Le paramètre m peut prendre l'une des valeurs suivantes : m = 3, m = 5, m = 7 ;
- Le paramètre m peut satisfaire au moins l'une des conditions suivantes : m < 5, m < 7 ;
- Le paramètre N peut prendre l'une des valeurs suivantes : N = 2, N = 3, N = 4, N = 5, N = 6 ;
- Le paramètre N peut satisfaire au moins l'une des conditions suivantes : N < 3, N < 4, N < 5, N < 6 ;
- Le paramètre p peut prendre l'une des valeurs suivantes : p = 1, p = 2, P = 3 ;
- Le paramètre p peut satisfaire au moins l'une des conditions suivantes : p < 2, p < 3 ;
- Le paramètre Q peut prendre l'une des valeurs suivantes : Q = 4, Q = 8, Q = 12, Q = 16 ;
- Le paramètre Q peut satisfaire au moins l'une des conditions suivantes : Q < 8, Q < 12, Q < 16.
Suivant des modes de réalisation, la machine électrodynamique selon l'invention peut comprendre en outre au moins un redresseur passif relié électriquement au bobinage statorique.
Le ou les redresseur(s) passif(s) peuvent comprendre une entrée alternative reliée électriquement à un groupe de phases et une sortie redressée.
La machine électrodynamique selon l'invention peut être conformée de telle sorte que chaque groupe de phases soit relié à un redresseur passif distinct.
Suivant des modes de réalisation : - la machine électrodynamique selon l'invention peut comprendre au moins un groupe dont les phases sont électriquement reliées entre elles en un point neutre suivant une disposition en étoile ;
- les points neutres des groupes de phases en étoile peuvent ne pas être directement reliés électriquement entre eux ;
- la machine électrodynamique selon l'invention peut comprendre au moins un groupe dont les phases sont électriquement reliées entre elles en série, chaque phase étant reliée à deux autres phases du groupe. Les phases d'un groupe peuvent ainsi être reliées entre elles sous la forme d'une chaîne fermée.
Tous les groupes de phases de la machine peuvent être conformés sensiblement de la même manière, avec leurs phases respectives reliées soit en série, soit en étoile pour tous les groupes. En effet, le déphasage a peut être obtenu dans la machine selon l'invention par la disposition géométrique (c'est-à-dire la position) des phases sur le stator, plutôt que par un déphasage purement électrique engendré par une différence de câblage des phases entre les groupes.
A titre d'illustration, une machine comprenant N groupes de m phases peut être conçue de telle sorte que lorsqu'on parcourt les dents du stator on rencontre successivement les bobinages d'une phase du groupe 1, puis d'une phase du groupe 2, puis ainsi de suite jusqu'à une phase du groupe N, puis une autre phase du groupe 1, .... On peut avoir par exemple comme disposition :
Groupe 1 phase 1 ; groupe 2 phase 1 ; ... ; groupe N phase 1 ; groupe 1 phase 2 ; groupe 2 phase 2 ; ... groupe N phase 2 ; ...
Toujours à titre d'exemple, les groupes 1 et 2 qui ont des phases voisines au niveau des bobinages du stator sont dit « consécutifs » et il s'ensuit que dans la machine selon l'invention une phase quelconque du groupe 1 et une phase quelconque du groupe 2 sont séparées d'un angle électrique a conforme à l'équation 1.
La machine électrodynamique selon l'invention peut comprendre un stator avec un nombre Ns d'encoches, un rotor avec un nombre Nr d'aimants d'orientation magnétique sensiblement identique par rapport à l'entrefer, et un bobinage statorique avec un nombre p de paires de pôles de bobinage. Suivant des modes de réalisation pour lesquels Q = 4, elle peut être conçue de telle sorte à satisfaire sensiblement en outre l'ensemble de relations suivantes :
Ns = 4 m N p, et (Eq . 2) Nr = k p, (Eq . 3) avec m un nombre impair supérieur à 1 ; N un nombre pair supérieur à 1 ; p un nombre entier différent de zéro ; et k un nombre impair supérieur à 1, différent et non multiple de m.
Suivant des modes de réalisation, la machine électrodynamique selon l'invention peut être en outre conçue de telle sorte à satisfaire sensiblement l'une quelconque des relations suivantes :
Nr = (Ns / 2) - p, ou (Eq . 3a)
Nr = (Ns / 2) + p. (Eq . 3b)
Suivant des modes de réalisation préférentiels pour lesquels p = 1, elle peut être en outre conçue de telle sorte à satisfaire l'une quelconque des relations suivantes :
Nr = (Ns / 2) - 1, ou (Eq . 4)
Nr = (Ns / 2) + 1. (Eq . 5)
Le nombre p de paires de pôles de bobinage définit la périodicité du bobinage d'une phase sur le stator, et l'angle électrique a correspond au déphasage électrique relatif de la tension de deux phases quelconques de deux groupes de phases consécutifs lorsque la machine est en mouvement.
En comparaison avec une machine électrodynamique à bobinage diamétral telle que divulguée dans EP 2 082 471, on obtient avec une génératrice électrique à bobinage dentaire selon l'invention un meilleur filtrage mécanique du couple. En effet, les ondulations de couple sont bien moins élevées dans les génératrices à bobinage dentaire car le rapport du nombre Ns d'encoches sur le nombre Nr d'aimants d'orientation magnétique sensiblement identique par rapport à l'entrefer doit être fractionnaire pour que la machine puisse fonctionner, comme illustré aux équations 2 et 3. Dans les machines à bobinage diamétral, le rapport Ns sur Nr est au contraire entier. On obtient ainsi un décalage progressif des aimants par rapport aux dents statoriques, ce qui réduit les ondulations de couple de détente.
En outre, le bobinage d'une machine électrodynamique à bobinage dentaire est simplifié en comparaison de celui d'une machine à bobinage diamétral car, comme les bobines entourent les dents statoriques, il n'y a pas de chevauchement des phases au niveau des têtes de bobine. L'encombrement des chignons au niveau des têtes de bobine est réduit, ce qui permet de réduire la quantité de cuivre non active utilisée et donc de réduire les pertes Joule.
Comme expliqué précédemment, le bobinage statorique de la machine électrodynamique selon l'invention comprend N groupes de m phases, répartis sur le stator de telle sorte à satisfaire les conditions sur les angles électriques a définies par l'équation 1. Cet arrangement permet de repousser les ondulations de couple dues au couplage harmonique entre le courant et la f.e.m. à des fréquences élevées de l'ordre de (2 ■ N ■ m) fois la fréquence fondamentale des forces électromotrices (f.e.m), avec pour résultat un bien meilleur filtrage de ces ondulations. On obtient ainsi une machine à (N ■ m) phases dont le comportement du point de vue des ondulations de couple est celui d'une machine à (2 ■ N ■ m) phases.
A titre d'exemple, avec une génératrice à aimants à bobinage dentaire à 2 groupes de 3 phases déphasées d'un angle électrique a = 30° (Eq . 1), on repousse la première ondulation de couple harmonique à 12 fois la fréquence fondamentale des f.e.m. et on obtient ainsi un comportement analogue à celui d'une machine à 12 phases.
La réduction des vibrations dues aux harmoniques de couple et du couple de détente est ainsi obtenue dans le dispositif selon l'invention grâce à l'association d'un bobinage dentaire et d'une configuration particulière, en groupes de phases, du bobinage statorique. La conception de la machine doit satisfaire une double contrainte :
(i) que le rapport du nombre Ns d'encoches sur le nombre Nr d'aimants d'orientation magnétique sensiblement identique par rapport à l'entrefer soit fractionnaire, ce qui est une condition nécessaire pour la mise en œuvre du bobinage dentaire,
(ii) que le bobinage statorique satisfasse aux contraintes de phase définies par l'équation 1, pour repousser les ondulations de couple à des fréquences où elles sont plus faibles et mieux filtrées.
Aucun document de l'art antérieur ne décrit de dispositif satisfaisant les conditions (i) et (ii), contrairement à la machine selon l'invention. Le document EP 1487085 décrit une génératrice dans laquelle un bobinage dentaire est mis en œuvre. Toutefois, pour réduire le couple de détente, il est recouru à une inclinaison des aimants.
La raison en est que le bobinage statorique mis en œuvre est basé sur une architecture étoile-triangle triphasée. Cette architecture permet effectivement d'obtenir un déphasage électrique de 30°, mais la structure de la machine reste celle d'une une machine à bobinage dentaire triphasée de conception classique dont la moitié des pôles est connectée en triangle et l'autre moitié est connectée en étoile. Il s'ensuit que sans recourir à l'inclinaison des aimants l'ondulation de couple liée à la détente est identique à une machine triphasée qui serait constituée d'une seule étoile triphasée. Par ailleurs, concernant l'ondulation de couple liée au couplage harmonique entre le courant et la f.e.m., bien qu'il soit vrai que l'amplitude de l'ondulation de couple soit réduite dans une machine telle que décrite dans EP 1487085 par rapport à une machine triphasée qui serait constituée d'une seule étoile triphasée, la fréquence de l'ondulation reste de rang 6 (c'est à dire 6 fois la fréquence fondamentale des f.e.m.). En effet, bien qu'il y ait un circuit étoile et un circuit triangle, les f.e.m. sont nécessairement déphasées les unes par rapport aux autres d'un angle électrique de 120°, sans autre possibilité car la machine est une machine de conception triphasée. L'originalité de cette architecture étoile-triangle réside dans le fait que ce sont les tensions de sortie des deux circuits qui sont déphasées de 30° d'où l'effet de filtrage. Mais cet effet de filtrage est toutefois moins performant que celui obtenu dans une machine selon l'invention.
Suivant un mode de réalisation, le bobinage statorique peut être disposé de telle sorte qu'une dent sur deux du stator est entourée par un bobinage dentaire.
Le bobinage dentaire est alors dit monocouche. Il y a deux fois moins de bobines que de dents statoriques, une dent statorique sur deux dents seulement est bobinée, et il n'y a donc pas de mélange de phase au sein des encoches. Ce bobinage présente les avantages d'un découplage physique des phases car il n'y a aucun contact direct entre des fils de cuivre de phases différentes dans les encoches. Il présente également l'avantage d'un découplage magnétique entre les phases d'un groupe et entre les groupes de phases car, au moins au premier ordre, il y a peu d'effet de mutuelle inductance.
Suivant un autre mode de réalisation, le bobinage statorique peut être disposé de telle sorte que chaque dent du stator est entourée par un bobinage dentaire.
Le bobinage dentaire est alors dit à double couche. Il y a autant de bobines que de dents statoriques, toutes les dents statoriques sont bobinées, et il y donc un mélange de phase au sein des encoches.
Le rotor peut comprendre une pluralité de paires d'aimants présentant alternativement leur pôle nord et leur pôle sud du côté de l'entrefer.
Le rotor peut ainsi comprendre Nr paires d'aimants comprenant chacune un aimant présentant son pôle nord du côté de l'entrefer et un aimant présentant son pôle sud du côté de l'entrefer, soit Nr aimants d'orientation magnétique sensiblement identique présentant leur pôle nord du côté de l'entrefer, et Nr aimants d'orientation magnétique sensiblement identique présentant leur pôle sud du côté de l'entrefer. La surface du rotor faisant face à l'entrefer est alors essentiellement constituée, dans la direction du déplacement relatif du rotor par rapport au stator dans l'entrefer, d'aimants fixés côte à côte (ou de surfaces contigues aimantées).
Comme expliqué précédemment, dans la machine électrodynamique selon l'invention, le couple de détente est sensiblement réduit grâce à la mise en œuvre du bobinage dentaire et sa répartition en groupes de phases. Il n'est donc pas nécessaire d'incliner les aimants ou les surface aimantées comme dans EP 1 487 085. Ils peuvent être disposés, de manière classique, selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction du déplacement relatif du rotor par rapport au stator dans l'entrefer, ce qui a notamment l'avantage de simplifier considérablement la fabrication de la machine électrodynamique.
La machine électrodynamique selon l'invention peut comprendre des redresseurs passifs à pont de diodes à double alternance.
Suivant des modes de réalisation, elle peut comprendre des redresseurs passifs reliés électriquement en série du côté de leur sortie redressée, pour obtenir une sommation des tensions redressées.
Suivant d'autres modes de réalisation, elle peut comprendre des redresseurs passifs reliés électriquement en parallèle du côté de leur sortie redressée, pour obtenir une sommation des courants redressés. Cette configuration présente l'avantage de réduire, à puissance donnée, le calibre en courant des câbles de sortie de la génératrice, ce qui facilite son raccordement.
Suivant des modes de réalisation, le stator et le rotor peuvent présenter une géométrie cylindrique.
Suivant d'autres modes de réalisation, le stator et le rotor peuvent présenter une géométrie discoïde.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la figure 1 illustre une chaîne de conversion d'énergie éolienne mettant en œuvre une machine électrodynamique selon l'invention,
- la figure 2 présente un schéma électrique des phases et des redresseurs (a) connectés en série et (b) connectés en parallèle dans une machine selon l'invention,
- la figure 3 présente dans un diagramme des angles électriques des phases (a) du premier groupe et (b) du second groupe dans une machine selon l'invention,
- la figure 4 illustre une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une machine électrodynamique selon l'invention,
- la figure 5 illustre une vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'une machine électrodynamique selon l'invention.
En référence à la figure 1, on va décrire un exemple de mode de réalisation dans lequel une machine électrodynamique 10 selon l'invention est mise en œuvre dans une chaîne de conversion d'énergie éolienne en énergie électrique, pour alimenter un réseau triphasé. Cette chaîne comprend :
- une source d'énergie mécanique 14 qui est dans le cas présent le vent ; - une machine électrodynamique 10 dont le rotor est couplé à des pales d'éolienne entraînées par le vent 14. Cette machine débite une énergie électrique de fréquence variable en fonction de sa vitesse de rotation ;
- un redresseur 11 dont la fonction est de transformer l'énergie électrique alternative fournie par la machine 10 en énergie continue ; - un onduleur de couplage réseau 12 qui permet, en convertissant l'énergie continue en énergie alternative, le raccordement au réseau de distribution électrique 13 à fréquence fixe ;
- le réseau de distribution électrique 13 qui constitue la charge de l'ensemble de la chaîne de conversion de l'énergie. Il est généralement triphasé et de fréquence fixe (50 Hz ou 60 Hz).
La machine selon l'invention 10 est une machine synchrone à aimants, à rotor cylindrique.
En référence à la figure 2, elle comprend un bobinage statorique en double étoile constitué de deux groupes (N = 2) de trois phases (m = 3), soit, respectivement, un groupe comprenant des phases numérotées 1, 3, 5 et un groupe comprenant des phases numérotées 2, 4, 6. Les phases 1, 3, 5 et 2, 4, 6 sont connectées en étoile. Elles sont reliées d'une part à un point neutre auquel sont reliées toutes les phases de leur groupe respectif, et d'autre part à l'entrée d'un redresseur l ia ou 11b. Les points neutres des différents groupes ne sont pas reliés entre eux.
Les redresseurs l ia et 11b sont des redresseurs triphasés à pont de diode à double alternance qui délivrent en sortie une tension électrique sensiblement continue 20. Ces redresseurs l ia et 11 b peuvent être reliés en série (figure 2a) ou en parallèle (figure 2b) suivant que l'on préfère effectuer une sommation en tension ou en courant de l'énergie continue.
Ces redresseurs l ia et 11b constituent un élément de la charge électrique de la machine 10 et exercent comme expliqué précédemment une influence directe sur son fonctionnement, notamment en imposant des formes d'ondes de courant de phases non sinusoïdales au contenu harmonique relativement important. Dans une machine triphasée simple de l'art antérieur, c'est-à-dire ne comprenant par exemple que les phases 1, 3, 5, cela provoque des ondulations de couple mécanique gênantes. Ce sont précisément ces inconvénients qui sont résolus dans la machine électrodynamique 10 selon l'invention .
En référence à la figure 3, un groupe de phases ( 1 , 3, 5 ou 2, 4, 6) de la machine selon l'invention 10 constitue un circuit triphasé en étoile, dont les trois phases sont réparties uniformément sur 360°. En prenant comme référence la phase 1, le déphasage électrique des phases du premier groupe est donc : phase 1 : 0° ; phase 3 : 120° ; phase 5 : 240°.
Conformément à l'équation 1, on peut avoir une différence de phase électrique entre les groupes consécutifs sur le stator a = 30°. Il s'ensuit que le déphasage électrique des phases du second groupe est :
phase 2 : 30° ; phase 4 : 150° ; phase 6 : 270°.
L'intérêt de cet arrangement de phases réside dans l'obtention d'un fonctionnement électromagnétique équivalent à celui d'une génératrice à douze phases alors qu'il y en a seulement six phases ou plutôt 2x3 phases. Cet effet est obtenu en associant deux circuits triphasés non pas déphasés électriquement entre eux de 60 ° pour une répartition homogène des phases (auquel cas on obtiendrait une génératrice électrique à un seul circuit hexaphasé avec des ondulations de couple à six fois la fréquence fondamentale des forces électromotrices), mais déphasés électriquement entre eux de 30° tel qu'illustré à la figure 3.
Pour redresser l'énergie électrique alternative délivrée par une telle génératrice électrique 10, il est nécessaire, d'une part, de ne pas relier les neutres des deux circuits triphasés de la génératrice 10, et d'autre part, de connecter en série ou en parallèle les deux ponts de diodes triphasés l ia et 11b au niveau du bus d'alimentation continu . Avec une telle association, on dispose de ce fait des avantages suivants :
- une tension redressée 20 mieux filtrée : l'ondulation de la tension du bus d'alimentation continue est réduite car la première harmonique de tension sur ce bus est repoussée à douze fois la fréquence fondamentale des forces électromotrices (f.e. m. ) . L'intérêt principal est que cela permet potentiellement de réduire la taille du condensateur de filtrage,
- une fréquence des ondulations de couple repoussées : le rang du premier harmonique de couple se situe à douze fois la fréquence fondamentale des f.e. m . (contre 6 fois la fréquence fondamentale des f.e.m . si on utilise une machine triphasée classique). Ce sont donc les harmoniques de courant de rang plus élevés, qui de surcroît sont de plus faible amplitude, qui sont à l'origine des ondulations de couple. Le filtrage de ces harmoniques de couple est encore renforcé par l'effet passe-bas lié à l'inertie du système mécanique. En référence aux figures 4 et 5, la machine 10 comprend un stator 40 et un rotor 44 cylindriques séparés par un entrefer 47. Le stator 40 et le rotor 44 sont réalisés dans un empilement de plaques de tôle prédécoupées.
Le rotor 44 comprend sur sa périphérie des paires d'aimants 45 et 46 dont la direction d'aimantation 48 est sensiblement radiale par rapport à l'entrefer 47. Ces aimants 45 et 46 sont disposés de manière à présenter alternativement leur pôle nord et leur pôle sud du côté de l'entrefer.
Le stator 40 comprend des dents 42 séparées par des encoches 41 dans lesquelles sont logés des bobinages de fil de cuivre 43 qui entourent les dents 42.
Suivant un mode de réalisation illustré à la figure 4, le bobinage dentaire est dit monocouche, c'est-à-dire qu'il n'y a qu'un seul bobinage 43 par encoche 41, et donc pas de mélange de phases dans les encoches. Seule une dent 42 sur deux est bobinée.
Avec Ns le nombre d'encoches statoriques 41, Nbob le nombre de bobines statoriques 43, Nr le nombre de paires d'aimants alternés 45, 46, p le nombre de paires de pôles statoriques (p = 1), N le nombre de groupes de phases (N = 2), m le nombre de phases par groupe (m = 3), on a donc
Nbob = Ns / 2 ; (Eq . 6) En appliquant les équations 1 et 2, on obtient :
Ns = 24, (Eq . 7) a = 30°. (Eq . 8)
Le choix du signe de a dépend simplement de la convention de signe (ou de sens) adoptée.
Conformément aux équations 4 et 5, on a deux possibilités pour le choix de Nr, soit un couplage sur l'harmonique 11 avec
Nr = 11, (Eq . 9)
Soit un couplage sur l'harmonique 13 avec
Nr = 13. (Eq . 10) Les phases électriques correspondantes sont :
- groupe 1,
phase 1 : 0° (phase de référence) ; phase 3 : 120° ; phase 5 : 240 ° ;
- groupe 2,
phase 2 : 30° ; phase 4 : 150° ; phase 6 : 270 °. La figure 4 illustre un mode de réalisation avec Nr = 11 et Ns = 24. En notant pour chaque phase par le signe « + » les parties de bobinage 43 dans lesquelles le courant est sortant (par rapport à la figure) et par le signe « - » les parties de bobinage 43 dans lesquelles le courant est entrant (ou vice et versa), et par le signe « | » la position des dents 42, on obtient le schéma de bobinage du stator 40 suivant:
+ 1 I -1 I +2 I -2 I -5 I +5 I -6 I +6 I +3 I -3 I +4 I -4 I -1 I + 1 I -2 I + 2 I +5 I -5 I +6 I -6 I -3 I +3 I -4 I +4 I
Dans une configuration de machine à deux groupes 1 et 2, les groupes sont nécessairement consécutifs, et chacune des phases 1, 3, ou 5 du groupe 1 est séparée d'un angle a conforme à l'équation 1 par rapport à n'importe laquelle des phases 2, 4 et 6 du groupe 2. D'autre part, au niveau du stator 40, un bobinage 43 d'une phase du groupe 1 est toujours suivi par un bobinage 43 d'une phase du groupe 2, et vice et versa.
Suivant un autre mode de réalisation illustré à la figure 5, le bobinage dentaire est dit à double couche, c'est-à-dire qu'il y a deux bobinage 43 par encoche 41, de telle sorte que toutes les dents 42 soient bobinées. On a dans ce cas
Nbob = Ns. (Eq . 11) En appliquant les équations 1, 2, 4 et 5, on obtient de la même manière que précédemment :
Ns = 24 ; (Eq . 12)
Nr = 11 ou Nr = 13; (Eq . 13) a = 30°. (Eq . 14) Les phases électriques correspondantes sont :
- groupe 1,
phase 1 : 0° (phase de référence) ; phase 3 : 120° ; phase 5 : 240 ° ;
- groupe 2,
phase 2 : 30° ; phase 4 : 150° ; phase 6 : 270 °.
La figure 5 illustre un mode de réalisation avec Nr = 11, Ns = 24 et p = 1. En notant pour chaque phase par le signe « + » les parties de bobinage 43 dans lesquelles le courant est sortant (par rapport à la figure) et par le signe « - » les parties de bobinage 43 dans lesquelles le courant est entrant (ou vice et versa), et par le signe « | » la position des dents 42, on obtient le schéma de bobinage du stator 40 suivant: + 1 + 1 | -1 -2 | + 2 +2 | -2 +5 | -5 -5 | +5 +6 | -6 -6 | +6 -3 | +3 +3 | -3 -4 | +4 +4 | -4 +1 I -1 -1 I +1 +2 | -2 -2 | +2 -5 | +5 +5 | -5 -6 | +6 +6 | -6 +3 | -3 -3 | +3 +4 | -4 -4 | +4 -1 |
De la même manière que précédemment, chacune des phases 1, 3, ou 5 du groupe 1 est séparée d'un angle a conforme à l'équation 1 par rapport à n'importe laquelle des phases 2, 4 et 6 du groupe 2. D'autre part, au niveau du stator 40, des bobinages 43 d'une phase du groupe 1 sont toujours suivis par des bobinages 43 d'une phase du groupe 2, et vice et versa.
La machine électrodynamique selon l'invention n'est bien entendu pas limitée à des configurations mettant en œuvre deux groupes de trois phases. Elle peut par exemple comprendre un bobinage dentaire avec deux groupes de cinq phases, déphasés d'un angle électrique a = 18 °. On obtient ainsi les phases suivantes :
- Groupe 1,
phase 1 : 0° ; phase 3 : 72° ; phase 5 : 144° ; Phase 7 : 216° ; phase 9 : 288°;
- Groupe 2,
phase 2 : 18° ; phase 4 : 90° ; phase 6 : 162° ; phase 8 : 234° ; phase 10 : 306°.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine électrodynamique ( 10) fonctionnant en générateur, comprenant :
- un stator (40) et un rotor (44) au moins partiellement en matériau magnétique, séparés par un entrefer (47), lequel stator (40) comprenant une pluralité d'encoches (41) encadrant des dents (42) faisant face à l'entrefer (47), lequel rotor (44) comprenant une pluralité d'aimants (45, 46) disposés de telle sorte à engendrer dans l'entrefer (47) une alternance de champs magnétiques d'orientation (48) sensiblement perpendiculaire à l'entrefer (47) et de polarité sensiblement opposée, et
- un bobinage statorique disposé dans les encoches (41) du stator, et comprenant N groupes de m phases ( 1, 2, 3, 4, 5, 6),
caractérisée en ce que :
- le bobinage statorique comprend une pluralité de bobinages dentaires (43) disposés dans les encoches (41) du stator (40) de telle sorte à entourer les dents (42),
- la machine, comprenant un stator (40) avec un nombre Ns d'encoches (41), un rotor (44) avec un nombre Nr d'aimants (45, 46) d'orientation magnétique (48) sensiblement identique par rapport à l'entrefer (47), et un bobinage statorique avec un nombre p de paires de pôles de bobinage, satisfait sensiblement l'ensemble de relations suivantes :
Ns = Q ■ m ■ N ■ p,
Nr = k p,
avec m un nombre impair supérieur à 1 ; N un nombre entier supérieur à 1 ; p un nombre entier différent de zéro ; k un nombre impair supérieur à 1, différent et non multiple de m ; et Q un nombre entier égal à 4 ou à un multiple de 4, et
- les groupes de phases sont disposés sur le stator (40) de telle sorte que deux phases quelconques appartenant à deux groupes de phases consécutifs sur ledit stator (40) sont séparés par un angle électrique sensiblement égal à :
a = ± ( 180 / (N ■ m) + c ■ 360 / m) degrés, avec c un nombre entier.
2. Machine électrodynamique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle satisfait en outre sensiblement la relation :
a = ± 180 Nr / (N m) degrés.
3. Machine électrodynamique selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un redresseur passif ( 11) reliée électriquement au bobinage statorique.
4. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un groupe dont les phases ( 1 , 3, 5) sont électriquement reliées entre elles en un point neutre suivant une disposition en étoile.
5. Machine électrodynamique selon la revendication 4, caractérisée en ce que les points neutres des groupes de phases en étoile ne sont pas directement reliés électriquement entre eux.
6. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un groupe dont les phases sont électriquement reliées entre elles en série, chaque phase étant reliée à deux autres phases du groupe.
7. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle satisfait en outre sensiblement l'ensemble de relations suivantes :
Ns = 4 ■ m ■ N ■ p,
Nr = k p,
avec m un nombre impair supérieur à 1 ; N un nombre pair supérieur à 1 ; p un nombre entier différent de zéro ; et k un nombre impair supérieur à 1, différent et non multiple de m .
8. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle satisfait sensiblement l'une quelconque des relations suivantes :
Nr = (Ns / 2) - p, ou Nr = (Ns / 2) + p.
9. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle satisfait sensiblement l'une quelconque des relations suivantes :
Nr = (Ns / 2) - 1, ou
Nr = (Ns / 2) + 1.
10. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le bobinage statorique est disposé de telle sorte qu'une dent (42) sur deux du stator (40) est entourée par un bobinage dentaire (43) .
11. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le bobinage statorique est disposé de telle sorte que chaque dent (42) du stator (40) est entourée par un bobinage dentaire (43) .
12. Machine électrodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor (44) comprend une pluralité de paires d'aimants (45, 46) présentant alternativement leur pôle nord et leur pôle sud du côté de l'entrefer (47) .
13. Machine électrodynamique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des redresseurs passifs à pont de diodes à double alternance.
14. Machine électrodynamique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des redresseurs ( 11) passifs reliés électriquement en série du côté de leur sortie redressée.
15. Machine électrodynamique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des redresseurs ( 11) passifs reliés électriquement en parallèle du côté de leur sortie redressée.
16. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le stator (40) et le rotor (44) présentent une géométrie cylindrique.
17. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le stator et le rotor présentent une géométrie discoïde.
EP11794542.8A 2010-11-12 2011-11-10 Machine electrique a bobinage dentaire a phases regroupees Withdrawn EP2638620A2 (fr)

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