FR2588131A1 - Machine electrique tournante a reluctance variable polyentrefers - Google Patents

Abstract

LA MACHINE, UTILISABLE EN MOTEUR, COMPREND UN STATOR AYANT UNE STRUCTURE PORTANT DES PLOTS EN MATERIAU FERROMAGNETIQUE REPARTIS REGULIEREMENT DANS LE SENS CIRCONFERENTIEL ET UN ROTOR AYANT AU MOINS UN DISQUE PORTANT EGALEMENT DES PLOTS FERROMAGNETIQUES REGULIEREMENT REPARTIS DANS LE SENS CIRCONFERENTIEL ET COOPERANT AVEC LES PLOTS DU STATOR, AINSI QUE DES MOYENS INDUCTEURS PORTES PAR LE STATOR POUR CREER UN CHAMP D'INDUCTION SUIVANT UN TRAJET PRESENTANT UNE RELUCTANCE QUI DEPEND DE LA POSITION RELATIVE DES PLOTS STATORIQUES ET ROTORIQUES. PLUSIEURS RANGEES PARALLELES DES PLOTS ROTORIQUES 10 ET PLUSIEURS RANGEES, PARALLELES AUX PRECEDENTES, DES PLOTS STATORIQUES 12 SONT DISPOSEES PAR RAPPORT AU CHAMP B DE FACON QU'AUCUNE FORCE TENDANT A LES DEPLACER N'AGISSE SUR EUX DANS LE SENS DE L'AXE DE ROTATION ET QUE LES FORCES SOURCES D'INSTABILITE N'AGISSENT SUR LES PLOTS DU ROTOR QUE DANS LE SENS RADIAL.

Description

Machine électrique tournante à réluctance variable nolv- entrefers.

L'invention, faite au Laboratoire d'Electrotechnique de l'Université de PARIS VI et XI, équipe de recherche associée au Centre National de la Recherche
Scientifique n' 070838, concerne les machines électriques tournantes à réluctance variable et elle est applicable à la réalisation de machines de caractéristiques très diverses, telles que notamment moteur pas à pas ou de type Vernier, moteur polyphasé ou à champ unipolaire.

L'invention concerne plus particulièrement les machines électriques tournantes à réluctance variable du type comprenant un stator ayant une structure portant des plots en matériau ferromagnétique répartis régulièrement dans le sens circonférentiel et un rotor ayant un disque portant également des plots ferromagnétiques régulièrement répartis dans le sens circonférentiel et coopérant avec les plots du stator, ainsi que des moyens inducteurs portés par le stator pour créer un champ d'induction suivant un trajet présentant une réluctance qui dépend de la position relative des plots statoriques et rotoriques.

On connait déjà de nombreuses machines électriques tournantes du type ci-dessus défini. A titre de simple exemple, on pourra se référer au brevet FR 1 580 150. Les moteurs à réluctance présentent l'avantage de comporter un rotor massif, ce qui simplifie considérablement la construction et augmente la robustesse. En contrepartie, les machines à réluctance variable et à plots présentent un phènomène d'instabilité suivant une direction. Pour mieux comprendre ce phénomène, on pourra se reporter à la Figure 1 qui montre une rangée de plots 10 qu'on supposera portée par un rotor, ou plus généralement par une pièce mobile dans la direction D, et deux rangées de plots 12 portées par un organe de structure fixe 14 et encadrant la rangée de plots 10.

Les plots sont en matériau ferromagnétique, tandis que la pièce 14 est amagnétique . On supposera que les plots 10 sont plus courts que les intervalles entre ces plots dans la direction D. Dans ce cas, l'application d'un champ magnétique par des moyens non représentés tend à amener les plots. 10 en alignement avec les plots 12 (position dite en conjonction) pour laquelle la réluctance est minimale. Au contraire, la réluctance est maximale lorsque les plots sont en quinconce, comme cela est illustré sur la Figure 1 (position en opposition)
Lorsqu'un champ magnétique est appliqué et que les plots ont légèrement dépassé leur position d'alignement, le champ tend à leur faire poursuivre leur déplacement jusqu'à la position de réluctance minimale.

Le champ appliqué pour déplacer les plots 10 fait apparaitre sur ces derniers des forces parasites,
Sur la Figure 1, on a représenté un système d'axe Oxyz, la direction Oy coincidant avec la direction de déplacement recherchée. Suivant l'orientation du champ dans ce système d'axes, les forces parasites, sources d'instabilités éventuelles, n'ont pas la même direction.

Si notamment le champ est dirigé suivant Ox, parallèlement au plan commun des plots, la règle de la recherche du flux magnétique maximal entraine la stabilité du système suivant la direction Oz. Mais par contre les plots 10 seront en équilibre instable entre les deux rangées de plots 12 et tout décentrement va se traduire par l'apparition d'une force tendant à appliquer les plots 10 contre l'une des rangées de plots 12.

Si le champ est dirigé sur la direction Oz, l'instabilité est suivant Oz. Si enfin le champ est dans la direction Oy, les plots 10 sont stables suivant Oz et instables suivant Ox.

On sait par ailleurs qu'on peut augmenter le couple par unité de masse d'un moteur à réluctance en augmentant les surfaces d'entrefer correspondant aux mouvements suivant la direction D. Mais cette augmentation ne se fait que par réduction des dimensions des plots, car ces dimensions varient en sens inverse du nombre d'entrefers pour un volume donné. Or le fractionnement d'une pièce réduit sa rigidité. Dans les machines tournantes existantes à réluctance variable, on a généralement utilisé un champ électrique axial qui se traduit par l'apparition sur les plots de forces dirigées parallèlement à l'axe et exerçant un moment de flexion.La faible rigidité d'un rotor fractionné risque de se traduire alors par des phénomènes de vibration.Si l'entrefer est faible, les vibrations peuvent de plus produire des frottements entraînant une destruction rapide de la machine et sont au surplus source de bruit.

On a déjà tenté de réduire les conséquences des instabilités dans le sens axial par un guidage et un centrage plus efficaces, notamment dans le cas de machines comprenant un grand nombre de disques rotoriques. Une construction allant dans ce sens et particulièrement efficace est décrite dans le document
EP-A-0128 099.

La présente invention utilise une approche totalement différente et vise à fournir une machine électrique tournante dans laquelle les phénomènes d'instabilité interviennent dans une direction où les plots et les disques ont une forte rigidité, ce qui permet notamment de réduire les vibrations, et corrélativement les bruits, et d'éliminer les risques d'usure rapide.

Dans ce but, l'invention propose notamment une machine du type ci-dessus défini dans laquelle plusieurs rangées des dits plots rotoriques et statoriques sont disposées par rapport au champ de façon qu'aucune force tendant à les déplacer n'agisse sur eux dans le sens de l'axe de rotation et que les forces sources d'instabilité n'agissent sur les plots du rotor que dans le sens radial.

Ce résultat peut être atteint en utilisant des moyens inducteurs qui créent dans les plots un champ dirigé globalement dans le sens radial par rapport à l'axe de rotation. Les plots rotoriques et statoriques peuvent alors être placés en rangées concentriques alternées et montés en porte-à-faux sur des supports également imbriqués, mais cette fois dans le sens axial.

On voit que les plots présentent une instabilité dans le sens radial, mais la rigidité de la structure à laquelle ils appartiennent est très élevée dans ce sens. Par cântre, les disques rotoriques, particulièrement sensibles aux moments de flexion, sont stables dans le sens axial.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs.

La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la Figure 1, déjà mentionnée, est un schéma en perspective montrant une répartition classique de plots appartenant au rotor et au stator d'un moteur électrique à réluctance variable,
- la Figure 2 est une vue schématique montrant une disposition possible des plots rotoriques et statoriques d'un moteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, en demi-coupe suivant un plan passant par l'axe du rotor,
- la Figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la Figure 2,
- la Figure 4, similaire à la Figure 2, montre la constitution d'ensemble d'un moteur polyphasé à effet
Vernier constituant un second mode de réalisation de l'invention,
- la Figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la Figure 4,
- la Figure 6, similaire à la Figure 4, montre un moteur polyphasé de type Vernier avec excitation unipolaire, constituant une variante de celui de la
Figure 4,
- la Figure 7, similaire à la Figure -5, montre une machine polyphasée à plots décalés par paquets,
- les Figures 8 et 9, encore similaires aux
Figures 4 et 5, montrent une machine à champ unipolaire constituant encore un mode de réalisation de l'invention.

Les figures 2 et 3 montrent une machine à réluctance variable ayant une configuration qu'on peut qualifier de polycylindrique polyentrefer. Les plots rotoriques 10 sont groupés en deux rangées concentriques sur chaque face d'un disque 16 en matériau amagnétique, calé sur l'arbre rotatif 18 de la machine. Le stator de la machine comporte deux flasques également amagnétiques 20 portant chacun deux rangées concentriques, de plots magnétiques 12, répartis suivant des cercles tels que subsistent, entre rangées concentriques, des entrefers de faible épaisseur radiale. Le stator porte encore des moyens inducteurs (non représentés) capables de créer un champ magnétique globalement radial B.

Ces moyens inducteurs pourront être des bobinages d'excitation ayant l'une des dispositions connues, par exemple celle décrite dans le document EP-A-0128 099 déjà mentionné.

On voit que le rotor est instable dans le sens radial, tout décentrage faisant apparaître une force qui tend à l'accentuer. Par contre les disques sont axialement stables.

Le fonctionnement en moteur est celui des machines à réluctance variable classiques : si on crée le champ B alors que le rotor vient de dépasser la position d'opposition, ce champ tend à amener les plots 10 dans la position de flux maximal. En coupant alors l'excitation, l'inertie du rotor l'amène à poursuivre sa rotation jusqu'à l'impulsion de champ suivante. L'alimentation des bobinages d'excitation peut être pilotée par la position du rotor.

Les performances d'une telle machine sont d'autant plus élevées que le flux de fuite est minimal, ce qui implique de réduire le plus possible l'épaisseur e du disque par rapport à la hauteur h des plots. Du fait de l'absence d efforts de flexion, on peut réduire e à une valeur beaucoup plus faible que dans une constitution classique de rotor à dents ferromagnétiques. Le disque, devant être amagnétique, pourra être métallique ou en matériau non conducteur de l'électricité pour réduire les pertes par courants de Foucault. Pour réduire les pertes par courants de Foucault et par hystérésis dans les plots, ces derniers peuvent être feuilletés dans le sens radial ou même en matériaux divisés si la fréquence du champ est élevée.

Les plots et le champ d'excitation peuvent prendre des configurations très diverses, dont quelques unes seront maintenant décrites.

La machine montrée schématiquement en Figures 4 et 5 est du type Vernier dont le champ d'excitation est fourni par des bobinages polyphasés. Le rotor comporte un noyau feuilleté 22, porté par l'arbre 18 et muni de dents constituant les rangées internes de plots 10, et des disques 16 portant sur chaque face une rangée supplémentaire de plots 10. Le stator comporte une carcasse magnétique 24 en tôles emplilées, dans laquelle sont ménagées des encoches de réception des bobinages polyphasés 26 de création du champ radial. Ces encoches constituent également la rangée externe de plots 12. Les disques 20 portant la rangée interne de plots 12 sont retenus sur la carcasse 24
L'arbre 18 est monté par des roulements 30 dans un bâti 28 qui supporte également la carcasse 24.

Pour obtenir un effet Vernier, les dents de chaque rangée du rotor sont en nombre légèrement différent de celui des dents d'une rangée du stator, par exemple inférieur d'une unité, de façon à présenter un décalage progressif : le rotor tourne ainsi moins vite que le champ tournant fourni par les bobinages polyphasés.

La configuration de la Figure 6 se différencie de la précédente en ce que les moyens inducteurs fournissent également une induction unipolaire continue.

Pour cela, ils comprennent, en plus des bobinages polyphasés 26, des enroulements à courant continu 32 ou des aimants permanents remplaçant ces enroulements. Le circuit magnétique de fermeture du flux fourni par les enroulements 32 pourra être constitué par le bâti 28 en le constituant en matériau ferromagnétique, comme indiqué sur la Figure 6, ou par des éléments supplémentaires. Il n'est pas nécessaire de feuilleter ce circuit, puiqu'il est parcouru par un flux sensiblement constant.

La machine Vernier montrée en Figure 7 se différencie notamment de celle des Figures 4 et 5 en ce que les bobinages polyphasés sont remplacés par des bobinages concentrés 34, ce qui interdit d'effectuer le décalage au niveau de chaque plot. La difficulté est levée en regroupant plusieurs plots 12 de la rangée externe (5 plots dans le cas illustré) en une seule pièce ferromagnétique 36. Les plots 12 de chaque groupe sont répartis au même pas angulaire que les plots 10 et le décalage est réalisé au niveau de chaque groupe. La valeur de ce décalage dépend du nombre de phases et du nombre de plots et dents du rotor.

Les bobinages concentrés 34 peuvent être fractionnés en enroulements parcourus par le courant polyphasé et enroulements parcourus par un courant continu pour obtenir un fonctionnement du même type que celui de la machine de la Figure 6. On peut également ajouter, aux bobinages montrés en Figure 7, des enroulements d'excitation unipolaire continue du genre montré en Figure 6.

Enfin les Figures 8 et 9 montrent une machine qui diffère de celle de la Figure 6 en ce qu'elle comporte uniquement des enroulements à courant continu 32, fournissant une induction unipolaire B. Le circuit magnétique se ferme par les plots 10-12 et la carcasse 24 qui doivent être feuilletés pour réduire les pertes.

En effet, les enroulements seront, lors du fonctionnement en moteur, alimentés par un courant haché, fourni par un circuit (non représenté) qui peut être piloté par un capteur de position du rotor.

Le moteur montré en Figures 8 et 9 est le plus simple possible. Mais il a l'inconvénient de fournir un couple qui varie dans le temps. Lorsqu'il est nécesaire de disposer d'un couple sensiblement régulier, les rotors de plusieurs machines peuvent être montés sur le même arbre, avec un déphasage approprié entre les courbes de variation du couple.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Machine électrique tournante à réluctance variable comprenant un stator ayant une structure portant des plots en matériau ferromagnétique répartis régulièrement dans le sens circonférentiel et un rotor ayant au moins un disque portant également des plots ferromagnétiques régulièrement répartis dans le sens circonférentiel et coopérant avec les plots du stator, ainsi que des moyens inducteurs portés par le stator pour créer un champ d'induction suivant un trajet présentant une réluctance qui dépend de la position relative des plots statoriques et rotoriques, carac térisée en ce que plusieurs rangées parallèles des plots rotoriques (10) et plusieurs rangées, parallèles aux précédentes, des plots statoriques (12) sont disposées par rapport au champ (B) de façon qu'aucune force tendant à les déplacer n'agisse sur eux dans le sens de l'axe de rotation et que les forces sources d'instabilité n'agissent sur les plots du rotor que dans le sens radial.

2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens inducteurs (26, 32) sont placés de façon à créer dans les plots (10,12) un champ dirigé globalement dans le sens radial par rapport à l'axe de rotation.

3. Machine électrique tournante selon la revendication 2, caractérisée en ce que les plots rotoriques et statoriques (10,12) sont placés en rangées concentriques alternées et montés en porte-à-faux sur des supports également imbriqués, mais cette fois dans le sens axial.

4. Machine électrique tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que le rotor comporte un noyau ferromagnétique (22) muni de dents constituant une rangée interne des plots rotoriques (10) et des disques minces (16) constituant les supports et portant sur chaque face au moins une rangée de plots concentriques aux dents.

5. Machine électrique tourante selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le stator comporte une carcasse ferromagnétique (24) munie de dents, constituant la rangée externe de plots statoriques (12) et des disques minces fixés à la carcasse, portant sur chaque face en regard de plots rotoriques, au moins une rangée de plots concentriques aux dents.

6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les plots rotoriques ont un écartement angulaire moyen légèrement différent de celui des dents statoriques pour fournir un effet Vernier.

7. Machine électrique tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce que les plots statoriques (12) sont disposes par paquets, les plots d'un même paquet ayant le même pas angulaire que les plôts du rotor et étant associés à un même bobinage appartenant à des enroulements polyphasés inducteurs.

8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens inducteurs comprennent des bobinages d'excitation polyphasés (26) portés par une carcasse et créant un champ tournant.

9. Machine électrique tournante selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens inducteurs comprennent également des enroulements (32) ou aimants permanents de création d'un champ unipolaire.

10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens inducteurs sont constitués par des enroulements (32) de création d'un champ unipolaire dans un circuit magnétique comprenant des plots (10,12), une carcasse (24) portant les plots statoriques et un bâti (28) portant les enroulements et dans lequel tourne le rotor, lesdits enroulements étant associés à des moyens pour y faire circuler un courant haché.