L'invention concerne une machine électrique tournante asynchrone à cage, où aucun des bobinages électriques n'est tournant, dont la structure est de type homopolaire composée.

De manière connue, un moteur asynchrone d'induction comporte un stator polyphasé et un rotor à cage d' écureuil tournante. Dans certains cas le rotor est réalisé avec un enroulement polyphasé . Le couple fourni par la machine est directement proportionnel au courant d'induit, ce qui provoque un échauffement important du rotor, qui n'est pas refroidi.

L'invention propose une solution à cet échauffement du rotor, en rendant les différents bobinages du moteur, dont la cage rotorique, solidaires du stator, qui est facile à refroidir par conduction, en raison de son absence de mouvement .

Dans la description de l'invention, le mot « armature électromagnétique » désigne un stator générant un flux magnétique constitué soit d'une composante continue, soit d'une composante alternative, soit encore des deux composantes alternative et continue réunies. Le flux magnétique généré sort de l'armature électromagnétique au niveau d'une surface sensiblement annulaire d'axe de direction z dite surface d'entrefer, dans une direction sensiblement radiale dans un plan x-y perpendiculaire à l'axe z.

Ladite armature électromagnétique est alimentée en courant alternatif, avec de façon optionnelle une composante continue. Elle peut être unique ou dupliquée en plusieurs armatures électromagnétiques associées parallèlement selon l'axe de rotation, pour former une machine polyphasée. Ladite armature électromagnétique forme le stator de la machine électrique tournante. Elle est annulaire, évidée ou pleine en son centre, peut recevoir un bobinage électrique, et comporte un nombre de paires de pôles magnétiques noté « Npp ». Ce nombre correspond au nombre de paires d'alternance de flux magnétique rentrant (Sud) et sortant (Nord) dans la direction radiale d'axe z au travers de sa surface d' entrefer .

Dans la description de l'invention, le mot « surface d'entrefer » désigne un cylindre d'axe z qui correspond à la surface moyenne d' interaction magnétique entre le rotor et le stator .

Dans la description de l'invention, l'axe noté z correspond à l'axe de rotation de la machine électrique, l'axe noté x correspond à la direction tangentielle à un cylindre centré sur l'axe z et l'axe y correspond à la direction d'un rayon d'un disque centré sur l'axe z. Le mot « plan polaire » désigne un plan orthogonal à l'axe z.

Dans la description de 1 ' invention , le mot « pôle magnétique » correspond à des zones de la périphérie d' armatures électromagnétiques 11 et 12 (voir en figures la à le) , où le flux magnétique sort dans une direction sensiblement radiale par rapport à l'armature électromagnétique 11, 12 pour les pôles magnétiques Nord N et rentre dans l'armature électromagnétique 11, 12 pour les pôles magnétiques Sud S. Le flux magnétique traverse la surface d'entrefer de façon au moins partielle .

Dans la description de l'invention, le mot et 1 ' abréviation « poudre SMC » décrivent une poudre de fer caractérisée par l'isolation électrique partielle des particules élémentaires qui la forment, comme par exemple la poudre SMC commercialisée par la société connue sous le nom de Hoganas. Cette poudre est compressée, selon l'un des procédés de la liste suivante qui est non-exhaustive : poudre de fer pressée à froid ou à chaud, poudre de fer pressée à froid ou à chaud puis cuite à chaud, ferrite, poudre de fer frittée. Le procédé appliqué à la poudre SMC permet d' obtenir un circuit magnétique dont les pertes par courant de Foucault sont réduites, avec une caractéristique magnétique isotrope. L'invention décrit une machine monophasée ou diphasée. De façon évidente, une machine polyphasée, comportant au moins deux phases, est réalisée en empilant axialement le long d'un même axe de rotation plusieurs machines monophasées issues de l'invention, et en les reliant éventuellement par des pièces magnétiques et des bobines, afin de former des machines composées .

Selon l'invention, la machine électrique tournante comporte au moins un stator et au moins un rotor présentant des pièces de retour de flux magnétique agencées dans un entrefer séparant le rotor du stator, et elle se caractérise en ce que les pièces de retour de flux magnétique sont maintenues entre elles par un support non-conducteur ni du flux magnétique ni de l'électricité, le stator étant formé des éléments suivants :

- au moins une paire d'armatures électromagnétiques fixes agencées axialement dans la direction d'axe z et sensiblement centrées sur un axe z , lesdites armatures électromagnétiques recevant l'une ou l'autre au moins un bobinage induit générant un flux magnétique sensiblement alternatif dans l'entrefer ;

- une cale magnétique qui relie les armatures et assure la circulation du flux magnétique dans la direction d'axe z entre lesdites armatures sensiblement entre tous les pôles magnétiques de chacune des armatures en vis-à-vis dans la direction d'axe z, ladite cale étant placée en contact avec les armatures, sur leur face annulaire opposée à l'entrefer ; et une bobine annulaire inductrice droite ou vrillée, disposée entre l'entrefer et la cale magnétique.

Selon une configuration possible, au moins l'une des armatures peut être composée d' une culasse sur laquelle sont agencées des saillances dont l'extrémité libre borde l'entrefer et au niveau desquelles est enroulé un bobinage induit.

Ce bobinage peut par exemple passer alternativement d' une saillance à une autre, en changeant de côté, ou être enroulé autour de chacune des saillances, puis relié à la saillance suivante .

Selon une possibilité, au moins l'une des armatures peut comporter une culasse magnétique formée de tôles agencées dans un plan polaire x-y et empilées de façon sensiblement parallèle dans la direction z .

Les saillances peuvent être configurées en champignons posés de façon sensiblement régulière sur la surface cylindrique d'axe z de ladite culasse la plus proche de l'entrefer, lesdits champignons étant formés de tôles agencées dans un plan y-z et empilées de façon sensiblement parallèles entre elles, soit dans une direction polaire de rotation notée Θ, soit dans une direction tangentielle x, soit dans une direction variable, qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z, lesdits champignons étant interposés entre la culasse et l'entrefer, et posés sur la culasse sur une surface d'interaction mécanique sensiblement annulaire d'axe z, lesdits champignons comportant un évidement qui reçoit le bobinage induit.

Selon une configuration possible, les bobines annulaires inductrices sont alimentées en courant continu.

Selon une possibilité, la cale magnétique peut par ailleurs être réalisée en un matériau magnétique qui accepte les flux alternatifs, tels qu'une poudre SMC ou des tôles agencées dans un plan sensiblement polaire et empilées le long d'une direction polaire Θ, afin de former un anneau capable de véhiculer le flux magnétique alternatif de direction d'axe z, avec les bobinages induits des armatures connectés chacun indépendamment en court-circuit, ou en série et reliées en court-circuit, la bobine annulaire inductrice étant alors alimentée par un courant alternatif.

En variante, lesdits bobinages induits peuvent être remplacés chacun par une cage en court-circuit. Enfin, l'invention concerne également des machines électriques tournantes comprenant un assemblage dans la direction d'axe z de plusieurs machines électriques tournantes telles que définies ci-dessus.

L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures ci-après, pour lesquelles :

Les figures la à le présentent une machine homopolaire composée ;

La figure 2 présente une réalisation particulière de la machine homopolaire composée utilisant des dents champignons ;

La figure 3 présente une réalisation particulière de la machine homopolaire composée utilisant des dents à griffe.

Le moteur homopolaire composé 10, tel que représenté dans les figures la à le, qui constitue un exemple non limitatif présenté dans une version dite inversée, c'est-à-dire à rotor extérieur, comporte au moins un stator et au moins un rotor. Le rotor comporte des pièces de retour de flux magnétique 13 agencées dans l'entrefer séparant le rotor du stator. Selon l'invention, ces pièces sont maintenues entre elles par un support non-conducteur ni du flux magnétique ni de 1 ' électricité .

Le stator est formé des éléments suivants, visibles dans les figures la à le :

au moins une paire d'armatures électromagnétiques fixes 11 et 12 agencées axialement dans la direction d'axe z et sensiblement centrées sur l'axe z, lesquelles armatures électromagnétiques reçoivent l'une ou l'autre au moins un bobinage induit (voir figures suivantes) générant un flux magnétique sensiblement alternatif dans l'entrefer,

- une cale magnétique 15 qui relie les armatures 11 et

12, assurant la circulation du flux magnétique dans la direction d' axe z entre les armatures 11 et 12 sensiblement entre tous les pôles magnétiques de chacune des armatures 11 et 12 en vis-à-vis dans la direction d'axe z. La cale magnétique 15 est préférentiellement placée en contact avec les armatures 11 et 12, sur leur face annulaire opposée à la surface d'entrefer,

une bobine annulaire inductrice 14 droite ou vrillée, disposée entre l'entrefer et la cale magnétique 15.

Dans une réalisation particulièrement économique, la cale magnétique 15 est réalisée soit en acier doux massif, soit dans un autre matériau ferromagnétique massif .

Selon une réalisation particulière, le support des pièces 13 de retour du flux magnétique est réalisé en acier inoxydable amagnétique ou magnétique .

Lesdites pièces de retour de flux magnétique 13 sont parcourues par un flux magnétique constitué d'une composante alternative et/ou d'une composante continue, ce qui impose une réalisation particulière . Par exemple , dans un premier mode de réalisation en tôles feuilletées, lesdites pièces de retour de flux magnétique 13 sont disposées dans un plan polaire x-y et empilées annulairement par déplacement sensiblement dans la direction de la rotation Θ. Selon un deuxième mode de réalisation, lesdites pièces de retour 13 sont fabriquées à l'aide de poudre SMC. Elles sont caractérisées par une section dans le plan polaire adaptée au passage du flux émis par les armatures électromagnétiques 11 et 12 , préférentiellement sans y provoquer de saturation magnétique excessive. Lesdites pièces de retour de flux magnétique 13 sont en nombre égal à la moitié des pôles magnétiques des armatures électromagnétiques 11 et 12 , et elles sont décalées angulairement de façon sensiblement constante entre elles.

Les armatures électromagnétiques 11 et 12 sont de façon préférentielle identiques, et comportent le même nombre de pôles magnétiques. La génération des alternances polaires Nord et Sud dans les armatures électromagnétiques est obtenue par un bobinage et une géométrie particulière des armatures électromagnétiques, non-représentée à la figure 1. Cette géométrie est caractérisée, dans un premier mode de réalisation, par des pôles saillants (armature générant un flux magnétique monophasé) et, dans un deuxième mode de réalisation, par des pôles lisses (armature générant un flux magnétique triphasé, correspondant à un champ électromagnétique tournant équivalent) .

Les armatures électromagnétiques 11 et 12 sont respectivement décalées angulairement l'une par rapport à l'autre d'un angle ©a (compté dans un plan polaire), selon l'illustration 10a de la figure le. Cet angle ©a se définit par le décalage angulaire entre un repère du plan x-y calé sur un pôle magnétique Sud S de l'armature électromagnétique 11 et un repère du plan x-y calé sur le pôle magnétique Sud S le plus proche de l'armature 12

Selon un premier mode de réalisation, les armatures 11 et

12 sont en opposition, ce qui correspond à un angle ©a = 180°. Dans un deuxième mode de réalisation, les armatures 11 et 12 ne sont plus en opposition, mais elles sont décalées d'un angle différent de 180°. Le cas ©a = 180° correspond par exemple à un moteur électrique synchrone monophasé si les armatures 11 et 12 sont du type à pôles saillants. Le cas ©a = 90° ou ©a = 270° correspond par exemple à un moteur électrique synchrone diphasé si les armatures 11 et 12 sont du type à pôles saillants.

Les bobines d'excitation (non représentées en figure le) des armatures électromagnétiques 11 et 12 sont alimentées par un courant sensiblement alternatif, dont la fréquence est sensiblement égale à la fréquence de rotation du rotor multiplié par le nombre de paires Npp de pôles magnétiques, et dont la phase temporelle relativement à la position mécanique du rotor est calculée de façon à optimiser le couple généré sur le rotor.

Le moteur homopolaire composé est notamment intéressant car il ne comporte aucune bobine tournante, ni aimant. Il autorise un fonctionnement en mode synchrone autopiloté, avec une capacité à la survitesse importante, grâce au mode de défluxage par l'inducteur, en diminuant le courant d'excitation de la bobine inductrice 14.

Dans un mode de réalisation particulier, la cale magnétique 15 est remplacée, ou complétée, par un aimant annulaire qui génère un flux magnétique de direction d' axe z . Optionnellement, il est alors possible de supprimer la bobine d'excitation 14.

Toutes les pièces magnétiques formant la machine homopolaire 10 peuvent être réalisées soit en tôles ferromagnétiques découpées et empilées, soit en poudre SMC. Dans un mode de réalisation économique, la cale magnétique 15 peut également être réalisée en matériau magnétique massif tel que de l'acier ou du fer doux.

Dans un mode de réalisation particulier 20 des armatures

11 et/ou 12, tel que représenté à la figure 2, l'une et/ou l'autre des armatures électromagnétiques 11 ou 12 est composée d'une culasse 28 sur laquelle sont agencées des saillances 26 dont l'extrémité libre borde l'entrefer et autour desquelles est enroulé un bobinage induit 27. Ce dernier soit passe alternativement d'une saillance 26 à une autre, en changeant de côté, soit est enroulé autour de chacune des saillances 26, puis relié à la saillance 26 suivante.

Dans ce mode de réalisation 20 de la figure 2, les pièces de retour de flux magnétique 13 ont de façon préférentielle une longueur polaire, dans la direction angulaire polaire Θ, sensiblement égale à la longueur angulaire - au droit de l'entrefer - des saillances polaires 26. Dans ledit mode de réalisation particulier 20, les pièces de retour de flux magnétique 13 ont de façon préférentielle une section dans le plan de coupe polaire sensiblement égale à la section des saillances polaires 26 dans un plan cylindrique au droit de 1' entrefer . Dans le mode de réalisation particulier 20, les armatures 11 et 12 peuvent aussi être réalisées avec des griffes en tôle ou en poudre SMC.

Dans un autre mode de réalisation 30 des armatures 11 et/ou 12, tel que représentée à la figure 3, l'une et/ou l'autre des armatures électromagnétiques 11 ou 12 est composée :

d'une culasse électromagnétique 38 formée de tôles 36, lesquelles sont agencées dans un plan polaire x-y et empilées de façon sensiblement parallèle dans la direction z ,

de champignons 35 posés de façon sensiblement régulière sur la surface cylindrique d' axe z de ladite culasse 38 la plus proche de l'entrefer. Les champignons 35 sont formés de tôles 33 agencées dans un plan y-z et empilées de façon sensiblement parallèles entre elles, soit dans la direction polaire de rotation notée Θ, soit dans la direction tangentielle x, soit dans une direction variable , qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation z. Lesdits champignons 35 sont interposés entre la culasse 38 et l'entrefer, et sont posés sur la culasse 38 sur une surface d' interaction mécanique sensiblement annulaire d'axe z. Ils comportent de façon préférentielle un évidement 39 qui reçoit le bobinage induit 27.

Dans ce mode de réalisation particulier 30, afin de simplifier la description de l'invention et d'assurer la cohérence avec la description des autres réalisations, l'angle ©a est compté à partir du centre de symétrie radial d' un champignon 35 dont la face plane dans le plan polaire est orientée vers les ordonnées z décroissantes. Toute autre définition de ©a cohérente avec cette dernière définition reste valable . Il apparaît que dans ce mode de réalisation particulier 30, les flux dans la machine électrique tournante sont du type transverse simultanément au rotor et au stator.

Dans les modes de réalisation particuliers 20 et 30, les culasses 28 et/ou 38 sont dans un premier cas annulaires, et dans un deuxième cas discoidales .

L'invention se propose en fait de transformer le moteur homopolaire composé 10 ou 20 ou 30, qui fonctionne en mode synchrone autopiloté, dit BLDC, et dont l'inducteur 14 est alimenté en courant continu , en une machine homopolaire asynchrone. L'invention utilise la même structure que la machine 10 avec ses modes de réalisation particuliers 20 ou 30. L'invention se caractérise par les différences suivantes apparentes dans les réalisations particulières 10, 20 et 30 :

- la cale magnétique 15 est réalisée en un matériau magnétique qui accepte les flux alternatifs, tels qu'une poudre SMC ou des tôles agencées dans un plan sensiblement polaire et empilées le long d'une direction angulaire Θ, afin de former un anneau capable de véhiculer le flux magnétique alternatif de direction d' axe z ,

les bobinages induits des armatures 11 et 12 dans le mode de réalisation 10, ou les bobinages induits référencés 27 dans les modes de réalisation 20 ou 30, sont connectés chacun indépendamment en court-circuit. Selon un autre mode de réalisation, ils sont connectés en série et reliés en court- circuit. Dans un autre mode de réalisation encore, les bobinages induits 27 sont remplacés chacun par une cage en court-circuit, similaire à celle d'une machine d'induction de l'état de l'art,

- la bobine d' excitation ou bobine inductrice 14 est alimentée par un courant alternatif, qui amène l'énergie électrique au moteur.

La machine obtenue est une machine asynchrone d'induction, qui a un fonctionnement identique à celui d'une machine d'induction de l'état de l'art. Une machine polyphasée est construite, comme déjà mentionné, en associant axialement plusieurs machines de l'invention. Le mode de fonctionnement de la machine asynchrone à double alimentation est obtenu en alimentant en courant alternatif l'induit, simultanément à 1 ' inducteur .

Toute la description de l'invention a été effectuée pour une machine tournante électrique dont la surface d'entrefer est un cylindre centré autour de son axe de rotation z . La transposition de l'invention à une machine de type discoidale, où la surface d'entrefer est un disque, annulaire ou plein, centré sur l'axe de rotation, se fait de façon évidente par l'homme de l'art, en utilisant les symétries de conception adéquates, qui transposent par exemple les flux radiaux en flux tangentiels et réciproquement.

La description de l'invention ci-dessus s'étend par ailleurs à tous les modes de fonctionnement de la machine électrique tournante décrite, dans les quatre quadrants de fonctionnement du plan couple-vitesse de l'arbre, et par conséquent en modes moteur, générateur et frein, en sens de rotation positif et négatif.

L'invention couvre non seulement les configurations à rotor extérieur, telles qu'illustrées, mais également les structures à rotor intérieur. Le passage des unes aux autres se fait par effet miroir vis-à-vis de la surface d'entrefer, comme le décrit l'état de l'art, en utilisant une symétrie radiale centrée autour de la surface d'entrefer.

Il est à noter que la description de la machine électrique tournante de l'invention s'étend à une machine électrique linéaire, en effectuant une transformation conforme, qui déroule les dimensions dans l'axe polaire x en des dimensions linéaires . Tout ou partie des pièces ferromagnétiques constituant l'invention peut en tout état de cause être réalisé en poudre SMC.

La machine électrique de l'invention peut comporter des armatures à griffe en tôle ou à dents amovibles. La machine électrique de l'invention peut être commandée par un algorithme de commande en boucle ouverte de tension, et peut intégrer éventuellement un procédé de réduction du bruit de son codeur. La machine électrique de 1 ' invention peut être isolée avec un procédé d'isolation haute température à base de silicone.

Tous les éléments qui ont été présentés dans cette invention peuvent être étendus à d' autres machines électriques tournantes ou statiques, comportant un nombre quelconque de phases électriques et de pôles magnétiques électromagnétiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification et variante évidente pour un homme du métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées .