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Title:
DEVICE COMPRISING A ROTARY ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/043226
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns an electric machine specially designed to work in a vacuum, comprising a rotor (14) provided with four teeth (16) which cover each an angular sector of about sixty degrees and a stator (15) provided with twelve teeth (17) which cover each an angular sector of about thirty degrees, a coil (18) being wound around each tooth (17) of the stator (15). One coil (18a) out of two is energised by a current and the six other coils (18b 18d) are assembled in pairs to form three phases. The teeth (16, 17) are arranged such that the total reluctance of the magnetic circuit enclosing the coils is constant during the rotation of the rotor.

Inventors:
GENNESSEAUX ANDRE (FR)
Application Number:
PCT/FR2001/003747
Publication Date:
May 30, 2002
Filing Date:
November 27, 2001
Export Citation:
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Assignee:
ENERGIESTRO (FR)
GENNESSEAUX ANDRE (FR)
International Classes:
H02K1/28; H02K7/02; H02K19/06; H02K19/24; (IPC1-7): H02K19/24; H02K7/02
Foreign References:
EP0348984A11990-01-03
US4631456A1986-12-23
US6097118A2000-08-01
US2071953A1937-02-23
US4401939A1983-08-30
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1997, no. 3 31 March 1997 (1997-03-31)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2000, no. 13 25 February 2001 (2001-02-25)
Attorney, Agent or Firm:
Burbaud, Eric (rue d'Amsterdam Paris Cedex 09, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Dispositif comportant une machine électrique rotative qui comprend un rotor (14) tournant autour d'un axe de rotation (Z) et un stator (15), le rotor (14) comportant une pluralité de dents (16) en matériau ferromagnétique divisé mais ne comportant ni conducteur ni aimant permanent, le stator (15) comportant une pluralité de dents (17) en matériau ferromagnétique divisé, orientées vers le rotor, chaque dent (17) du stator (15) étant entourée d'une bobine (18a18d), les bobines (18a18d) comprenant d'une part des bobines d'excitation (18a) qui sont reliées électriquement à une unité de commande et de puissance (7) pour recevoir un courant d'excitation, et d'autre part, des bobines de réception (18b18d ; 18b) adaptées pour produire une tension induite lorsque le rotor (14) tourne, caractérisé en ce que les dents (16,17) du rotor et du stator sont disposées pour que la réluctance totale d'un circuit magnétique formé par l'ensemble des dents (16,17) du rotor et du stator reste sensiblement constante lorsque le rotor tourne.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les dents (16) du rotor (14) sont au nombre de quatre et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ soixante degrés centré sur l'axe de rotation (Z), les dents (16) étant angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation (Z), les dents (17) du stator (15) sont au nombre de douze et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ trente degrés centré sur l'axe de rotation (Z), les bobines d'excitation (18a) sont au nombre de six et sont couplées par paires de bobines d'excitation diamétralement opposées, et les bobines de réception (18b18d) sont au nombre de six et sont couplées par paires de bobines de réception diamétralement opposées.
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les dents (16) du rotor (14) sont au nombre de trois et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ soixante degrés centré sur l'axe de rotation (Z), les dents (16) étant angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation (Z), les dents (17) du stator (15) sont au nombre de quatre et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ quatrevingt dix degrés centré sur l'axe de rotation (Z), les dents (16) du rotor étant angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation (Z), les bobines d'excitation (18a) sont au nombre de deux et sont couplées en une paire de bobines d'excitation diamétralement opposée, et les bobines de réception (18b) sont au nombre de deux et sont couplées en une paire dé bobines de réception diamétralement opposées.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les dents (16) du rotor (14) sont fixées sur un volant d'inertie (5).
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le volant d'inertie (5), le rotor (14) et le stator (15) sont contenus dans une enceinte sous vide (8).
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les dents (16) du rotor sont disposées en regard d'un radiateur (22) solidaire de l'enceinte sous vide (8), lesdites dents (16) du rotor étant adaptées pour dissiper de l'énergie thermique par radiation vers ledit radiateur (22).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel les dents (16) du rotor (14) sont indépendantes les unes des autres.
8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7 dans lequel les dents (16) du rotor (14) sont isolées thermiquement du volant (5).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, dans lequel le volant d'inertie est en acier inoxydable austénitique.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel le volant d'inertie comporte au moins un rebord (23) qui présente une face radialement intérieure (23a) contre laquelle s'appuient les dents (16) du rotor (14).
11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le rebord (23) présente une extrémité libre prolongée radialement vers l'intérieur par une patte (25) au niveau de chaque dent (16) du rotor, ladite patte (25) du rebord recouvrant partiellement la dent (16) correspondante du rotor.
12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel la dent (16) du rotor est enserrée par une cage (26) ellemme emboîtée à force entre la patte (25) du rebord (23) et une surface d'appui (24) appartenant au volant d'inertie, ladite cage (26) étant en appui contre la face radialement intérieure (23a) du rebord (23), et ladite cage (26) isolant la dent (16) correspondante de tout contact direct avec le volant d'inertie (5).
13. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel la cage (26) comporte : une face arrière (27) interposée entre la dent correspondante (16) du rotor et la face radialement intérieure (23a) du rebord (23) j et plusieurs pattes élastiques (28) qui enserrent la dent correspondante (16) du rotor sur quatre côtés, au moins une desdites pattes élastiques (28) étant en appui sous la patte (25) du rebord (23) et au moins deux desdites pattes élastiques (28) étant en appui contre la surface d'appui (24) du volant d'inertie.
14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel la patte (25) du rebord (23) comporte une extrémité libre (25a) formant une tte élargie, la patte élastique (28) qui est en appui sous ladite patte (25) du rebord (23) présentant deux rabats (29) disposés de part et d'autre de la patte (25) du rebord (23) en appui derrière la tte élargie (25a) de ladite patte, pour solidariser la cage (26) et la dent correspondante (16) du rotor avec le volant d'inertie.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel la cage (26) est en acier inoxydable austénitique.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 15, dans lequel le volant d'inertie (5) présente un renflement central (11) et un renflement périphérique (12) séparés l'un de l'autre par un amincissement annulaire (13), les dents (16) du rotor étant fixées sur l'un des renflements (11,12) et le stator (15) étant placé en regard de l'amincissement (16).
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité de commande et de puissance (7) est adaptée pour générer un courant d'excitation fonction d'une vitesse de rotation du rotor (14), pour maintenir sensiblement constante la tension induite.
18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les bobines de réception (18b18d) sont adaptées pour produire un courant triphasé à fréquence variable et pour envoyer ce courant triphasé à l'unité de commande et de puissance (7), ladite unité de commande et de puissance comprenant un cycloconvertisseur (7a) pour transformer ledit courant triphasé en un courant alternatif de fréquence fixe.
19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, dans lequel les bobines de réception (18b18d) sont adaptées pour générer un courant triphasé et pour envoyer ce courant triphasé à l'unité de commande et de puissance (7), ladite unité de commande et de puissance (7) étant adaptée pour redresser ledit courant triphasé en un courant continu puis pour transformer ledit courant continu en un courant alternatif de fréquence fixe par un onduleur (7a).
20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les dents (17) du stator sont angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation (Z) et portent alternativement une bobine d'excitation (18a) et une bobine de réception (18b18d ; 18b), les dents (16) du rotor étant angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation (Z), les dents (16,17) du rotor et du stator étant disposées pour qu'à chaque instant, au moins une des dents (16) du rotor recouvre au moins une paire de deux dents adjacentes (17) du stator en définissant un circuit magnétique (B) entre ces deux dents (17) du stator, ladite dent (16) du rotor recouvrant respectivement lesdites deux dents (17) de la paire de dents adjacente respectivement sur des première et deuxième surfaces dont la plus petite (S1, S3) définit une section de passage de flux magnétique, et les dents (16, 17) du rotor et du stator étant conformées pour que la somme des sections de passage de flux magnétique de toutes les paires de dents adjacentes (17) du stator reliées magnétiquement par les dents du rotor (16) soit sensiblement constante au cours du temps.
Description:
DISPOSITIF COMPORTANT UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE.

La présente invention concerne les dispositifs comportant des machines électriques tournantes, notamment celles spécialement conçues pour travailler dans le vide, et plus particulièrement celles conçues pour tre montées sur des volants de stockage d'énergie.

Le stockage d'énergie par volant d'inertie est une technologie bien connue, mme si elle n'est pas utilisée de façon courante. Elle présente pourtant de nombreux avantages si on la compare à la technologie de stockage la plus utilisée : la batterie électrochimique. En particulier un volant peut tre inusable, alors que la durée de vie d'une batterie est extrmement courte en terme de nombre de cycles : quelques milliers tout au plus. Le rendement d'un volant peut tre excellent, alors que celui d'une batterie est de l'ordre de 50%. Il serait donc très avantageux de pouvoir disposer de volants de stockage d'énergie en remplacement des batteries. Mais il s'avère que les machines électriques (moteur et/ou générateur) qui ont été proposées jusqu'ici pour relier le volant à l'extérieur ne sont pas satisfaisantes.

La contrainte la plus importante vient du fait qu'un volant doit tourner dans une atmosphère raréfiée pour ne pas dissiper son énergie en frottements, alors que la plupart des machines électriques sont conçues pour tourner dans l'air. Cela interdit d'utiliser les machines à collecteur tournant, car il est connu que la durée de vie d'un collecteur dans le vide est très réduite. Cela interdit aussi les machines avec des conducteurs au rotor, car il serait impossible d'évacuer la chaleur produite par l'effet Joule.

Certains ont proposé des machines à aimants permanents au rotor, mais ces machines ont deux inconvénients majeurs : leurs pertes à vide sont très

élevées, et la tension qui elles produisent varie avec la vitesse de rotation.

Récemment la société américaine Active Power a mis sur le marché une machine de technologie homopolaire, décrite par exemple dans le brevet américain US-5 969 457.

Dans cette technologie, une bobine coaxiale avec le volant est parcourue par un courant continu qui crée un champ magnétique permanent d'excitation à travers le volant (qui doit tre magnétiquement perméable) et le stator. Des dents sont taillées dans le volant pour concentrer le champ magnétique. Il suffit de placer des bobines induites face aux dents pour obtenir une tension alternative. Cette machine résout les problèmes précédents, mais elle a encore des inconvénients : le volant ne peut pas tre optimisé pour le stockage d'énergie puisqu'il a un rôle électrique ; le volant étant massif, les variations du champ magnétique dans les dents créent des courants de Foucault qui dissipent de l'énergie et échauffent le volant.

Par ailleurs, le document EP-A-0 348 984 décrit un dispositif comportant une machine électrique rotative qui comprend un rotor tournant autour d'un axe de rotation et un stator, le rotor comportant une pluralité de dents en matériau ferromagnétique divisé mais ne comportant ni conducteur ni aimant permanent, le stator comportant une pluralité de dents en matériau ferromagnétique divisé, orientées vers le rotor, chaque dent du stator étant entourée d'une bobine, les bobines comprenant d'une part des bobines d'excitation qui sont reliées électriquement à une unité de commande et de puissance pour recevoir un courant d'excitation, et d'autre part, des bobines de réception adaptées pour produire une tension induite lorsque le rotor tourne.

Ce dispositif présente notamment l'inconvénient que la réluctance totale du circuit magnétique varie considérablement lorsque le rotor tourne. On peut en effet

constater que pour certaines positions angulaires du rotor, il n'y a plus aucune connexion magnétique entre les dents, ce qui a pour conséquence que le flux magnétique d'excitation est nul. La variation du flux dans le circuit magnétique d'excitation lorsque le rotor tourne induit des pics de tension dans les bobinages d'excitation, très gnants pour le circuit chargé de produire le courant d'excitation.

La présente invention a notamment pour but de pallier cet inconvénient.

A cet effet, un dispositif du genre en question est caractérisé en ce que les dents du rotor et du stator sont disposées pour que la réluctance totale d'un circuit magnétique formé par l'ensemble des dents du rotor et du stator reste sensiblement constante lorsque le rotor tourne.

On notera que le mot"dent"utilisé ici doit tre entendu comme désignant une portion de rotor ou de stator à forte perméabilité magnétique séparé des autres dents par des zones de plus faible perméabilité magnétique (air, vide, matériau solide de relativement faible perméabilité magnétique, etc.). Les dents selon l'invention ne sont donc pas nécessairement des parties saillantes du rotor ou du stator.

Dans des modes de réalisation préférés, on peut avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes, le cas échéant indépendamment des dispositions précédemment décrites : - les dents du rotor sont au nombre de quatre et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ soixante degrés centré sur l'axe de rotation, lesdites dents du rotor étant angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation, les dents du stator sont au nombre de douze et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ trente degrés centré sur l'axe de rotation, les bobines

d'excitation sont au nombre de six et sont couplées par paires de bobines d'excitation diamétralement opposées, et les bobines de réception sont au nombre de six et sont couplées par paires de bobines de réception diamétralement opposées ; - les dents du rotor sont au nombre de trois et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ soixante degrés centré sur l'axe de rotation, lesdites dents du rotor étant équiréparties autour de l'axe de rotation, les dents du stator sont au nombre de quatre et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ quatre-vingt dix degrés centré sur l'axe de rotation, les bobines d'excitation sont au nombre de deux et sont couplées en une paire de bobines d'excitation diamétralement opposée, et les bobines de réception sont au nombre de deux et sont couplées en une paire de bobines de réception diamétralement opposées ; - les dents du rotor sont fixées sur un volant d'inertie ; - le volant d'inertie, le rotor et le stator sont contenus dans une enceinte sous vide ; - les dents du rotor sont disposées en regard d'un radiateur solidaire de l'enceinte sous vide, lesdites dents du rotor étant adaptées pour dissiper de l'énergie thermique par radiation vers ledit radiateur - les dents du rotor sont indépendantes les unes des autres ; - les dents du rotor sont isolées thermiquement du volant ; - le volant d'inertie est en acier inoxydable austénitique ; - le volant d'inertie comporte au moins un rebord qui présente une face radialement intérieure contre laquelle s'appuient les dents du rotor ; - le rebord présente une extrémité libre

prolongée radialement vers l'intérieur par une patte au niveau de chaque dent du rotor, ladite patte du rebord recouvrant partiellement la dent correspondante du rotor ; - la dent du rotor est enserrée par une cage elle-mme emboîtée à force entre la patte du rebord et une surface d'appui appartenant au volant d'inertie, ladite cage étant en appui contre la face radialement intérieure du rebord, et ladite cage isolant la dent correspondante de tout contact direct avec le volant d'inertie ; - la cage comporte : . une face arrière interposée entre la dent correspondante du rotor et la face radialement intérieure (23a) du rebord, . et plusieurs pattes élastiques qui enserrent la dent correspondante du rotor sur quatre côtés, au moins une desdites pattes élastiques étant en appui sous la patte du rebord et au moins deux desdites pattes élastiques étant en appui contre la surface d'appui du volant d'inertie ; - la patte du rebord comporte une extrémité libre formant une tte élargie, la patte élastique qui est en appui sous ladite patte du rebord présentant deux rabats disposés de part et d'autre de la patte du rebord en appui derrière la tte élargie de ladite patte, pour solidariser la cage et la dent correspondante du rotor avec le volant d'inertie ; - la cage est en acier inoxydable austénitique ; - le volant d'inertie présente un renflement central et un renflement périphérique séparés l'un de l'autre par un amincissement annulaire, les dents du rotor étant fixées sur l'un des renflements et le stator étant placé en regard de l'amincissement ; - l'unité de commande et de puissance est adaptée pour générer un courant d'excitation fonction d'une vitesse de rotation du rotor, pour maintenir sensiblement constante la tension induite ; - les bobines de réception sont adaptées pour

produire un courant triphasé à fréquence variable et pour envoyer ce courant triphasé à l'unité de commande et de puissance, ladite unité de commande et de puissance comprenant un cycloconvertisseur pour transformer ledit courant triphasé en un courant alternatif de fréquence fixe ; - les bobines de réception sont adaptées pour générer un courant triphasé et pour envoyer ce courant triphasé à l'unité de commande et de puissance, ladite unité de commande et de puissance étant adaptée pour redresser ledit courant triphasé en un courant continu puis pour transformer ledit courant continu en un courant alternatif de fréquence fixe par un onduleur ; - les dents du stator sont angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation et portent alternativement une bobine d'excitation et une bobine de réception, les dents du rotor étant angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation, les dents du rotor et du stator étant disposées pour qu'à chaque instant, au moins une des dents du rotor recouvre au moins une paire de deux dents adjacentes du stator en définissant un circuit magnétique entre ces deux dents du stator, ladite dent du rotor recouvrant respectivement lesdites deux dents de la paire de dents adjacente respectivement sur des première et deuxième surfaces dont la plus petite définit une section de passage de flux magnétique, et les dents du rotor et du stator étant conformées pour que la somme des sections de passage de flux magnétique de toutes les paires de dents adjacentes du stator reliées magnétiquement par les dents du rotor soit sensiblement constante au cours du temps.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée de plusieurs de ses formes de réalisation, données à titre d'exemples non limitatifs, en regard des

dessins joints.

Sur les dessins : - la figure 1 représente une vue schématique d'un système de production d'électricité selon une forme de réalisation de l'invention, comportant une machine électrique rotative dont le rotor est fixé sur un volant d'inertie, - la figure 2 représente une vue en coupe radiale de la machine électrique rotative équipant le système de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2, - la figure 4 représente une partie agrandie de la figure 1, montrant en détail les dispositions de refroidissement de la machine électrique rotative, la figure 5 est une vue similaire à la figure 2, dans une variante de l'invention, - et les figures 6 et 7 sont des vues de détail montrant la fixation des dents du rotor sur le volant d'inertie, dans une autre forme de réalisation de l'invention.

La figure 1 représente une vue schématique d'un système de production d'électricité comportant un volant de stockage et une machine électrique rotative. Ce système est décrit en détail dans le document WO 01/63729 et seuls ses principaux éléments sont décrits ici.

Le système de production d'électricité 1 comporte : - un moteur thermique 2, - un variateur de vitesse mécanique 3 entraîné par le moteur 2, - un embrayage 4 entraîné par le variateur de vitesse 3, - un volant d'inertie 5 tournant autour d'un axe de rotation Z (en l'occurrence vertical) et entraîné par le moteur 2 par l'intermédiaire du variateur 3 et de

l'embrayage 4, le volant 5 étant réalisé par exemple en acier inoxydable austénitique, - une machine électrique rotative, et notamment un générateur 6 permettant de transformer en énergie électrique l'énergie cinétique du volant 5, - et une unité électronique de commande et de puissance 7.

Le volant 5 tourne de préférence dans une enceinte sous vide 8 qui contient également le générateur 6 et l'embrayage 4.

L'enceinte 8 et le moteur thermique 2 sont montés de préférence sur des supports antivibratoires 9 dont certains reposent sur un socle 9a en béton ou similaire.

L'unité de commande et de puissance 7 commande le variateur de vitesse mécanique 3, à l'aide d'un moteur électrique 10, et ladite unité de commande et de puissance commande également l'embrayage 4 et le générateur 6. L'unité de commande et de puissance 7 reçoit la puissance électrique du générateur 6 et la transforme en une tension électrique conforme aux attentes de l'utilisateur.

Le volant 5 présente avantageusement une forme à deux renflements symétriques de révolution autour de l'axe Z, l'un au centre 11, l'autre en périphérie 12, avec un amincissement annulaire 13 entre les deux renflement 11, 12. Le rotor 14 du générateur 6 est fixé sur l'un des deux renflements 11,12 (notamment le renflement extérieur 12).

Le stator 15, solidaire de l'enceinte 8, est quant à lui placé au niveau de l'amincissement 13.

L'avantage de ce mode de réalisation est que le générateur 6 est ainsi parfaitement intégré dans le volant 5 : le rotor 14 est à un endroit où sa fixation est facile et où il est bien soutenu par la structure du volant 5 ; le stator 15 vient s'insérer dans un emplacement disponible, si bien que l'encombrement de l'ensemble volant/générateur 5,6 est identique à celui du volant 5 seul. Ces

dispositions sont spécialement avantageuses par rapport aux solutions connues auparavant, qui présentaient de nombreux inconvénients : - si le générateur 6 est distinct du volant 5, l'encombrement axial devient très important, et il faut ajouter des paliers et un accouplement ; -si le générateur 6 est intégré à la périphérie du volant 5, l'encombrement radial devient très grand et le rotor 14 est soumis à une force centrifuge importante ; -enfin si le générateur 6 est intégré au centre du volant 5, il faut percer ce dernier, ce qui augmente localement le niveau de contraintes et donc nécessite un volant 5 plus lourd.

La figure 2 représente le générateur 6 de la figure 1 pour un mode de réalisation préférentiel. Le circuit magnétique, constitué par le rotor 14 et le stator 15, est réalisé en matériau ferromagnétique convenant aux hautes fréquences, c'est-à-dire divisé et non massif : il peut s'agir de tôles minces découpées et empilées, ou de poudre frittée. Le rotor 14 est avantageusement constitué de quatre dents 16 ayant chacune la forme d'un secteur angulaire s'étendant sur environ 60° autour de l'axe Z. Ces dents 16 sont de préférence indépendantes les unes des autres afin que pendant la rotation à vitesse élevée elles ne soient pas soumises à une contrainte trop importante, ce qui risquerait de se produire si elles étaient réunies dans une couronne monobloc.

Le stator 15 est avantageusement constitué d'une couronne comportant douze dents 17, s'étendant chacune sur un peu moins de 30° autour de l'axe Z. La base des dents 17 est amincie afin de ménager de l'espace pour enrouler une bobine 18a, 18b, 18c, 18d autour de chacune d'elles. Une bobine sur deux (référencée 18a sur la figure 2) est parcourue par un courant d'excitation imposé par l'unité de commande et de puissance 7. Ces bobines d'excitation 18a

sont branchées de façon alternée, c'est-à-dire en produisant un champ magnétique alternativement vers l'extérieur et vers l'intérieur de la dent 17, comme indiqué par les flèches sur la figure 2 (autrement dit, les champs magnétiques P des deux bobines 18a d'une mme paire de bobines diamétralement opposées sont alignés et de mme sens).

Les autres bobines 18b, 18c, 18d sont soumises à une tension induite alternative provoquée par le passage des dents 16 devant les dents 17 lors de la rotation du rotor 14. Ces bobines de réception 18b, 18c, 18d sont branchées deux à deux (les bobines diamétralement opposées étant reliées ensemble), de façon que les bobines 18b, 18c, 18d forment respectivement trois phases U, V, W, comme indiqué sur la figure 2.

Le courant d'excitation est le plus généralement de type continu, et il est régulé pour que la tension de sortie induite soit constante. En effet, pour un courant donné, la tension induite par la rotation du rotor 14 varie avec la vitesse de rotation. Si la demande est très faible, il est mme possible d'arrter le courant d'excitation, ce qui conduit à des pertes totalement nulle dans le générateur 6. On obtient finalement un générateur 6 triphasé parfaitement adapté au montage sur un volant 5 de stockage d'énergie. En effet, les seules pertes au rotor 14 sont dues au champ magnétique variable dans les dents 16.

Comme on a pris soin de réaliser ces dents 16 en un matériau à faibles pertes, et que l'on régule le champ d'excitation en fonction des besoins, on a les pertes les plus faibles qu'il est possible d'avoir.

Dans le cas d'un générateur 6 triphasé à tension régulée comme celui de la figure 2, l'unité de commande et de puissance 7 peut avantageusement comporter un cycloconvertisseur 7a pour générer une tension alternative de fréquence fixe. Cette technologie offre l'avantage d'un

meilleur rendement que la technologie classique consistant à redresser puis à onduler la tension produite, au moyen d'un onduleur 7a au lieu du cycloconvertisseur. La solution de l'onduleur est toutefois envisageable dans le cadre de la présente invention.

Une autre possibilité est de faire varier le courant d'excitation périodiquement, à la fréquence de la tension désirée par l'utilisateur, de façon à produire directement une tension de sortie variant à la bonne fréquence, qu'il suffit de redresser pour éliminer la haute fréquence due à la rotation.

On peut remarquer une caractéristique importante du générateur 6 de la figure 2 : la réluctance totale du circuit magnétique entourant l'ensemble des bobines 18a qui sont excitées par le courant reste sensiblement constante durant la rotation du rotor 14.

En effet, les dents 16 du rotor forment entre certaines dents 17 adjacentes du stator, des circuits magnétiques dont les lignes de champ B sont représentées pour l'une des dents 16 sur la figure 2. Ces circuits magnétiques ont chacun une certaine section de passage de flux magnétique, que l'on peut définir comme étant la plus petite des deux surfaces extérieures de deux dents 17 adjacentes, situées en regard de la dent, 16 concernée. Par exemple, on a représenté en traits gras sur la figure 2, pour l'une des dents 16 du stator, les trois surfaces en regard de la dent 16 SI, S2, S3 appartenant respectivement à trois dents 17 adjacentes recouvertes au moins partiellement par ladite dent 16.

Ces trois dents 17 adjacentes forment deux paires de dents adjacentes : - une première paire de dents adjacente ayant respectivement des surfaces SI, S2 en regard de la dent 16 et formant un premier circuit magnétique avec ladite dent 16,

et une deuxième paire de dents 17 adjacente ,,, ayant respectivement des surfaces S2, S3 en regard de la dent 16 correspondante et formant un deuxième circuit magnétique avec ladite dent 16.

Dans l'exemple représenté sur la figure 2, les surfaces S1 et S3 sont inférieures à la surface S2, de sorte que la section de passage de flux magnétique de la première paire de dents 17 vaut S1 et la section de passage de flux magnétique de la deuxième paire de dents 17 vaut S3.

On peut constater que lorsque le rotor tourne dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'exemple de la figure 2, la surface S3 augmente progressivement et la surface S1 diminue d'autant, jusqu'à ce que la dent 16 considérée commence à recouvrir une nouvelle dent 17. Dans tous les cas, chaque dent 16 correspond à une section totale de passage de flux magnétique sensiblement constante, égale à S1+S3, c'est-à-dire égale à la surface extérieure S2 d'une dent 17 complète.

Plus généralement, selon l'invention, la réluctance magnétique totale constante du circuit magnétique formé par l'ensemble des dents 16,17 signifie que la somme des sections de passage de flux magnétique correspondant aux différentes paires de dents 17 recouvertes au moins partiellement par les dents 16 du rotor, reste sensiblement constante au cours du temps.

Une autre disposition intéressante du générateur 6 est que l'on peut très facilement isoler thermiquement le rotor 14 du volant 5, comme représenté sur la figure 3. Il suffit d'interposer une faible épaisseur de matériau isolant thermique 20, comme par exemple de l'acier inoxydable ou de la matière plastique. Comme le rotor 14 est la seule partie tournante où de la chaleur est produite, sa température va devenir nettement plus élevée que celle du volant 5, la présence de l'isolant 20 offre

l'avantage d'éviter que le volant ne devienne trop chaud, ce qui diminuerait sa résistance mécanique. Il est nettement moins gnant que le rotor 14 devienne chaud ; au contraire, une température élevée augmente sa résistivité, ce qui réduit les pertes, et augmente le rayonnement, qui est le seul mode de refroidissement dans le vide. On peut augmenter encore le refroidissement par rayonnement en plaçant sur le rotor 14 une ou plusieurs plaque (s) d'appui 21 thermiquement conductrice (s), en étroit contact thermique avec le rotor 14, ce qui augmente la capacité calorifique et la surface d'émission. Face à la plaque d'appui 21, on peut placer sur l'enceinte 8 du volant 5 un ou plusieurs radiateur (s) 22 recueillant le rayonnement et l'évacuant dans l'air par des ailettes 22a. S'il n'y a qu'un seul radiateur 22, il peut avantageusement tre annulaire et centré sur l'axe Z. Comme représenté sur la figure 3 le stator 15 peut tre refroidi à l'aide d'un circuit d'eau 19, si la puissance à dissiper est importante. Si la puissance est faible, la conduction thermique du stator vers l'enceinte 8 du volant 5 peut suffire.

Une autre disposition intéressante consiste à réaliser une unité de commande et de puissance 7 qui soit réversible, c'est-à-dire capable de transmettre de l'énergie vers le volant 5 à travers le générateur 6, qui se comporte alors comme un moteur. Le générateur 6 de la figure 2 peut tout à fait fonctionner en moteur, à condition d'tre commandé correctement. Ainsi, si le système est raccordé à d'autres sources d'électricité, le volant 5 peut servir à stocker l'énergie qu'elles produisent. Cela est particulièrement intéressant avec des sources d'énergie renouvelables comme le soleil et le vent, dont les moments de production ne correspondent pas aux moments de consommation.

Par ailleurs, comme représenté sur la figure 5, le

générateur 6 pourrait tre monophasé au lieu d'tre triphasé. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 5, le rotor 14 pourrait comporter uniquement trois dents 16 réalisées comme décrit précédemment et réparties régulièrement autour du stator 15, lequel stator 15 pourrait comporter uniquement quatre dents 17 ayant chacune la forme d'un secteur angulaire s'étendant sur un peu moins de 90° autour de l'axe Z.

La base de chaque dent 17 est amincie, comme dans l'exemple précédemment décrit, afin de manager de l'espace pour enrouler une bobine, respectivement 18a, 18b autour de chacune d'elles. Deux bobines 18a enroulées autour des dents diamétralement opposées, dites bobines d'excitation, sont parcourues par un courant d'excitation imposé par l'unité de commande et de puissance 7. Ces deux bobines d'excitation 18a sont branchées de façon alternée, comme décrit précédemment, de façon à produire dans les dents 17 correspondantes des champs magnétiques P alignés et de mme sens (l'un de ces champs magnétiques P est donc orienté radialement vers l'intérieur tandis que l'autre est orienté radialement vers l'extérieur du stator).

Les deux autres bobines 18b sont soumises à une tension alternative induite provoquée par le passage des dents 16 devant les dents 17 lors de la rotation du rotor 14. Ces bobines 18b de réception sont reliées ensemble de façon à former une phase U comme indiqué sur la figure 5.

Comme déjà expliqué en regard des figures 1 à 4 le courant d'excitation est avantageusement continu et régulé par l'unité de commande de puissance 7 de façon que la tension de sortie générée par les bobines 18a soit constante.

Comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, la réluctance magnétique totale du circuit magnétique en cours entourant l'ensemble des bobines 18a qui sont excitées par le courant reste sensiblement constante durant la rotation du rotor 14. Autrement dit, la

somme des sections de passage de flux magnétique entre les paires de dents 17 dont les deux dents sont reliées magnétiquement par les dents 16 du rotor, reste constante au cours du temps durant la rotation du rotor.

Enfin, les figures 6 et 7 représentent un mode particulièrement avantageux de fixation des dents 16 sur le volant d'inertie 16.

Selon ce mode de réalisation, chaque dent 16, qui est réalisée en un matériau magnétique de relativement faible résistance mécanique, est disposée à l'intérieur d'un rebord annulaire 23 du volant d'inertie 5, entre un épaulement axial 24 dudit volant 5 et une patte 25 qui s'étend radialement vers l'intérieur à partir de l'extrémité libre du rebord annulaire 23.

Afin de limiter les pertes par courant de Foucault, la dent 16 est fixée sans perçage ni soudure, simplement au moyen d'une cage 26 en tôle d'acier, qui entoure la dent 16 sur cinq côtés. La cage 26 laisse libre la face intérieure de la dent 16 vers le stator pour la transmission du champ magnétique. De plus, ladite cage 26 est emboîtée à force entre la face d'appui 24 et la patte 25, et empche tout contact direct entre la dent 16 et le volant d'inertie 5.

La cage 26 comporte une face arrière 27 qui présente une forme cylindrique de révolution centrée sur l'axe Z, de façon à épouser parfaitement la face intérieure 23a du rebord 23 ainsi que la forme extérieure de la dent 16, pour transmettre de façon optimale vers le volant d'inertie 5 les forces centrifuges subies par la dent 16 pendant la rotation du volant d'inertie.

Sur ses quatre autres faces, la cage 26 comporte des pattes élastiques 28 qui peuvent tre avantageusement pliées de façon à former des ondulations et qui s'appliquent élastiquement contre les quatre faces latérales de la dent 16 de façon à la maintenir par élasticité. Ce maintien est d'autant plus efficace que les

deux faces latérales 16a de la dent 16 convergent vers l'axe Z, de sorte que les pattes élastiques 28 appliquées contre ces faces latérales 16a empchent tout déplacement de la dent 16 vers l'axe Z (voir figure 7).

Les pattes inférieures 28 peuvent par exemple tre au nombre de deux, et elles s'appuient sur l'épaulement 24 du volant d'inertie. La cage 26 peut par ailleurs comporter une seule patte supérieure 28 qui coopère avantageusement avec la patte 25 du volant d'inertie pour immobiliser la cage 26 et la dent 16 par rapport audit volant d'inertie.

A cet effet, dans l'exemple représenté, la patte supérieure centrale 28 de la cage 26 est non seulement en appui sous la patte 25, mais en outre elle comporte deux rabats 29 qui sont repliés de part et d'autre de la patte 25 du volant d'inertie, comme on peut le voir sur la figure 7. De préférence, la patte 25 du volant d'inertie peut présenter une forme sensiblement en T, avec une tte élargie à son extrémité radialement intérieure : dans ce cas, les deux rabats 29 de la patte supérieure centrale 28 s'engagent derrière la tte élargie 25a de la patte 25 et solidarisent totalement la cage 26 et la dent 16 par rapport au volant d'inertie 5.

La cage 26 peut avantageusement tre réalisée en acier inoxydable austénitique, qui présente une conductivité thermique relativement faible par rapport à d'autres aciers, ce qui limite la chaleur transmise par conduction de la dent 16 vers le volant d'inertie 5. Enfin, cet acier est amagnétique, ce qui réduit considérablement les fuites de champ magnétique de la dent 16 vers le volant d'inertie 5, et donc par voie de conséquence les pertes d'énergie par courant de Foucault dans ledit volant d'inertie 5.

On notera par ailleurs que la patte 25 du volant d'inertie ne recouvre qu'une faible partie de surface de la dent 16 et de la cage 26 dans la direction axiale, de sorte que ladite patte 25 ne gne sensiblement pas la dissipation d'énergie thermique de la dent 16 vers l'enceinte 8 du volant d'inertie.