Moteur à induction synchronisé On connaît des moteurs à induction synchroni sés, c'est-à-dire des moteurs électriques à excitation en courant continu appliquée au rotor au moyen de bagues. Un tel moteur fonctionne au démarrage comme un moteur à induction normal, mais quand il approche de la vitesse synchrone, le courant con tinu d'excitation est appliqué aux bagues du rotor et le courant est augmenté jusqu'à ce que le rotor tourne à la vitesse de synchronisme, le moteur con tinuant à tourner comme un moteur synchrone.
Ces moteurs sont caractérisés généralement par de très faibles facteurs de puissance et par de très faibles rendements. Il s'ensuit que ces moteurs sont plus grands que les moteurs à induction d'une puis sance correspondante.
Les moteurs à induction synchronisés connus comprennent généralement des rotors présentant à leur périphérie des pôles saillants espacés. Certains de ces moteurs présentent des fentes profondes dans le rotor pour déterminer la trajectoire du flux dans le rotor.
On a trouvé maintenant un moteur de ce type qui est susceptible d'atteindre la vitesse synchrone sans excitation directe à courant continu. Ce mo teur se présente comme un moteur à induction à cage d'écureuil et à faible résistance, des parties de la périphérie du rotor étant découpées en des zones symétriquement espacées pour former des pôles saillants. Le rotor porte un enroulement dans lequel est induit un courant d'excitation lors du démarrage, sans alimentation directe d'un courant d'excitation au rotor. Ce moteur accélère jusqu'à sa vitesse de régime par induction, puis il se fixe à cette vitesse et fonctionne alors en moteur synchrone.
Le moteur est construit pour donner, à la vitesse synchrone, un couple moteur supérieur au couple nécessaire pour entraîner la charge normale prévue. Un tel moteur présente des caractéristiques de fonctionnement qui surpassent de loin celles de tout moteur à induction synchronisé de même puissance utilisé jusqu'ici. Ces caractéristiques sont le facteur de puissance, le ren dement, le couple moteur. Ce moteur comprend un rotor de dimensions très réduites par rapport aux rotors des moteurs connus de même puissance.
Ce moteur est plus économique et plus facile à fabriquer que les moteurs correspondants connus de même puissance. Un tel moteur peut développer, par exemple, une puissance de 50 chevaux ou plus.
Le moteur à induction synchronisé faisant l'ob jet de l'invention, comprenant un stator et un rotor monté à rotation dans le stator, le rotor compre nant un noyau magnétique cylindrique formé d'une pluralité de segments espacés selon la circonférence et présentant des encoches qui s'étendent parallèle ment à l'axe du moteur, est caractérisé en ce que les dits segments sont séparés pas des fentes de division radiales,
et en ce que la surface cylindrique exté rieure de chaque segment présente deux parties de pôles saillants séparées par une rainure longitudi nale d'une profondeur suffisante pour minimiser le flux d'induction selon des axes en quadrature avec les axes de ces pôles, les rainures, les encoches et les fentes radiales étant remplies d'une matière non ma gnétique et conductrice de l'électricité, les diverses barres de ladite matière logées dans les rainures,
les encoches et les fentes radiales étant réunies les unes aux autres par des pièces non magnétiques et conduc trices de l'électricité disposées aux extrémités du rotor pour former un enroulement en cage d'écu reuil.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du moteur selon l'invention et des variantes.
La fig. 1 est une coupe de cette forme d'exécu tion par un plan perpendiculaire à l'axe de rotation. La fig. 2 est une coupe semblable à celle de la fig. 1, le rotor étant dans une autre position.
La fig. 3 est une vue en perspective du rotor, certaines parties étant arrachées.
La fig. 4 est un graphique montrant les variations de certaines grandeurs caractéristiques du moteur. La fig. 5 montre une lamelle constitutive du rotor.
Les fig. 6 à 8 montrent respectivement trois va riantes de lamelles constitutives du rotor.
La fig. 9 est une vue en perspective d'un rotor formé de lamelles selon la fig. 8.
Dans la forme d'exécution représentée, le mo teur 10 comprend un stator 11 du type connu dans les moteurs à induction et représenté de la manière schématique conventionnelle, un rotor 12 suscepti ble de tourner par rapport au stator 11, et un arbre 13 sur lequel est monté le rotor 12.
Le stator est constitué par un noyau de fer por tant des fentes longitudinales dans lesquelles sont lo gés des enroulements électriques. Le noyau du sta tor est composé, de préférence d'une série de lamel les de fer empilées, en forme d'anneaux, présentant des fentes longitudinales, non représentées sur le dessin, qui supportent les enroulements de la ma nière connue, ces enroulements formant un nombre pair de pôles. Le moteur représenté comprend quatre de ces pôles désignés par 11'.
Le rotor 12 comprend un noyau magnétique cy lindrique 15, formé de lamelles empilées divisées en une pluralité de segments 16 espacés par des fentes de division radiales 17 et par un trou 18. Le rotor présente des lamelles non segmentées (fig. 5) qui sont intercalées périodiquement dans le noyau magnétique lamellé 15 pour faciliter la fixation des segments 16 ensemble. Les fentes de division 17 s'étendent de puis le trou 18 à la périphérie du noyau et sont rem plies d'une matière non magnétique conductrice de l'électricité.
Ces fentes radiales 17 comportent à leur partie intérieure des pièces d'espacement 20 non magnétiques en laiton, l'espace restant étant rempli d'aluminium. Les pièces 20 sont connectées les unes aux autres à chaque extrémité du rotor 12 par un disque 21 de laiton ou d'un autre métal. L'arbre 13 peut "être fait d'une matière magnétique ou non, par exemple d'acier inoxydable.
Si l'arbre 13 est fait d'une matière magnétique, comme supposé ici, un manchon non magnétique 22, de préférence en laiton, est monté sur l'arbre 13 et dans le trou 18 du noyau magnétique 15, pour isoler magnétiquement l'arbre 13 des segments 16 du noyau et coopérer avec les fentes radiales 17 pour isoler magnétiquement les segments 16 les uns des autres. Une rainure longitu dinale 23, d'une profondeur uniforme, est coupée dans la surface cylindrique 25 de chaque segment.
La profondeur des rainures 23 est suffisante pour diminuer notablement le flux d'induction selon des axes 32 en quadrature, situés à 45 degrés d'axes 31 du flux d'induction dans l'entrefer. La profondeur des rainures 23 est égale à la profondeur d'encoches 26 dont le rôle sera précisé plus loin.
La largeur 27 des rainures 23 selon la circonférence peut être égale aux 45 à 55% de la largeur 28 des segments 16 se- lon la circonférence, mais de préférence et comme représenté,
cette largeur 27 est égale aux 50 % de la largeur 28. Les rainures adjacentes 23 définissent entre elles des pôles saillants 30 uniformément es pacés, une fente radiale 17 divisant en deux parties égales chacun de ces pôles.
Les fentes radiales 17 sont placées selon les axes principaux 31 du flux d'induction dans l'entrefer, chaque rainure 23 étant disposée symétriquement par rapport à un axe en quadrature 32.
La longueur selon la circonférence entre les axes 32 adjacents représente le pas 33 des pôles. La lar geur des pôles selon la circonférence est indiquée en 35. La largeur des pôles du rotor en pourcent par rapport au pas 33 est égale à cette largeur des pôles selon la circonférence divisée par le pas des pôles et multipliée par cent.
Les -parties en saillie des segments 16 formant les pôles saillants 30 comportent, comme on l'a vu, les encoches 26 qui s'étendent axialement. Ces enco ches 26 et les rainures axiales 23 sont remplies d'une matière non magnétique conductrice de l'électricité constituant des barres qui sont connectées les unes aux autres et aux barres formées par la matière rem plissant les fentes radiales 17 ; toutes ces barres sont reliées aux extrémités du rotor 12, par des anneaux 36, de manière à former un enroulement 37 en cage d'écureuil.
Les anneaux 36 sont faits de la même ma tière que celle placée dans les rainures et les fentes et sont assemblés avec les disques 21 qui connectent les pièces d'espacement 20 non magnétiques. Des ai lettes de ventilation 38 sont coulées d'une pièce avec les anneaux 36. L'enroulement 37 assure au moteur 10 les bonnes caractéristiques de démarrage d'un moteur à induction. Avec cet enroulement 37 le mo teur présente également de bonnes caractéristiques lorsqu'il fonctionne à la vitesse de synchronisme.
La meilleure méthode pour obtenir le rotor 12 consiste à remplir les fentes de division radiales 17, les encoches 26 et les rainures axiales 23 avec la même matière non magnétique électriquement con ductrice, de préférence de l'aluminium. Le rotor peut être alors coulé en une seule opération avec l'alumi nium disposé autour des segments laminés 16 du noyau pour former un rotor cylindrique, ce qui ré duit ainsi au minimum les pertes dans l'enroulement du rotor du moteur.
Le moteur décrit démarre donc comme un mo teur asynchrone ou un moteur à induction ordinaire, mais fonctionne ensuite comme un moteur synchrone quand le courant d'excitation cesse d'être induit dans l'enroulement 37. Comme expliqué précédemment, le moteur fournit alors un couple moteur supérieur à celui nécessaire pour entraîner la charge normale pré vue. Ce n'est que dans le cas où la charge dépasserait le couple maximum fourni par le moteur à la vitesse de synchronisme que ce dernier serait ralenti suffi- samment pour ne plus tourner à cette vitesse de syn chronisme.
Le courant d'excitation est d'abord in duit dans le rotor par le champ du stator et crée un couple de démarrage. Le champ du 'stator induit un flux dans le rotor, ce flux étant concentré dans cer tains parcours déterminés par les pôles saillants du rotor. Quand le rotor approche de la vitesse à la quelle le champ du stator tourne, les pôles saillants du rotor atteignent la vitesse synchrone et tournent alors avec le champ du stator. Le moteur ,tourne donc à la vitesse synchrone.
Par sa construction, le moteur décrit concentre le flux magnétique sur certains par cours déterminés par les pôles saillants, tandis que les parties évidées constituent de véritables barrières pour le flux.
Ce moteur est calculé pour donner un fort couple de sortie, ainsi qu'un facteur de puissance et un ren dement élevés. Cela est représenté à la fig. 4 qui donne les courbes relatives à ces trois grandeurs en fonction de la largeur des pôles saillants expri mée en pourcent du pas des pôles.
La courbe 41 représente la variation du couple de sortie exprimée en kgm, la courbe 42 montre la variation du ren dement en pourcent, et la courbe 43 la variation du facteur de puissance en pourcent. Le couple de sor tie du moteur est une fonction de la réactance selon les axes principaux du flux d'induction dans l'entre- fer et de la réactance selon les axes en quadrature par rapport aux premiers.
Ce couple de sortie Cs est proportionnel à une constante k et à la différence entre l'inverse de la réactance xn selon les axes en quadrature et l'inverse de la réactance xd selon les axes directs
EMI0003.0030
Pour obtenir un couple de sortie maximum, la réactance selon les axes en quadrature doit être ré duite à un minimum, tout en maintenant la réac tance selon les axes principaux 31 du flux dans l'en- trefer proche de son maximum.
En conséquence, pour s'approcher du minimum de la réactance des axes en quadrature, le flux selon ces axes doit être réduit à un minimum. Le flux selon les axes en qua drature d'un rotor peut être réduit en augmentant la réluctance de la trajectoire du flux selon ces axes.
Les rainures longitudinales 23 et les fentes radiales 17 du rotor 12 augmentent la réluc tance de la trajectoire du flux selon les axes en qua drature et diminuent en conséquence le flux selon ces axes. Il s'ensuit que la réactance selon les axes en quadrature est diminuée. Le flux selon les axes principaux 31 n'est pas notablement affecté ni par les fentes radiales 17 ni par les rainures longitudina les 23.
En conséquence, la réactance selon les axes principaux de l'entrefer reste à peu près égale à ce qu'elle serait en l'absence de ces fentes et de ces rainures.
Par suite de la présence des rainures longitudi nales 23 et des fentes radiales 17 dans le rotor 12, la différence entre la réactance selon les axes prin cipaux de l'entrefer et la réactance selon les axes en quadrature du moteur est augmentée. En consé quence, le couple de sortie est augmenté. La largeur des rainures longitudinales 23 selon la circonférence est choisie de manière que le moteur fonctionne presque au maximum de son facteur de puissance et de son rendement, le couple de sortie étant encore élevé.
Dans ce rotor 12, comme on l'a. vu, il est nécessaire de donner à la largeur des rainures lon- gitudinales 23 selon la circonférence une valeur com- prise entre 45 et 55'% de la largeur des segments 16 selon la circonférence pour avoir un moteur à in duction synchronisé <RTI
ID="0003.0073"> fonctionnant de manière satis faisante.
Dans un rotor formé de lamelles selon la variante représentée à la fig. 6, les segments 16 sont joints à l'extrémité extérieure d'une fente de division 44 par des ponts 45 qui sont magnétiquement saturés lors que le moteur fonctionne. Une telle disposition per met de faire les lamelles d'une pièce, ce qui aug mente la résistance mécanique du rotor mais n'affecte pas notablement ses caractéristiques de fonctionne ment.
Dans un rotor formé de lamelles selon la variante représentée à la fig. 7, les segments 16 sont joints à l'extrémité d'une fente de division 46 adjacente à l'arbre, par des ponts 47 d'une largeur suffisam ment faible pour être magnétiquement saturés lors du fonctionnement. Les fentes de division s'évasent à proximité des ponts 47, ce qui augmente la réluc tance à travers ces fentes de division 46 pour com penser la diminution de réluctance due aux ponts 47. En évasant les fentes 46 à l'approche du trou mé nagé dans le rotor, la longueur des ponts 47 à tra vers les fentes au niveau de ce trou est augmentée.
C'est-à-dire qu'on a une plus grande réluctance à travers le pont 47 long et étroit reliant les segments que ce ne serait le cas avec un pont plus court si la fente radiale de division n'était pas évasée. Ainsi, la réluctance à travers la fente de division est encore augmentée par l'emploi d'une fente évasée, compa rativement à une fente de division de largeur cons tante. Une lamelle présentant des segments qui sont connectés ensemble par des ponts peut être faite d'une pièce et une telle structure donne une plus grande résistance mécanique au rotor.
Dans un rotor formé de lamelles selon la variante représentée à la fig. 8, chaque lamelle 111 présente une partie centrale annulaire 112, un nombre pair de segments de rotor 113 et 113a, et un élément annu laire périphérique 114. Les segments 113 et 113a adjacents sont séparés par des fentes de division ra diales 116. Les deux segments opposés 113 sont joints par leurs extrémités intérieures à la partie cen trale 112. Les deux autres segments 113a sont es pacés radialement de cette partie 112 par une fente arquée 117. Chaque fente 117 est avantageusement de la même largeur que les fentes radiales 116.
Cha que segment 113 ou 113a présente des parties sail lantes 118, 118a adjacentes aux fentes de division 116 et séparées par une rainure 119. La largeur 121 de cette rainure 119 selon la circonférence est com prise entre 45 et 55 /o de la largeur 122 selon la périphérie de chaque segment 113 ou 113a. Les par ties saillantes 118, 118a des segments 113, 113a présentent des encoches 123 s'étendant radialement et destinées à recevoir l'enroulement. L'élément péri phérique 114 joint les parties saillantes 118, 118a pour former une lamelle annulaire.
Le rotor représenté à la fig. 9 est construit à par tir d'une pluralité de ces lamelles 111 telles que celle représentée à la fig. 8, alignées axialement. Les rai nures 119 et les fentes 116, 117 et 123 sont ali gnées longitudinalement et remplies d'une matière non magnétique conductrice de l'électricité, de pré férence de l'aluminium. Les différentes barres de cette matière logées dans les diverses rainures et fen tes sont reliées entre elles aux extrémités du rotor 124 par un anneau 126, pour former un enroulement 127 en cage d'écureuil.
Le rotor 124 est ensuite monté sur un arbre et tourné au tour pour enlever l'élément périphérique 114 et segmenter ainsi les di verses parties de chaque lamelle.
Le rotor est muni de presses 128 non magnéti ques pour maintenir les segments ensemble et pour empêcher un déplacement radial de ces segments sous l'action de la force centrifuge pendant la rota tion à haute vitesse du rotor.
Dans un rotor magnétique, la trajectoire du flux se fait selon une ligne de moindre réluctance. La tra jectoire du flux dans la lamelle est déterminée en augmentant la réluctance dans les surfaces où l'on ne désire pas le passage du flux. Dans la lamelle re présentée à la fig. 8, les fentes 116 et 117 et les rai nures<B>119</B> sont suffisamment larges et profondes pour réduire considérablement le flux qui les traverse, et elles sont disposées de manière à déterminer la tra jectoire du flux dans la lamelle.
Les fentes de divi sion radiales 116 sont jointes aux fentes arquées 117 pour isoler magnétiquement les segments adjacents 113, 113a les uns des autres. La trajectoire du flux à travers la partie centrale 112 depuis l'un des seg ments 113 vers l'autre segment 113 est négligeable par suite du trajet relativement long qui présente une réluctance plus élevée que le trajet entre les parties saillantes 118, 118a du même segment qui sont d'une polarité opposée. En conséquence, la trajectoire de moindre réluctance du flux se trouve comprise entre les parties saillantes adjacentes dans le même seg ment, et les pôles du rotor sont concentrés dans les parties saillantes des lamelles.
Dans la lamelle 111 du rotor selon la fig. 8, la partie centrale 112 permet de monter le rotor sur l'arbre. Les segments adjacents sont magnétiquement isolés les uns des autres par les fentes de division radiales, et les fentes arquées éliminent ainsi la né cessité de douilles ou d'arbres non magnétiques pour isoler magnétiquement les segments.
La suppression des douilles non magnétiques entre le rotor et l'arbre réduit ou supprime le glissement du rotor sur l'ar bre qui se produit parfois quand on utilise des douil les d'aluminium, par le fait que ce métal est déformé quand les douilles sont montées à la presse dans le rotor. La présence de deux segments opposés fixés sur un anneau central qui encercle l'arbre empêche le glissement du rotor sur l'arbre dû au fait que les segments du rotor se déplacent à distance de l'arbre ou d'une douille portée par ce dernier quand l'alumi nium se dilate sous l'action de la chaleur du rotor.
L'élément périphérique 114 maintient les seg ments ensemble pour le moulage de l'ensemble du noyau du rotor. Comme on l'a vu, cet élément est éliminé pour séparer les segments du noyau, en tour nant sur un tour l'ensemble du rotor après que le noyau a été coulé. La segmentation du rotor ne né cessite pas d'autre opération supplémentaire, mais requiert simplement l'élimination d'une faible quan tité de matière lors du tournage du rotor pour obte nir l'entrefer désiré entre le rotor et le stator du mo teur.