FR2689703A1 - Alternateur à fer tournant. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un alternateur à fer tournant dans lequel le stator n'enveloppe pas le rotor. Plus spécialement, il comprend la combinaison d'un rotor (52) et d'un moyen couplant un segment de stator (50), qui est conçu pour former un circuit de flux magnétique passant dans un secteur du rotor, avec ce secteur de rotor, de façon que les dents (54) du rotor constituent le trajet de moindre réluctance pour le flux magnétique, ce qui induit une force électromotrice lorsque le rotor tourne.

Description

La présente invention concerne de façon générale les alternateurs D'un

point de vue plus particulier, L'invention se

rapporte aux alternateurs à induction, ou à fer tournant.

Les alternateurs traditionnels, c'est-à-dire les alter-

nateurs qui ne sont pas du type à fer tournant et qui sont destinés

à être employés dans des machines telles que les automobiles, con-

tiennent ou bien des conducteurs mobiles qui coupent un champ magnétique fixe (alternateurs à armature tournante) ou bien un champ magnétique mobile, qui passe devant des conducteurs fixes (alternateurs à champ tournant) Dans l'un et l'autre cas, une

force électromotrice (emf) induite est produite dans les conduc-

teurs ou dans des bobinages d'induit Par conséquent, on trouve, dans les alternateurs traditionnels, un champ, une armature ou un

bobinage de sortie, et un mouvement entre les deux.

Dans un alternateur à armature tournante, un champ magné-

tique sensiblement stationnaire est produit, ordinairement par un courant passant dans des bobines de champ L'armature, qui fait fonction de rotor, tourne dans ce champs, en coupant les lignes de flux magnétique, et en induisant donc dans les bobinages d'induit, c'est- à-dire les bobinages de l'armature, une emf qui est en mesure d'exciter un courant Dans un alternateur à champ tournant, c'est l'inverse Les bobines d'induit sont montées de manière fixe sur le stator, et le champ est produit dans le rotor Lorsque le rotor tourne, le flux passant dans les bobinages d'induit varie, et une emf est induite sur les bobinages d'induit sensiblement fixes En

termes généraux, les alternateurs traditionnels demandent l'exis-

tence de connexions électriques entre le rotor mobile et la struc-

ture fixe de l'alternateur Dans le cas d'alternateurs à champ tournant, cette connexion est nécessaire pour alimenter les bobines de champ en courant afin de produire le champ magnétique; dans le cas des alternateurs à armature tournante, elle est nécessaire pour transporter le courant de sortie Le moyen ordinairement utilisé

pour réaliser une connexion électrique avec le rotor d'un alterna-

teur consiste à monter des balais sur la structure fixe de l'alter-

nateur et à les maintenir en contact avec des bagues collectrices se trouvant sur le rotor Les balais et les bagues collectrices présentent un certain nombre d'inconvénients: i Ls sont soumis à une usure constante, ce qui accroît Les exigences d'entretien des

alternateurs; L'usure et Le frottement font d'eux des causes fré-

quentes de pannes dans Les alternateurs; i Ls sont souvent un fac-

teur Limitant de La vitesse de rotation des alternateurs.

Dans Les alternateurs à fer tournant classiques, Le champ ne tourne pas, non p Lus que Les bobinages de sortie: Les bobines de champs (ou une matière magnétique permanente) et Les bobinages de sortie sont montés tous deux sur Le stator Une emf est induite dans Les bobinages de sortie par suite de variations périodiques du f Lux magnétique passant dans Les bobinages, que provoquent des

variations correspondantes de La réluctance du sous-circuit magné-

tique transportant Le f Lux magnétique dans Les bobinages La réLuc-

tance est gouvernée par La forme du rotor relativement à ce L Le du stator Lorsque Le rotor tourne, i L créé, en raison de cette forme, des variations ou des pulsations de La réluctance de sous-circuits

Locaux du circuit magnétique généra L transportant Le f Lux La fonc-

tion du rotor est de n'être qu'un éLément du circuit magnétique, ou trajet de f Lux, de L'a Lternateur et, par conséquent, Le rotor ne porte ni bobines ni bobinages IL n'y a donc aucun besoin d'étab Lir des connexions électriques avec Le rotor, et Les dispositifs te Ls

que ba Lais et bagues co L Lectrices sont éLiminés.

De façon généra Le, on peut c Lasser Les alternateurs à fer tournant en deux catégories Si Le sens du f Lux magnétique passant dans chaque section du rotor reste Le même Lorsque Le rotor tourne, La machine est dite alternateur à fer tournant homopo Laire Si Le sens du f Lux change dans Les sections du rotor Lorsque ce dernier

tourne, La machine est un alternateur à fer tournant hétéropo Laire.

Dans La mesure o on peut Le déterminer, Les brevets de La tech-

nique antérieure sont i L Lustrés par des dispositifs de positionne-

ment tempore L, comme par exemp Le dans Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 634 743, et par des re Lais, comme dans Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 036 248 En L'absence de brevets antérieurs analogues ou pertinents, on se reportera aux ouvrages suivants A Lternating Current Machines 3, de M G Say ( 1976), E Lectromagnetic E Lectromechanica L Machines, de Leander W Matsch ( 1977), et E Lectrica L Machines, de A Draper ( 1967) Comme cela est expliqué dans ces ouvrages, les bobines de champ produisant Le flux

magnétique dans l'alternateur sont disposées dans le stator au voi-

sinage des noyaux du stator Les bobinages de sortie du courant alternatif sont montés sur les noyaux du stator au voisinage des entrefers se trouvant entre eux et le rotor Comme dans n'importe

quel alternateur, le trajet de moindre réluctance du flux magné-

tique passe par le rotor La réluctance du trajet magnétique, ou circuit magnétique, est, au premier ordre, en relation avec la taille des entrefers se trouvant entre le stator et le rotor (naturellement dans la mesure o la densité de flux magnétique n'est pas limitée par la saturation magnétique dans quelque autre partie du circuit magnétique) Ordinairement, la surface du rotor voisine du stator est pourvue de dents, présentant entre elles des

intervalles (Si cela est souhaitable, on peut remplir les inter-

valles à l'aide d'un matériau ayant des propriétés magnétiques médiocres de façon à donner une surface lisse au rotor et à réduire

le frottement polaire, ou bien pour augmenter la résistance struc-

turelle du rotor) Le trajet de moindre réluctance entre le stator et le rotor, là o la plus grande partie du flux passe, emprunte les entrefers de courte longueur se trouvant entre le stator et les dents du rotor Un flux beaucoup moins important passe par les entrefers de plus grande longueur dans les encoches présentes entre

les dents du rotor, o la réluctance est beaucoup plus grande.

Lorsque le rotor tourne, ses encoches et ses dents viennent alter-

nativement dans des positions situées en regard des différentes sections des noyaux du stator, ce qui amène le flux magnétique passant par ces sections à subir des variations périodiques, et, par conséquent, à induire une emf dans le bobinage de sortie qui y

est monté.

Dans certains alternateurs à fer tournant, le stator aussi bien que le rotor sont dotés d'intervalles et de dents Dans ces machines, la plus grande partie du flux passe entre les dents

du stator et du rotor lorsque celles-ci sont alignées entre elles.

On utilise de semblables machines à stator denté pour produire un signal de sortie de fréquence élevée sans être obligé d'employer des enroulements de sortie très rapprochés Le pas de l'enroulement de sortie monté sur les noyaux du stator d'autres alternateurs à

fer tournant est apparié aux dents du rotor.

On a utilisé les alternateurs à fer tournant pour produire une puissance de fréquence éLevée lorsque des limitations structure L Les ou des limites imposées à la vitesse de rotation (résultant souvent des balais et des bagues collectrices) rendaient les alternateurs traditionnels peu utilisables en pratique On a

également utilisé des alternateurs à fer tournant avec des dispo-

sitifs d'excitation possédant des vitesses d'arbre très éLevées (par exemple des turbines à gaz), c'est-à-dire dans des cas o des

alternateurs traditionnels, n'appartenant pas au type à fer tour-

nant, auraient demandé un mécanisme réducteur lourd et coûteux On a ordinairement préféré l'alternateur traditionnel n'appartenant pas au type à fer tournant aux alternateurs à fer tournant dans les

applications à vitesse basse et à vitesse modérée malgré les incon-

vénients des balais et des bagues collectrices Au contraire des

alternateurs traditionnels n'appartenant pas au type à fer tour-

nant, dans un alternateur à fer tournant, le flux qui passe dans les bobinages de sortie ne change pas de sens, mais, au contraire, va d'un certain minimum à un maximum de même polarité Ainsi, toutes choses étant égales, un alternateur à fer tournant possède une emf de sortie qui vaut à peu près la moitié de celle d'un alternateur traditionnel de taille comparable fonctionnant à la

même vitesse d'arbre.

Cette invention propose divers alternateurs à fer tour-

nant pouvant remplacer les alternateurs traditionnels pour les applications à vitesse faible et à vitesse modérée Les moyens classiques employés pour remplacer un alternateur n'appartenant pas au type à fer tournant dans de telles applications à vitesse faible

et à vitesse modérée consistent à augmenter la taille de l'alterna-

teur à fer tournant, ou bien à augmenter sa vitesse d'arbre jusqu'à

une valeur approximativement double de celle d'un alternateur tra-

ditionnel comparable La première solution a pour inconvénient d'augmenter la taille et le coût, tandis que la deuxième solution introduit ordinairement des difficultés en ce qui concerne les paliers et les mécanismes multiplicateurs L'invention permet de

surmonter ces deux inconvénients.

Un alternateur à fer tournant typique comporte un stator qui entoure un rotor, et un rotor conçu pour tourner à l'intérieur

du stator Des bobinages sont prévus pour produire un flux magné-

tique dans un circuit magnétique traversant le stator, passant au rotor et traversant celui-ci, et revenant au stator Des dents d'inducteur réparties sur la périphérie du rotor sont disposées de manière que le trajet de moindre réluctance du flux magnétique passe par les dents Des bobinages de sortie placés à l'intérieur du stator transportent le signal de sortie qui y est induit lorsque La densité de flux passant dans les bobinages passe d'une valeur maximale à une valeur minimale tandis que les sous-circuits de flux passant dans les enroulements comprennent et ne comprennent pas, en alternance, les dents du rotor Une force électromotrice est induite en résultat de cette variation du flux Cet alternateur à fer tournant est présentement amélioré par la réalisation d'un

stator n'enveloppant pas le rotor L'amélioration comporte la com-

binaison d'un rotor, avec un segment de stator conçu pour former un circuit de flux magnétique passant dans un secteur du rotor, et de moyens couplant le segment de stator à un secteur de rotor de façon que les dents du rotor soient le trajet de moindre réluctance du flux magnétique, en induisant une force électromotrice lorsque le rotor tourne Un semblable alternateur à fer tournant possède une

large variété d'utilisations qui ne sont pas offertes aux alterna-

teurs classiques.

Dans les alternateurs traditionnels du type à champ tour-

nant ou à armature tournante, la densité de flux magnétique passant dans une armature varie typiquement d'une valeur maximale B à une valeur minimale d'amplitude égale et de polarité opposée, soit -B Ceci donne une amplitude crête-à-crête totale de 2 B dans les cycles de la densité de flux Dans un alternateur à fer tournant classique, la densité de flux magnétique passant dans une section de bobinage d'armature varie d'un maximum B à un minimum b de même polarité, ce qui donne une amplitude de B-b La densité de flux minimale b est typiquement très proche de zéro, ce qui donne une amplitude crête-à- crête valant environ B pour les cycles de la densité de flux Puisque l'amplitude B est ordinairement déterminée par les propriétés de saturation magnétique des matières utilisées dans les circuits magnétiques, l'amplitude des cycles de la densité de flux dans un alternateur à fer tournant vaut typiquement la moitié de celle d'un alternateur traditionnel comparable Ceci signifie que l'alternateur à fer tournant possède typiquement un

signal de sortie valant la moitié de celui de l'alternateur tradi-

tionnel Néanmoins, les alternateurs à fer tournant sont spéciale-

ment adaptés à des applications à vitesse élevée o les alterna-

teurs traditionnels sont limités de manière sévère par leurs

balais et leurs bagues collectrices Les alternateurs à fer tour-

nant sont également employés dans les applications de haute fré-

quence o l'augmentation du nombre des paires de pôles et des bobi-

nages nécessaires dans un alternateur traditionnel devient prohibi-

tive Les alternateurs présentement produits satisfont non seule-

ment ces demandes, mais aussi beaucoup d'autres o les alternateurs

à fer tournant connus ne pouvaient pas être utilisés.

La description suivante, conçue à titre d'illustration de

l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue simplifiée d'un alternateur à fer tournant homopolaire classique; la figure 2 est un schéma simplifié d'un alternateur à fer tournant hétéropolaire classique; la figure 3 est une vue en section droite partielle de l'alternateur à fer tournant homopolaire représenté sur la figure 1; la figure 4 est une représentation d'une forme préférée d'alternateur à fer tournant homopolaire selon l'invention; la figure 5 est une vue en section droite partielle de l'alternateur à fer tournant représenté sur la figure 4; la figure 6 représente une forme de rotor d'alternateur à fer tournant qui comporte un type de dent permettant de réduire les courants de bord;

la figure 7 est une vue simplifiée partielle d'un alter-

nateur à fer tournant hétéropolaire selon l'invention; et les figures 8 et 9 représentent des modes de réalisation

particuliers des alternateurs à fer tournant selon l'invention.

Comme indiqué précédemment, les alternateurs classiques du type à fer tournant sont constitués par un stator entourant le

rotor A la connaissance de la demanderesse, le rotor est généra-

lement emboîté à l'intérieur du stator L'invention se rapporte à un alternateur à fer tournant dans lequel le rotor n'est pas entouré par le stator, ce qui permet d'utiliser de façon économique

des rotors de rayon relativement grands et, donc, de vitesses péri-

phérique relativement élevées pour une vitesse de rotation donnée.

L'invention comprend la combinaison de ( 1) un rotor et ( 2) un

stator destiné à n'être couplé qu'avec une partie de la circonfé-

rence du rotor Ainsi, dans le mode de réalisation préféré, on peut augmenter la partie la plus simple de l'alternateur à fer tournant, c'est-à-dire le rotor, afin d'augmenter le signal de sortie pour des vitesses de rotation faibles, tandis que la partie la plus lourde, la plus complexe et la plus coûteuse, c'est-à-dire le

stator, reste petite En effet, un rotor de grand rayon "démul-

tiplie" un alternateur à fer tournant d'une taille par ailleurs normale sans qu'il soit besoin de faire usage d'engrenages, de courroies et de poulies, ou d'autres dispositifs mécaniques Enfin, ce type d'alternateur à fer tournant offre un certain niveau de souplesse de conception qui facilite l'incorporation du rotor dans ou sur d'autres éléments de machine tournants, par exemple des

volants d'inertie de moteurs.

La figure 1 montre un alternateur à fer tournant homopo-

laire classique 2 comprenant un stator 4 et un rotor 6 On note que

le stator 4 entoure le rotor 6 tout entier On fabrique l'alterna-

teur à fer tournant 2 à l'aide de deux noyaux de stator feuilletés

8 et 10 qui sont représentés sur la figure 3 En outre, deux ensem-

bles de dents 12 et 14 (seules les dents 12 sont visibles sur la figure 1) sont prévues pour le rotor Les noyaux 8 et 10 du stator (figure 3) portent des bobinages de sortie 16 et 18 Le bobinage de champ 20 consiste en une bobine concentrique à l'axe de la machine et servant à produire un trajet de flux unidirectionnel 22 passant dans le stator 4 et le rotor 6, et reliant les bobinages de sortie 16 et 18 La plus grande partie du flux magnétique produit par le bobinage de champ 20 passe dans le rotor 6 via les dents 12 et 14, comme représenté sur la figure 3 Le pas des bobinages de sortie 16

et 18 est tel que, lorsque le rotor 6 tourne, le flux qui les tra-

verse via les dents 12 et 14 devient cyclique Le flux total passant dans le rotor 6 et le stator 4 reste approximativement constant lorsque le rotor tourne, ce qui minimise toute réaction

dans la bobine de champ 20.

Un alternateur à fer tournant hétéropolaire classique 30

est montré sur la figure 2 Cet alternateur à fer tournant est éga-

lement doté d'un boîtier 32, d'un stator 34, de bobinages de champ 36 et de bobinages de sortie 38 Au contraire des bobinages de champ 20 d'une machine homopolaire, telle que l'alternateur 2, les bobinages de champ 30 sont séparés en bobines 36 placées dans des encoches spéciales du stator Les bobines de champ ne sont pas concentriques à l'arbre de l'alternateur, et la polarité du flux passant dans les dents d'inducteur 37 varie lorsque le rotor tourne Comme dans un alternateur à fer tournant homopolaire, le flux magnétique passant en tout point de la surface du noyau du stator adjacente au rotor dépend de la réluctance locale du circuit magnétique, laquelle est reliée, au premier ordre, à la tai L Le de l'entrefer existant entre le stator et le rotor en ce point Ainsi, le flux qui passe en chaque point varie d'une valeur maximale, lorsqu'il se trouve en regard d'une dent, à une valeur minimale, lorsqu'il se trouve en regard d'un entrefer 40 Le flux local effectue un cycle complet à chaque fois que le rotor se déplace d'un pas de dent du rotor Lorsque le rotor tourne, le flux local contenu dans chaque sous-circuit magnétique passant par les bobinages devient cyclique, et une force électromotrice cyclique correspondante est induite dans les bobinages de sortie 38, lesquels se trouvent placés aussi près que possible de la surface

du stator voisine du rotor, o le flux local varie le plus.

La force électromotrice de sortie d'un alternateur est

directement liée à la vitesse périphérique de son rotor L'augmen-

tation de cette vitesse va, au premier ordre, augmenter de façon

proportionnelle la force électromotrice de sortie de l'alternateur.

Selon les critères précédemment établis, un alternateur à fer tournant produit un signal de sortie correspondant à environ la

moitié de celle d'un alternateur traditionnel de taille comparable.

Si, par exemple, on remplace un alternateur à champ tournant tradi-

tionnel par un alternateur à fer tournant classique de taille ana-

logue, l'alternateur à fer tournant doit fonctionner à une vitesse d'arbre approximativement double pour produire le même signal de sortie Cette approche amène de nombreux inconvénients, comme des

paliers plus élaborés ou plus coûteux et des engrenages supplémen-

taires Dans de nombreuses applications, ces inconvénients obli-

tèrent les avantages propres de l'alternateur à fer tournant En pourrait employer un alternateur à fer tournant de plus grande dimension fonctionnant à la même vitesse de rotation que la machine

à champ tournant, mais seulement au prix d'une augmentation consi-

dérable de poids et de coût.

Grâce à l'invention, on peut augmenter la taille du rotor d'un alternateur à fer tournant, et non pas celle de l'alternateur

tout entier La partie la plus simple d'un alternateur à fer tour-

nant est le rotor Grâce à l'invention, on peut doubler la taille du rotor de l'alternateur à fer tournant, en gardant la même taille pour le stator On modifie la forme du stator, lequel n'est en

relation qu'avec une partie, ou secteur, de la périphérie du rotor.

L'alternateur à fer tournant devient donc un alternateur à fer tournant du type à stator segmentaire dans lequel le rotor n'est plus complètement entouré par le stator Du fait de l'augmentation de sa vitesse périphérique, cette machine possède un signal de sortie qui est comparable à celui de l'alternateur à champ tournant ayant une même vitesse d'arbre, au prix d'une augmentation de poids relativement légère Selon les enseignements de l'invention, on

peut rendre le rotor encore plus grand et réduire la taille du seg-

ment de stator jusqu'à ce qu'un dessin optimal soit obtenu pour une application donnée L'invention offre donc un nouveau degré de

liberté dans la conception des alternateurs.

Un alternateur à fer tournant d'un type préféré selon cette invention, possédant un segment de stator qui n'est couplé qu'à un secteur du rotor, est représenté sur la figure 4 Le rotor

52 est doté de dents 54 et d'intervalles comme les autres alterna-

teurs à fer tournant On peut voir que le stator 50 n'entoure pas le rotor 52 Un bobinage de champ 56 est monté sur le stator 50, comme représenté Dans ce mode de réalisation préféré, comme on

peut le voir sur la figure 5, un rotor plat 52 passe par l'ouver-

ture, ou intervalle, 55 du stator 50 ayant une section droite en forme de C Alors qu'un rotor tel que le rotor 6 de la figure 1 peut être utilisé dans un alternateur selon l'invention, cette conception plate est moins complexe et moins coûteuse pour un rotor de taille donnée La bobine de champ 56, visible sur la figure 5, entoure le stator à l'opposé de l'intervalle 55 Le trajet de flux fait donc le tour du stator, comme représenté, la plus grande partie du flux traversant l'intervalle 55 via les dents 54 du rotor, constituant le trajet de moindre réluctance Un très faible champ magnétique traverse les entrefers plus grands qui sont situés entre les dents Comme dans les autres alternateurs à fer tournant, lorsque le rotor tourne, la densité locale de flux magnétique du

stator au voisinage de l'intervalle varie et une force électromo-

trice est induite dans les bobinages de sortie Les bobinages de sortie 58 sont placées au voisinage d'une face ou des deux faces du stator 50 proches de l'intervalle 55, là o les variations de la densité de flux sont les plus grandes Le stator 50 est conçu de façon à minimiser la réaction dans la bobine de champ du fait qu'une même réluctance totale est approximativement maintenue dans le circuit magnétique général lorsque l'appareil fonctionne Ceci demande qu'il recouvre un nombre égal de dents et d'intervalles entre dents à tout moment, bien qu'on puisse tenir compte, par la

réalisation, des effets de bord d'entrefer.

Puisque, lorsque le rotor tourne, les dents du rotor

entrent dans l'intervalle 55 du stator et en sortent, et par consé-

quent entrent dans le champ magnétique et en sortent, des courants de bord tendent à se produire dans les dents du rotor On peut

réduire les pertes dues aux courants de bord en employant des maté-

1 1 riaux pour circuits magnétiques ou des matériaux feuilletés pour

former les dents du rotor, comme cela est connu dans la technique.

Un autre procédé, qui peut se révéler préférable dans certaines applications, consiste à découper, ou à former d'une autre manière, d'étroites encoches radiales dans les dents, comme représenté sur la figure 6 On doit aussi prendre en considération le prob Lème des courants de bord pour la construction du stator, lequel doit être fait en matériau pour circuits magnétiques Une exception concerne la partie du stator qui est proche de la bobine de champ ou est entourée par celle-ci On peut réaliser cette partie à l'aide d'un

matériau conducteur plein si cela est souhaitable Tous Les cou-

rants qui y seront induits tendront principalement à affaiblir la réaction dans la bobine de champ On peut employer de la même

manière, si cela est souhaitable, des bobines à amortissement spé-

ciales.

L'alternateur représenté sur la figure 4 est un alterna-

teur à fer tournant homopolaire du point de vue conceptuel, puisque le sens du flux dans les dents du rotor ne varie pas lorsqu'elles sont en relation avec le stator Un alternateur à fer tournant hétéropolaire 60, représenté sur la figure 7, comportant un segment de stator 62, un rotor 64, des trajets de flux multipolaires 61,

une bobine de champ 65 et des bobinages de sortie 68, fait égale-

ment partie de l'invention.

Comme indiqué, la taille du segment de stator est suffi-

sante, étant donnée la vitesse périphérique, pour produire la force électromotrice induite voulue Alors que la détermination de cette

force électromotrice est bien connue dans la technique, on va main-

tenant en donner un exemple particulier.

On considère un alternateur à fer tournant du type à stator segmentaire tel que celui représenté sur la figure 4, qui possède un rotor de diamètre 30,5 cm (à peu près celui d'un volant d'inertie typique d'automobile), ce qui donne une circonférence de 96 cm Ce rotor est doté de dents dont l'aire vaut environ 2 cm x 2 cm, séparées par des encoches de même taille, ce qui donne au total 24 dents et 24 encoches La forme exacte et les aires relatives des dents et des encoches peuvent varier selon le

modèLe d'alternateur Ils peuvent par exemple avoir une forme per-

mettant d'obtenir une forme d'onde de sortie voulue dans des conditions de charge particulières Dans le cadre de ce calcul, on va supposer que toutes les formes d'onde seront approximativement des ondes sinusoidales simples La formule générale relative à la force électromotrice en circuit ouvert, soit V, obtenue par induction sur un circuit fixe est: d O

V = ( 1)

dt o O est le flux magnétique liant le circuit électrique Si l'on suppose que le flux peut être donné approximativement par une onde sinusoîdale et que le circuit de sortie est constitué de N tours sur le trajet de flux magnétique, alors: 0 = N 00 sin( 27 rft+t) ( 2) o 00 est l'amplitude du flux magnétique passant dans le trajet de

flux, f est la fréquence et f est une constante de phase arbi-

traire Si B O est l'amplitude effective de la densité de flux magnétique, alors: 00 = Bo A ( 3)

O O

o A est l'aire en section droite du trajet de flux magnétique.

Ceci donne une amplitude de tension valant: VO= 2 W Nf Bo A ( 4) ou une amplitude efficace de:

V 5-

rms = /2 T Nf Bo A ( 5) Dans un alternateur à fer tournant, le flux varie d'un maximum B à un minimum b et 'ampitude de a densité de fux effective est un minimum b, et l'amplitude de la densité de flux effective est: B-2

B O = ( 6)

o b a une valeur typiquement petite La plupart des matériaux utilisés dans les a Lternateurs se saturent pour une densité de flux magnétique dépassant sensiblement 1 tesla Par conséquent, une estimation conservative de l'amp Litude des variations de la densité de flux serait de 0,5 tesla En employant l'équation ( 3), si le stator chevauche trois paires de dents et d'encoches, l'aire active totale de l'alternateur sera de 24 cm 2 ( 0,0024 m 2), ce qui amène une amplitude de flux totale passant dans le circuit magnétique donnée par 00 = 0,0012 webers Pour une vitesse d'arbre de 500 tr/min, il est produit une fréquence f = 200 Hz Selon l'équation (5), un enroulement de sortie à N = 15 tr donne alors une tension efficace en circuit ouvert valant V = 16,0 volts On peut rms

généraliser le calcul ci-dessus effectué à des formes d'onde pério-

diques arbitraires grâce à une analyse de Fourier, comme cela est

bien connu dans la technique.

On a insisté sur le fait qu'un aspect préféré de l'inven-

tion impliquait le fait d'incorporer le rotor de l'alternateur à

fer tournant à un composant rotatif existant d'une machine.

L'utilisation d'un segment de stator rend souvent cela possible La taille globale de l'alternateur résultant n'est pas seulement déterminée par la taille de l'élément rotatif ainsi utilisé De plus, un stator segmentaire ne limite pas l'accès, par exemple pour l'entretien ou pour des réparations, de la même manière que le fait

un stator complet.

Le fait d'intégrer le rotor d'un alternateur à fer tour-

nant avec un élément rotatif appartenant à la machine qui l'excite

offre des avantages significatifs dans de nombreuses applications.

Un bon exemple est donné par celui du volant d'un moteur à combus-

tion interne, modifié de façon à faire fonction du rotor d'un alternateur à fer tournant du type à stator segmentaire selon cette invention La plupart de ces moteurs demande l'existence d'un

alternateur ou d'une génératrice à des fins de production auxi-

Liaire d'électricité Cette énergie électrique est le plus souvent produite par une machine à champ tournant ou à armature tournante de conception classique montée sur Le bloc moteur et entraînée par l'intermédiaire d'une couroie et de poulies La figure 9 montre un

mode de réalisation de cette invention offrant une autre approche.

Les dents nécessaires à un alternateur à fer tournant sont incor-

porées à la périphérie du volant Le fait d'enfermer le volant tout entier à l'intérieur d'un stator serait prohibitif, limiterait l'accès au volant et donnerait un alternateur ayant un potentiel de sortie excessif pour la plupart des besoins Grâce à l'invention, on peut employer un segment de stator 90 De cette manière, on peut adapter la taille du stator au signal électrique sortie voulu, à

la vitesse de rotation du moteur et à la taille du volant néces-

saire au moteur L'accès au volant n'est limité qu'au minimum, et le stator peut être disposé sur le carter du volant à l'endroit le

plus commode, par exemple, de manière à ne pas gêner le démarreur.

Ceci réduit la taille générale du moteur en éliminant les encom-

brants composants associés à un alternateur séparé Ceci améliore également la fiabilité grâce à l'élimination de la courroie, des poulies, des paliers de l'alternateur séparé, ainsi que des balais

et des bagues collectrices.

L'alternateur à fer tournant du type à stator segmentaire selon l'invention, o le stator n'est en relation qu'avec un secteur du rotor, peut remplacer les alternateurs traditionnels dans la plupart des applications à vitesse basse L'avantage le plus significatif de l'alternateur à fer tournant est l'élimination des balais et des bagues collectrices Ces pièces sont sujet à l'usure et à la corrosion et demandent souvent un remplacement périodique Elles constituent en outre, une source importante de pannes et de défaillance des alternateurs Elles sont le siège d'un

jaillissement d'étincelles, qui peuvent, dans des milieux poten-

tiellement explosifs, poser un problème de sécurité Elles produi-

sent également de l'ozone, qui peut être un danger pour l'environ-

nement Tous ces problèmes sont éliminés lorsqu'on utilise l'alter-

nateur à fer tournant ici présenté Enfin, parce qu'elle incorpore le rotor à la structure de diverses parties tournantes d'une machine d'excitation, l'utilisation d'un alternateur à fer tournant du type à stator segmentaire peut éliminer la nécessité de prévoir

des paliers propres à l'alternateur ainsi que divers moyens d'en-

trainement tels que pignons ou bien courroies et poulies, ce qui augmente la fiabilité du système de l'alternateur et réduit les nécessités d'entretien Ceci permet également d'obtenir une machine globalement plus compacte et plus légère et de réduire les coûts de production. En résumé, comme indiqué ci-dessus, les alternateurs à fer tournant sont constitués classiquement d'un stator entourant le

rotor Ce n'est pas le cas ici Ce type d'alternateur à fer tour-

nant offre un degré de souplesse de réalisation qui facilite l'incorporation du rotor dans ou sur d'autres éléments tournants de machine, par exemple des volants d'inertie, des pignons, des roues d'entraînement, des éléments du dispositif d'embrayage, des rotors de turbine ou des disques ou tambours de frein Sur la base de la

mise en oeuvre pratique de l'invention, diverses variantes vien-

dront de façon évidente à l'esprit Il est possible d'obtenir un signal de sortie multiphasé de la part d'un alternateur à fer tournant du type à stator segmentaire On peut réaliser cela, comme c'est habituel avec les alternateurs classiques, en montant sur le stator des ensembles multiples de bobinages qui sont décalés entre eux On peut également réaliser cela en utilisant, pour chaque phase, un stator distinct ayant un seul bobinage On peut alors effectuer le montage de ces stators suivant un certain décalage matériel autour du rotor pour produire les phases voulues Selon un autre mode de réalisation de l'invention, comme représenté sur la figure 8, on peut utiliser un rotor 80 dont les

dents 82 sont montées perpendiculairement à la partie tournante.

Ce modèle, une fois incorporé à une pièce de machine, laisse le bord extérieur de la pièce libre pour d'autres utilisations On aura également compris que la plus grande partie du rotor, qui comprend le centre, n'est pas utilisée en tant que partie du circuit magnétique et ne doit donc pas avoir de propriétés magnétiques particulières Elle pourrait par exemple être faite en matière plastique Ainsi, la gamme des pièces de machine qui pourraient incorporer un rotor n'est pas limitée à celles qui sont faites en des matériaux magnétiques L'alternateur peut également être utilisé comme capteur de vitesse Il est possible de compter le nombre de cycles par unité de temps pour déterminer la vitesse de rotation, puisque, pour une intensité de champ fixe, la force

électromotrice de sortie est proportionnelle à la vitesse de rota-

tion Pour de telles applications, il est possible de réduire le stator à une très petite taille, n'impliquant de relation qu'avec

une seule dent et un seul intervalle du rotor Comme pour la plu-

part des machines électriques rotatives, ce type d'alternateur à fer tournant peut également être construit sous la forme d'une

machine linéaire.

Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer,

à partir de l'alternateur dont la description vient d'être donnée à

titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses

variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1 A Lternateur à fer tournant du type généra L comportant (a) un stator entourant un rotor, (b) un rotor conçu pour tourner à L'intérieur du stator, (c) des bobinages destinés à produire un f Lux magnétique dans un circuit magnétique traversant Le stator, passant au rotor et traversant Le rotor, pour revenir au stator, (d) des dents d'inducteur réparties sur La périphérie du rotor et

conçues de façon que Le trajet de moindre réluctance du f Lux magné-

tique passe par Les dents, et (e) des bobinages de sortie disposés à L'intérieur du stator et servant à porter Le signa L de sortie qui y est induit Lorsque La densité de f Lux passant dans Les bobinages varie entre un maximum et un minimum tandis que Les sous-circuits de f Lux passant par Les enrou Lements comportent et ne comportent pas, en alternance, Les dents du rotor, une force électromotrice étant induite du fait de cette variation du f Lux, L'a Lternateur étant caractérisé en ce que son stator n'enveloppe pas Le rotor et en ce qu'i L comprend La combinaison formée par un rotor ( 52), avec un segment de stator ( 50) destiné à former un circuit de f Lux magnétique qui passe au travers d'un secteur du rotor, et par des moyens coup Lant Le segment de stator à un secteur du rotor de façon que Les dents ( 54) du rotor constituent Le trajet de moindre

réluctance pour Le f Lux magnétique, ce qui induit une force éLec-

tromotrice Lorsque Le rotor tourne.

2 A Lternateur se Lon La revendication 1, caractérisé en

ce que plusieurs bobinages de champ ( 56) produisent un f Lux magné-

tique dans une série de circuits magnétiques à L'intérieur du seg-

ment de stator, et plusieurs bobinages de sortie ( 59) transportent

Le courant induit.

3 A Lternateur se Lon La revendication 2, caractérisé en ce que Les bobinages de champ sont conçus de façon à produire un

f Lux unidirectionnel dans Les circuits magnétiques.

4 A Lternateur se Lon La revendication 2, caractérisé en ce que Les bobinages de champ sont conçus de façon à produire des f Lux dans Les circuits magnétiques qui sont dirigés de façon opposée. Alternateur selon la revendication 2, caractérisé en

ce que le rotor est incorporé dans une pièce de machine.

6 Alternateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le centre du rotor est fait en un matériau non magnétique et

la périphérie dentée du rotor est faite en un matériau magnétique.

7 Alternateur selon la revendication 2, caratérisé en ce que la taille du segment du stator est suffisante, étant donnés la vitesse périphérique du rotor, la réluctance du trajet de flux, le nombre de tours et le courant des enroulements de champ, pour être en relation avec le nombre de dents de rotor déterminé pour

produire une force électromotrice et un courant induits voulus.

8 Alternateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce de machine devenant le rotor est directement liée à un arbre d'entraînement de sa machine d'excitation, ce qui éLimine

l'alternateur en tant qu'éLément distinct et les moyens d'entraîne-

ment de cet alternateur ainsi que les paliers, courroies et engre-

nages qui l'accompagnent.

9 Alternateur selon la revendication 8, caractérisé en

ce que le rotor est un volant d'inertie.

10 Alternateur selon la revendication 8, caractérisé en

ce que le rotor est un pignon.

11 Alternateur selon la revendication 8, caractérisé en

ce que le rotor est un rotor de moteur à turbine.

12 A Lternateur selon la revendication 8, caractérisé en

ce que le rotor est un disque ou un tambour de frein.

13 Alternateur selon la revendication 8, caractérisé en

ce que le rotor est une roue.

14 Alternateur selon la revendication 8, caractérisé en

ce que le rotor est un éLément du dispositif d'embrayage.

15 Alternateur à fer tournant permettant de produire de l'électricité dans des conditions o les alternateurs existants, dans lesquels le rotor est enfermé à l'intérieur du stator, ne sont pas adaptés, caractérisé en ce qu'il comprend (a) un rotor ( 52) possédant un grand diamètre par rapport à celui des rotors enfermés

correspondants actuellement existants, mais ayant une vitesse péri-

phérique plus élevée pour une vitesse de rotation donnée, le rotor comportant plusieurs dents ( 54) de rotor séparées qui, Lors de La

rotation du rotor, décrivent un cerc Le ou une trajectoire annu-

Laire, (b) un stator ( 50) qui se trouve en regard d'un secteur seu-

Lement du rotor au Lieu d'enfermer Ledit rotor, Le stator ayant La forme d'un segment disposé au voisinage du rotor, Leque L segment n'est en re Lation, à un moment que Lconquequ'avec un arc dudit

cerc Le décrit, (c) des bobines de champ fixes ( 56) qui sont dispo-

sées à L'intérieur du stator de manière à produire un f Lux magné-

tique formant un circuit magnétique qui passe dans Ledit segment de stator et Le rotor, Le f Lux principal passant par Les dents de rotor qui se trouvent dans Ledit arc du cerc Le décrit, et (d) des bobinages de sortie ( 59) qui sont disposés à L'intérieur du stator au voisinage de La face du stator o Les variations de La densité

de f Lux sont Les p Lus grandes, Les bobinages de sortie étant des-

tinés à transporter Le courant de sortie qui y est induit par Les variations de f Lux par suite du déplacement des dents de rotor

dans Le stator.